课 程 设 计 1 前言 说 明 书 步进电机早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐 渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良， 使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖 性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的 机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精 确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得多。 步进电机作为执行元 件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微 电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都 有应用！在当今电子信息行业日趋发展的时代，数字化技术在引领新时代科技发 展的浪潮中体现着越来越重要的作用， 然而步进电机又是数字化技术中非常重要 的一种机器。为了更加了解它的工作原理，本次课设我们就设计了步进电机的一 个重要部分——步进电机驱动器。它是控制步进电机工作的部分。 在本次课程设计中，将主要设计一个供四相步进电机驱动的驱动器。它要实 现以下功能：1. 设计一个方波发生器给整个系统充当时钟，使当每发出一个时 钟脉冲，步进电机就转过一定的角度；2．设计一个步进电机的驱动信号发生器， 可以实现电机正转/反转控制和转速控制，通过控制输入脉冲的数量、频率及电 动机绕组通电的相序，从而获得所需的转角、转速及转动方向； 3．要求驱动器 有足够的输出电流以驱动小功率 4 相步进电机； 4. 要求可以实现步进电机的单 相或双相激励。 步进电机驱动器主要由方波产生电路、脉冲环形分配电路和功率放大电路 三大电路组成。方波产生电路主要由 555 定时器组成，其频率可通过调节滑动变 阻器阻值来改变， 从而改变电机的转速。 脉冲环形分配电路则由移位寄存器构成， 通过改变移位寄存器的移动方向来控制电机的转动方向； 功率放大电路则是采用 二极管，稳压管和电感组成的电路，其目的是为了放大功率，为四相电机提供足 够的电流。 总之，步进电机驱动器通过这三大主要电路实现其控制电机的功能，很方 便的改变电机的转动速度和方向，从而使电机更好的使与其相连的仪器更好的， 更有效的工作。 2 实验 2.1 步进电机驱动系统简介 -1- 课 程 设 计 说 明 书 步进电机不能直接接到交直流电源上工作， 而必须使用专用设—步进电机 驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度 上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电 机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信 号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进 一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无 或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常， 步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电 机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲， 控制电路就按预先设定 的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。 控制电路输出的信 号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步 进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使 其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等 故障时迅速停止驱动器和电机的运行。 2.2 驱动器设计 2.2.1 反应式步进电机 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但 噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相 励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。 （1）步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进 电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 2.21 是该四 相反应 式步进电机工作原理示意图。 -2- 课 程 设 计 说 明 书 图 2.21 四相步进电机示意图 (2)开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号 齿对齐，同时，转子的 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就 和 D、A 相绕组磁极产生错齿。 (3)当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，两相步进电机由于 C 相绕组的磁力线 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、 3 号齿和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次 类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 （4）四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三 种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作 方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的 转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序 与波形分别如图 2.22.a、b、c 所示： 图 2.22 步进电机工作时序波形图 2.2.2 驱动器原理 步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。 驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一 定顺序通电，控制电机转动。 （步进电机驱动器系统电路原理图如图 2.23） -3- 课 程 设 计 说 明 书 图 2.23 步进电机驱动器系统电路原理图 2.3 步进电机驱动器控制系统 （1）脉冲信号的产生 脉冲信号一般由单片机或 CPU 产生， 一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4 左右， 电机转速越高，占空比则越大。 相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为 1.8 度；二相八 拍为,步距角为 0.9 度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为（2）信号分配 AB-BC-CD-DA-AB, -4- 课 程 设 计 说 明 书 图 2.31 步进电机控制系统 步距角为 1.8 度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为 0.9 度）图如 2.31。 （3）功率放大 功率放大是驱动系统为重要的部分。 步进电机在一定转速下的转矩取决于 它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越 大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。 因而不同的场合采取不同的的驱动方式， 到目前为止， 驱动方式一般有以下几种： 恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。 2.4 四相步进机驱动器 图 2.41 是 L298 驱动四相步进电机 35BYJ46 的驱动电路，每相流过的电流 为 2A。它采用了 L297 来产生步进脉冲，当然，这也可以通过单片机的 IO 口来 软件编程实现(见以下的驱动程序部分)。 对于 L297 芯片， 重要的控制引脚如下： CW/CCW：电机旋转方向控制。 CLOCK：步进时钟脉冲，信号的上升沿触发。 HALF/FULL：高电平，HALF 有效，两相步进电机4 相 8 拍；低电平，FULL 有效，两相步进电机4 相单 4 拍(translator 为偶数状态)； 低电平， FULL 有效， 相双 4 拍(translator 为 4 奇数状态)。 RSTET：复位到 HOME 初始状态(STATE=1,ABCD=0101)。这四个控制线，可以 由模拟电路产生。 -5- 课 程 设 计 说 明 书 M1 和 M2 四个接线端子分别接步进电机的两个绕组。 