1、- 陇东学院 电子设计论文 题 目 小信号步进电机驱动器 学生姓名 杨小林 学 号 2010311124 院 系 电气工程学院 专 业 电子信息工程 指导教师 2012 年 5 月 6 日 1 小信号步进电机驱动器 目录 摘要: .1 关键词： 1 引言 1 1 系统分析 2 2 步进电机原理 3 3 系统的硬件设计 4 4 系统的软件实现 8 结 论 10 参考文献 11 摘要: 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电 元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众 多领域中获得了广泛的应用，国内研究步进电机驱动器的科研单位和公司很多， 但是功能大
2、多单一化，很多都是只能驱动固定用途的步进电机，且多不带细分， 价格较贵。很难满足社会生活中需要灵活应用、低成本且功能要求较全的场合。 介绍了步进电机和直流电机原理及其驱动程序控制控制模块，通过AT89C52单片 机及脉冲分配器(又称逻辑转换器) L298N完成步进电机和直流电机各种运行方 式的控制。实现步进电机的正反转速度控制并且显示数据。整个系统采用模块 化设计,结构简单、可靠,通过按键控制，操作方便，节省成本。 关键词： 步进电机; 单片机控制; AT89C52; L298N。 引言：随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进 电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移
3、的控制驱动元件, 具有快速 起动和停止的特点。因为步进电动机组成的控制系统结构简单，价格低廉，性 能上能满足工业控制的基本要求，所以广泛地应用于手工业自动控制、数控机 床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、大型 望远镜、卫星天线定位系统、医疗器件以及各种可控机械工具等等。直流电机 广泛应用于计算机外围设备( 如硬盘、软盘和光盘存储器) 、家电产品、医疗 2 器械和电动车上, 无刷直流电机的转子都普遍使用永磁材料组成的磁钢, 并且 在航空、航天、汽车、精密电子等行业也被广泛应用。在电工设备中的应用， 除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流
4、 旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直 流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如 大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线 速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直 流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机 带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其 它的用途，例如测速电机、伺服电机等。他们都是利用电和磁的相互作用来实 现向机械能能的转换。 1 系统分析 1.1 框图设计 根据系统要求画出基于 AT89C52 单片机的控制步进
5、电机的控制框图如图 1- 1 所示。系统主要包括单片机、复位电路、晶振电路、按键电路、步进电机及 驱动电路几部分。 按键电路 复位电路 晶振电路 AT89C52 电源电路 驱 动 电 路 步 进 电 路 ADC0809 图 1-1 基于 AT89C52 单片机的控制步进电机的控制框图 1.2 晶振电路 AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和 3 XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一 起构成自激振荡器。 晶振模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。 最常用的两种类型是晶振模块和集成 RC 振荡器（硅振荡
6、器） 。晶振模块提供与 分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立 RC 振荡器高，多数情况下能 够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 图 1-2 为晶振电路。 1 2 11.0952 22pF C1 22pF C2 图1-2 图 图图图 2 步进电机原理 按照常理来说，步进电机接线要根据线的颜色来区分接线。但是不同公司 生产的步进电机，线的颜色不一样。特别是国外的步进电机。 那么，步进电机接线应该用万用表打表。 步进电机内部构造如下图 2-1。 4 图 2-1 步进电机内部构造 通过图 2-1 可知，A，A 是联通的，B 和B 是联通。那么，A 和A 是一 组 a，B 和B 是一组 b。 不管是
7、两相四相，四相五线，四相六线步进电机。内部构造都是如此。至 于究竟是四线，五线，还是六线。就要看 A 和A 之间，B 和 B之间有没有公 共端 com 抽线。如果 a 组和 b 组各自有一个 com 端，则该步进电机六线，如果 a 和 b 组的公共端连在一起，则是 5 线的。所以，要弄清步进电机如何接线，只 需把 a 组和 b 组分开。用万用表打。 四线：由于四线没有 com 公共抽线，所以，a 和 b 组是绝对绝缘的，不连 通的。所以，用万用表测，不连通的是一组。 五线：由于五线中，a 和 b 组的公共端是连接在一起的。用万用表测，当 发现有一根线和其他几根线的电阻是相当的，那么，这根线就是
8、公共 com 端。 对于驱动五线步进电机，公共 com 端不连接也是可以驱动步进电机的。 六线：a 和 b 组的公共抽线 com 端是不连通的。同样，用万用表测电阻， 发现其中一根线和其他两根线阻止是一样的，那么这根线是 com 端，另 2 根线 就属于一组。对于驱动四相六线步进电机，两根公共 com 端不接先也可以驱动 该步进电机的。 通过上面的方法都可以测得不同线对应的接线，当然，也还有一些朋友不 知道，那测出 AA和 BB之后，怎么分开哪根是 A 哪根是 A，哪根是 B 哪根是 B呢？之前我也有一样的问题，相信初学步进电机的朋友也一样，我这里有一 看到一个帖，里面介绍了一种方法： 拿到步
