1、编号： 单片机实训 (论文)说明书题 目： 步进电机控制器 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 0901130324 指导教师： 符强 严素清 2012 年 01 月 03 日摘要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片L297L298 的性能、
2、结构的基础上，结合 AT89C52 单片机，设计出了混合式步进电机驱动电路。关键词：步进电机；AT89C52 单片机；L297/L298 驱动。桂林电子科技大学实训说明书用纸1 AbstractStepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instr
3、uctions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive AT89C52 single chip computer; L297 / L298 driver. 桂林电子科技大学实训说明书用纸2 目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 设计目的与意义 .11.3 选择方案 .11.3.1 步进电机概述 .11.3.2 步进电机工作原理 .21.3.3 控制方案 .3第二章 步进电机驱动器 .42.1 驱动器的选择 .4
4、2.2.1 L297L298 驱动特性分析 .42.1.2 L297298 功能分析 .42.2 驱动器的芯片连接 .6第三章 单片机电路 .83.1 步进电机控制器 .83.1.1 脉冲产生电路 .83.2 加速减速控制 .103.3 显示及键盘电路 .123.4 细分驱动 .123.5 程序设计 .13第四章 总结 .16参考文献 .17附录：原理图桂林电子科技大学实训说明书用纸3 桂林电子科技大学实训说明书用纸1 第一章 绪论1.1 课题背景步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的开环状态定位或同步运行。我们通过调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现精确的位
5、移或者角度定位，而调节发送的步进脉冲频率就可以实现速度调节，这些都有利装置或设备的小型化和低成本，因而在众多领域中得到广泛的应用。步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电子技术的发展 ，使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使步进电机驱动电源的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进电机驱动电源却很少，而且国内的驱动电源方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便，国外虽然有通用的各种类型的
6、步进电机驱动电源，但大都存在一些问题，如价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。如前所述，步进电机伺服系统的性能，不仅与步进电机本体的特性有关，而且还与步进电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系，特别是驱动电源技术方面，对步进电机运行性能的改善，如高频力矩的提高，步距分辨率的提高，单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。1.2 设计的目的与意义掌握步进电机的工作原理及控制方法，本次设计任务要完成的目标是：利用单片机控制实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速、实现步进电机的细分控制、控制器满足步进电机的幅频特性等功能。1.3 选择方案1.3.1 步进电机的概述步进电机是
7、一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动桂林电子科技大学实训说明书用纸2 步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多，输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类：反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广
8、泛。1.3.2 步进电机工作原理图 1 是一个四相磁阻式步进电机的结构示意图，该电机定子上有 8 个凸齿，相距 180的两个凸齿构成一相，每一相上的线圈反相连接，这样 8 个齿就构成四相，AA1、BB1、CC1、DD1，因此称为四相步进电机 1。图 1 四相磁阻型的步进电机结构示意图当有一相绕组被励磁时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他的六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被迫转动，使最近的一对齿与被励磁的一相对准。在图 1 的 a 图中 B 相被励磁，转子与 B 相对准。在这个位置上，再对 A 相进行励磁，则转子在磁场作用下顺时针转过15
9、，如图 1 的 b 图所示，这样步进电机就转过了一个步距角。继续对 C 相进行励磁，转子在磁场的作用下进一步顺时针转过 15，到达 c 图所示的位置，又转过了一个步距角。再对 D 相进行励磁，又产生了一个新的磁场，在磁力的作用下转子又转过一个步距角 15。这样步进电机的四相完成一个通电循环，若要继续转动，就继续顺次励磁，即步进电机按照 ABCDA 顺序顺次励磁，那么电机就不停地转动；若要电机反转，只需要改变电机的励磁顺序，按照 ADCBA 的次序励磁即可。一般对步进电机采用半步驱动，即四相八拍工作方式，使步进电机每次励磁转过 1 /2 的步距角，即每次改变励磁方式步进电机转过 7.5，它的励磁