要实现步进电机的旋转， 输入信号端 IN1，IN2，IN3，IN4 依次接入低电平。 （正转接入低电平的顺序是 IN1→IN2→IN3→IN4，反转接入低电平的顺序是 IN4→IN3→IN2→IN1） 。改变脉 冲的速度即可改变电机的转动速度，脉冲越快电机的转速也就越快。脉冲速度超 过了电机的反应速度就容易造成电机失步。 步进 电机 输入 IN1 正转 IN2 IN3 IN4 IN1 反转 IN2 IN3 IN4 信号 步 0 1 1 1 1 1 1 0 步 1 0 1 1 1 1 0 1 第二 步 1 1 0 1 1 0 1 1 第三 步 1 1 1 0 0 1 1 1 第四 返回 步 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 2.5 电源电路 LM2575 系列是美国国家半导体生产的 3A 电流输出降压开关型集成稳压 电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的 保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可 构成高效稳压电路。 LM2575 系列开关稳压集成电路的主要特性如下： ●输出电流：3A； ●输入电压：LM2575 为 40V，LM2575HV 为 60V； ●输出电压：3.3V、5V、12V、15V 和 ADJ（可调）等可选； ●振动频率：52kHz； ●转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）； ●控制方式：PWM； ●工作温度范围：-40℃ ～ +125℃ ●工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制； ●工作模式控制：TTL 电平兼容； -6- 课 程 设 计 说 明 书 ●所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）； ●器件保护：热关断及电流限制； ●封装形式：TO-220 或 TO-263。 LM2575 内部包含 52kHz 振荡器、1.23V 基准稳压电路、热关断电路、电流限 制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将 比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电阻网络，这样可根据输出电 压的不同选定不同的阻值，其中 R1=1kΩ（可调-ADJ 时开路），R2 分别为 1.7k Ω（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.84kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和 0（-ADJ）， 上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了调整，因而无需使用者考虑。将输 出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值 1.23V 进行比较，若电压有偏差， 则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。 硬件电路如图 2.51 所示： 图 2.51 电源电路 2.6 停转 2.6.1 非正常停转（堵转） 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正 常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步 或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉 冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频 （电机转速从低速升到高速）。 2.6.2 正常停转 -7- 课 程 设 计 说 明 书 断掉电源或停止发出脉冲 3 总结 理论方面对主要的几种步进电动机的结构、 工作原理和优缺点及步进电动机 的应用和研究概况进行了总结。重点对四相式步进电机，研究了它的结构特点、 运行特性和数学模型的建立。 对步进电机传统的和新型的各种驱动方式进行了分 析和比较。 4 谢辞 本次课程设计的成功离不开小组成员的积极参与， 更离不开向波老师这一学 期的辛勤教导和在课程设计期间给予的指导。 感谢向波老师在我们课程设计的关 键时刻给予帮助，感谢七名小组成员的共同努力，以及在课程设计期间给予过帮 助的学长们， 有你们的帮助才使得这次课程设计顺利完成， 在此表示衷心的感谢！ 参考文献 [1]徐安静.数字电子技术.修订版.北京:清华大学出版社 2008 [2]阎石.数字电子技术基础.第五版.北京:高等教育出版社 2006 [3]余孟尝.数字电子技术基础简明教程.第三版.北京:高等教育出版社 2006 [4]胡宴如.模拟电子技术.第二版.北京：高等教育出版社，2008 [5]康华光.电子技术基础（数字部分）.第四版.北京:高等教育出版社 2005 [6]童诗白.模拟电子技术基础.第四版.北京:高等教育出版社 2008 [7]周明安，朱光忠，宋晓华等.步进电机驱动技术发展及现状.[J].机电工 程技术，2005 外文资料 Stepper motor Stepper motor is the electric pulse signals into angular displacement or linear displacement of the open-loop stepper motor control element pieces. In the case of non-overloaded, the motor speed, stop position depends only on the pulse frequency and pulse number, regardless of load changes, when the driver receives a step pulse signal, it will drive a stepper motor to Set the direction of rotation of a fixed angle, called the step angle, which the angle of rotation is fixed step by step operation. Number of -8- 课 程 设 计 说 明 书 pulses can be controlled by controlling the angular displacement, so as to achieve accurate positioning purposes; the same time by controlling the pulse frequency to control the motor rotation speed and acceleration ,to achieve speed control purposes. Work Induction motor is a stepper motor, does it work is the use of electronic circuits, the DC power supply into a time-sharing, multi-phase timing control current, this current stepper motor power supply, the stepper motor to work properly, The drive is sharing power supply for the stepper motor, the poly phase timing controller Although the stepper motor has been widely used, but the stepper motor does not like a normal DC motor, AC motor in the conventional use. It must be double-ring pulse signal, power driver circuit composed of the control system can be used. Therefore, it is not easy with a good stepping motor, which involves mechanical, electrical, electronics and computers, and many other specialized knowledge. As the stepper motor actuators, electromechanical integration, one of the key products, widely used in a variety of automatic control systems. With the development of microelectronics and computer technology, increasing demand for stepper motor, has applications in all areas of the national economy. -9-
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