9、进电机，根据以前看书对四相步进电机的了解，我对它进行了初步的测 试，就是将 5 伏电源的正端接上最边上两根褐色（指的是公共端，不同电机颜 色不同）的线，然后用 5 伏电源的地线分别和另外四根线（红、兰、白、橙） （指的是剩下的控制线，不同电机颜色不同）依次接触，发现每接触一下，步 进电机便转动一个角度，来回五次，电机刚好转一圈，说明此步进电机的步进 角度为 360/(45)18 度。地线与四线接触的顺序相反，电机的转向也相反。 3 系统的硬件设计 3.1 系统的方案简述与设计要求 本设计采用单片机 AT89C52 来作为整个步进电机控制系统的运动控制核心 部件，采用了电机驱动芯片 L298 及
10、其外围电路构成了整个系统的驱动部分，再 加上作为执行部件的步进电机来构成了一个基本的步进电机控制系统。系统的 具体功能和要求如下： 1.单片机最小系统板的设计； 2.实现步进电机的启停、正转、反转及转速控制； 3.驱动电路可提供电压为 12V，电流为 0.5A 的驱动信号; 单片机最小系统作为整个系统的控制核心，它主要负责产生控制步进电机 转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的 脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比步进电机转 5 动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的的方向与输出的脉冲顺 序有关。同时单片机系统还负责处理来自电机驱动
11、电流检测模块检测到的电流 值。与此同时，单片机将会把电机转速，电机的转动方向。 独立按键作为一个外部中断源，和单片机端口连接，通过它设置了电机的 正转，反转，加速，减速等功能。单片机最小系统作为整个系统的控制核心， 它主 要负责产生控制步进电机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分 配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的 脉冲数成正比步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动 的方向与输出的脉冲顺序有关。 电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机 工作。 串口下载模块主要是负责实行计算机和单片机之间的通信，将在计算机里
12、 面编写好的程序下载到单片机芯片当中。 电机驱动电流检测模块主要是检测通过电机驱动芯片的电流，然后通过运 放将检测到的信号放大，最后将放大后的信号通过模数转换芯片ADC0809处理 后送给单片机。如图3-1所示。 R8 22pFXTAL C4 22pFXTAL C5 P1.0/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD11 P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115 P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL218 XTAL119 GND
13、20 A8/P2.0 21A9/P2.1 22A10/P2.2 23 A11/P2.3 24A12/P2.4 25 A13/P2.5 26A14/P2.6 27 A15/P2.7 28PESN 29 ALE/PROG 30EA/VPP 31 AD7/P0.7 32AD6/P0.6 33 AD5/P0.5 34AD4/P0.4 35 AD3/P0.3 36AD2/P0.2 37 AD1/P0.1 38AD0/P0.0 39 VCC 40 AT89C52 U2 1 2 XTAL4M SW-PB S1 SW-PB S2 SW-PB S3 +12 IN31 IN42 IN53 IN64 IN75 ST
14、ART6 EOC7 D38 OE9 CLK10 VCC11 VREF+12 GND13 D114 D2 15VREF- 16D0 17 D4 18D5 19 D6 20D7 21 ALE 22C 23 B 24A 25 IN0 26IN1 27 IN2 28 ADC0809 U1 P3.7p3.6 P3.4 +5 P3.3 P1.3 SW-PB S4 P3.4 P3.6 P3.7 C1 0.1uF C2+5 P3.3 图 3-1 单片机控制原理图 上面的接口方式是基于以下考虑的： （1）ADC0809 的最大供电电压为 6.5V，这里采用+5V 供电 （2）单片机 P1 口接收转换的数字量；
15、（3）由于只有一路模拟信号输出，这里 ADD A、ADD B、ADD C 直接接地选 通 IN0 通道；EOC 通过一非门与单片机 INT0 中断连接，则可以以中断的方式 来判断何时 ADC0809 转换完成； （4）正的参考电压输入端 VREF(+)接+5V 电压，负端 VREF(-)接地，故而待转 换的模拟量的范围为 0V-5V。 6 3.2 电机驱动模块设计 在前面已经详细的介绍了目前的电机的驱动技术的基本类型，考虑要硬件 设计驱动电路的方法会电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成 本高。 而直接采用集成的驱动芯片时电路稳定，成本低，易于控制，所以最终本设计 是直接采用电机驱动