10、方式是桂林电子科技大学实训说明书用纸3 AABBBCCCDDDAA，若要反转也是只需改变励磁方式即可，即按照AADDDCCCBBBAA，采用八拍工作方式使得电机的转动更加稳定，也进一步增强了步进电机的控制精度。改变控制绕组数（相数）或极数（转子齿数） ，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算： L =3600 /(PNC) 式中：L 为步长；P为相数；N为转子齿数；C为通电方式。在图1中，步长为15 0，表示电机转一圈需要24步。1.3.3 控制方案步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制 2。步进电机最
11、大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，步进电动机开环控制系统组成如图 2。在本文中我们选用的步进电机为四相八拍混合式步进电机 57BYG450，参数具体如下：电压 12v，电流0.45A，步距角 1.80/步，空载启动频率 1200 步/秒，空载运行频率20 步/秒，转动惯量 0.135kg/cm2。图2 步进电动机开环控制系统组成单片机 驱动器及细分 步进电机LCD 显示 键盘输入桂林电子科技大学实训说明书用纸4 第二章 步进电机驱动器2.1 驱动器的选择混合式步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别
12、是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得了更为广泛的应用。但其步距角较大、分辨率低、易发热等缺点往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制。为解决上述问题，本电路采用混合式步进电机驱动芯片 L297L298。2.1.1 L297L298 驱动特性分析一般情况下，步进电机根据环形分配器决定分配方式，各绕组的电流轮流切换，从而使步进电机的转子步进旋转。步距角的大小只有两种，即整步工作和半步工作，而步距角已由电机的结构确定。如果在每次输入脉冲切换时。不是将绕组电流全部通入或关断，只改变相应绕组中的额定电流的一部分，则转子相应的每步转动原有步距角的一部分，而额定电流分成多少次进行切换，转子就以多少
13、步完成一个原有的步距角。这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法即为细分驱动 3。同时，在步进电机每相绕组通电周期中，常用的驱动方法采用恒定电流值驱动，该方法在驱动大力矩负载时往往发热现象严重。为了解决上述问题，提出了斩波恒流驱动方法，在斩波恒流电路中，采用高电压驱动，电机绕组回路不串联电阻，这样电流上升的速度会很快。同时在电路中设置采样电阻，在绕组电流达到额定值时，由于采样电阻的反馈作用，通过比较器使电源电压工作在关断状态，从而使绕组电流保持在额定值附近内波动。由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，具有很
14、高的效率，降低了发热量。在驱动器中采用将细分和斩波恒流驱动结合技术，电机内电流波形图如图3（b） 。桂林电子科技大学实训说明书用纸5 2.2 L297L298 功能分析L297 单片步进电动机控制器集成电路适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制。用 L297 输出信号可控制 L298 双 H 桥驱动集成电路，用来驱动(a)普通方法驱动 (b)斩波恒流细分驱动图 3 驱动电路电流波形电压为 12V，每相电流为 0.45A 以下的步进电动机。L297 也可用来控制由达林顿晶体管组成的分立电路，驱动更高电压、更大电流的步进电动机。此器件的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由
15、内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。此芯片是具有 20 个引出脚的双列直插式塑胶封装的器件，采用固定斩波频率的 PWM 恒流斩波方式工作。L297 主要由译码器、两个固定斩波频率的 PWM 恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，工作原理分述如下：L297 的核心是脉冲分配器，它产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步方式(HALF STEP)；基本步距(FULL STEP，整步)一相激励方式；基本步距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个 3bit 可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8 步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号。此时 HALF/FULL 信号为高电平。若 HALF/FULL 取低电平，得到基本步距工作方式，即 4 步工作方式。L297 另一个重要组成是由两个 PWM 斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩-频率特性。每个斩波器由一个比较器，一个 RS 触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号。图 4 中，频率f，是由外接 16 脚的 RC 网络决定的，当 R10k 时。F=1/0.69RC,当时钟振荡器脉冲