16、芯片 L298N 作为电机驱动部分的核心部件。 3.2.1 L298 简介 L298N 驱动芯片内部包含 4 信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电 机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H- Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准：TTL 逻辑准位信号，可驱动 46V、2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直 接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号。 L298N 之接脚如图 3-2-1 所示，Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连接 来控制负载的电路； OUTl、OUT2、OUT3、OUT4 之间接 1
17、 个步进电机； input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。 图4-1 L298管脚图 图3-2-1 L298管脚图 引脚功能介绍： 1、1；15 脚（Sense A；Sense B）：电流检测端，分别为两个 桥的电流反 2、2；3 脚（Output1；Output2）：1Y1、1Y2 输出端； 3、4 脚（VS）：功率电源电压,此引脚与地必须连接 100nF 电容器； 4、5；7 脚（Input 1； Input）：1A1、1A2 输入端，TTL 电平兼容； 5、6；11 脚（Enable A；Enable B）：TTL 电平兼容输入 1EN、2E
18、N 使 能端，低电平禁止输出； 6、8 脚（GND）：GND 接地端； 7、9 脚（VSS）：逻辑电源电压。此引脚必须与地连接 100nF 电容器； 8、10；12 脚（Input3；Input4）：2A1，2A2 输入端，TTL 电平兼容； 7 9、13；14 脚（Out3；Out4）：2Y1、2Y2 输出端，监测引脚 15； 3.2.2 电机驱动电路设计 如图 4-2 所示，本设计的电机驱动部分是由驱动芯片 L298 及其外围电路构 成，其中从 L298 的 2、3 脚和 13、14 脚（即芯片的输出端）依次按顺序连成一 个插座，分别与步进电机的四根线相连。而 5、6、7、10、11、12
19、 脚就依次与 单片机的 P1 口的六个管脚相连。通过这一连接实现了单片机与 L298 以及步进 电机的串联控制。 图中很重要的部分是由八个二极管连成的保护电路，其作用是防止由于步 进电机的转速提高而产生的自感电动势损坏芯片。由于本设计使用的电机驱动 电压是使用了 12V (也可以使用 9V)，所以二极管的负端接 12V 的参考电压。如 果驱动芯片的电压改变，那么这个参考电压也随之一起改变。 0.1uF104 C5 0.1uF104 C7 100uF C6 100uF C4 IN4007D1 IN4007D2 IN4007D3 IN4007D4 IN4007D5 IN4007D6 IN4007D
20、7 IN4007D8 +12 1 2 3 4 5 6 IN15 IN27 IN310 IN412 EN A6 EN B11 GND8 VSS 9 VS 4 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 OUT4 14 ISEN A 1 ISEN B 15 L298N U3 +5 图4-2 电机驱动电路图 4 系统的软件实现 本系统的软件设计主要分为系统初始化、延时子程序、按键响应程序，读 ADC0809 子程序及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每 个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机 AT89C52 通过软件编程才能使 系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的
21、运行质量。 程序流程图的设计遵循自顶向下的原则，即从主体遂逐步细分到每一个模 块的流程。在流程图中把设计者的控制过程梳理清楚。 4.1 系统软件主流程图 当给系统供电以后，通过单片机复位电路对系统进行上电复位系统经过初 始化以后，便开始执行按键查询等待相应的操作，当有按键按下的时候程序便 8 调用并执行相应的子程序，其具体的主流程图 4-1 如下所示： 开始 系统初始化 按键判断 相应按键子程序 结束 图 4-1 主程序图 4.2 按键子程序 按键响应子函数：在本设计当中按键的一端接地，另一端接单片机的对应 端口，所以当按键按下，既是将单片机对应端口电平拉低。所以在编程的时候 判断按键按下是低
22、电平有效。图 4-2 画出的是电机增减速的子程序框图；图 4- 2-1 画出转动方向子程序图。 程序入口 判断增速键按下 速度档位加 1 结束 程序入口 判断减速键按下 速度档位减 1 结束 图 4-2 增速减速子程序 9 程序入口 判断方转动方向键按 下 改变转动方向 结束 图 4-2-1 转动方向子程序 结 论 本设计实现了占用 CPU 时间少，效率高；易于控制步进电机的转向转速； 提高了步进电机的步进精度等。再有，本设计过程考虑比较周全，系统中不仅 采用光电隔离电路有效地抑制电磁干扰以提高系统的可靠性，而且还可以方便 灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求，因此常把单片机步
23、进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。步进电机控制（包括控制 脉冲的产生和分配）使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也 减低了成本。 基于单片机的步进电机控制系统性能优于传统的步进控制器，具有相应快， 控制方便可靠等一系列优点，在机电一体化、数模转换装置、计算机外围设备、 自动记录仪、钟表、印刷设备等中亦得到广泛地应用，发展前景广阔。 参考文献 1王晓明、 胡晓柏.电动机的单片机控制M.北京航空航天大学出版社,2002 年 5 月第 1 版：181-208 2刘宝延、 程树康.步进电动机及其驱动控制系统 M .1997 年 11 月第一版：134-167 3史敬灼. 步进电
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