驱动控制步进电机和风扇的集成电路的制作方法
驱动控制步进电机和风扇的集成电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路。包括USB转串口模块、主控制器、三个两相混合步进电机驱动器、三个风扇控制电路、开关电源、三个两相混合步进电机、开关电源和低压差线性稳压器。USB转串口线的一端与PC机相连，另一端与电平转化模块相连；电平转化模块与主控制器的相连，主控制器的一路分别与三个风扇控制电路连接，另一路分别经三个两相混合步进电机驱动器与各自的两相混合步进电机连接；开关电源对三个两相混合步进电机驱动器供电，低压差线性稳压器分别与USB转串口模块、主控制器和三个两相混合步进电机驱动器连接。本发明采用集成电路能够满足驱动和控制三个两相混合步进电机和三个USB小风扇的性能。
【专利说明】驱动控制步进电机和风扇的集成电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及步进电机的驱动和控制电路，具体的说是涉及一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，电机发展逐渐多样化，而对电机的位置控制要求越来越高，伺服电机，无刷电机，盘式电机等均得到广泛的应用。伺服电机、无刷电机、盘式电机等在位置的精确控制上采用传感器技术将采样得到的位置信息模拟信号并通过A/D转换器转换为数字信号发送给控制端，与控制端设定的参数进行比较来完成电机的精确定位。在这个过程中，模拟信号的大量存在一定程度上影响控制系统的可靠性和稳定性，信号处理电路以及控制参数的设计造成了控制的复杂性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路。该集成电路能驱动三个两相混合步进电机，实现电机的稳定转动和精确定位，并控制USB小风扇的运转。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明包括USB转串口模块、主控制器、三个两相混合步进电机驱动器、三个风扇控制电路、开关电源、三个两相混合步进电机、开关电源和低压差线性稳压器；所述的USB转串口模块，包括USB转串口线和电平转化模块，USB转串口线的一端通过USB接口与PC机相连，USB转串口线的另一端与电平转化模块的串口座相连；电平转化模块的RlOUT和TlIN引脚分别与主控制器的P0.4、P0.5引脚相连，主控制器的一路分别与三个风扇控制电路连接，主控制器的另一路分别经三个两相混合步进电机驱动器，三个两相混合步进电机驱动器与各自的两相混合步进电机连接；开关电源对三个两相混合步进电机驱动器供电，低压差线性稳压器分别与USB转串口模块、主控制器和三个两相混合步进电机驱动器连接。
[0005]所述主控制器为C单片机，经P6、P7、P8控制接口分别与各自两相混合步进电机驱动器相连；主控制器的Pl.6、P2.1、P2.4引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器的脉冲信号接口相连；主控制器的Pl.7、P2.2、P2.5引脚与各自两相混合步进电机驱动器的转向接口相连；主控制器的P2.0、P2.3、P2.6引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器的脱机控制端相连；
所述低压差线性稳压器为LMV，其输入引脚VIN与外部提供的电源相连，输出引脚VOUT与主控制器的VBUS相连；低压差线性稳压器的VCC3.3V引脚与三个两相混合步进电机驱动器的公共正极相连；低压差线性稳压器的VCC3.3V引脚与主控制器的VDD相连；
所述三个风扇控制电路，P8、P9、PlO的三个风扇控制接口的一个引脚分别接各自VUSB, P8、P9、PlO三个风扇控制接口的另一个引脚分别接场效应管Ql、Q2、Q3的D极，24V输入电压的正极经电阻Rl和R4，电阻R2和R5，电阻R3和R6分别与场效应管Q1、Q2、Q3的G极相连，稳压管DWl、Dff2, Dff3分别经电阻R4、R5、R6与各自场效应管Ql、Q2、Q3的S极相连，三极管Q1、Q2、Q3的基极分别连接主控制器的P3.2、Ρ3.1、Ρ3.0引脚。
[0006]本发明与【背景技术】相比，具有的有益效果是:
1.在开环状态就能实现步进电机精确的位置控制，省去了位置传感器及其信号处理电路；没有控制参数设计问题并且接线简单。
[0007]2.可以同时控制三个两相混合步进电机同时工作，运行平稳，并且控制的实时性好。
[0008]3.可以在控制电机转动的同时，通过场效应管的特性控制风扇转动。从而达到送风和清除异味的作用。
[0009]因此，本发明采用集成电路能够满足驱动和控制三个两相混合步进电机和三个USB小风扇的性能。本发明的结构简单、易于控制、位置精度较高，实时性较好。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的基本组成示意图。
[0011]图2是本发明的USB转串口电路图。
[0012]图3是本发明的两相混合步进电机控制电路图。
[0013]图4是低压差线性稳压电路。
[0014]图5是本发明的风扇控制电路图。
[0015]图中:1.PC机，2.USB转串口线，3.电平转换模块，4.主控制器(C)，5.三个风扇，6.三个两相混合步进电机驱动器(HYQD40-5742)，7.三个两相混合步进电机，8.低压差线性稳压器(LMl117-3.3V)，9.开关电源。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明
如图1和图2所示，本发明包括USB转串口模块、主控制器4、三个两相混合步进电机驱动器6、三个风扇控制电路5、开关电源9、三个两相混合步进电机7、开关电源9和低压差线性稳压器8 ；所述的USB转串口模块，包括USB转串口线2和电平转化模块3，USB转串口线2的一端通过USB接口与PC机I相连，USB转串口线2的另一端与电平转化模块3的串口座相连；电平转化模块3的RlOUT和TlIN引脚分别与主控制器4的P0.4、P0.5引脚相连，用于PC机I与主控制器4之间的数据传送。主控制器4的一路分别与三个风扇控制电路5连接，主控制器4的另一路分别经三个两相混合步进电机驱动器6，三个两相混合步进电机驱动器6与各自的两相混合步进电机连接；开关电源9对三个两相混合步进电机驱动器供电，低压差线性稳压器8分别与USB转串口模块、主控制器4和三个两相混合步进电机驱动器连接。
[0017]如图3所示，主控制器4为C单片机，经P6、P7、P8控制接口分别与各自两相混合步进电机驱动器6相连；主控制器4的Pl.6、P2.1、P2.4引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器6的脉冲信号接口相连；主控制器(4)的P1.7、P2.2、P2.5引脚与各自两相混合步进电机驱动器6的转向接口相连；主控制器4的P2.0、P2.3、P2.6引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器6的脱机控制端相连。[0018]三个两相混合步进电机驱动器6的DIR+、CP+、EN+作为公共正极与主控制器4的VDD相连。三个两相混合步进电机驱动器6的A+、B+、A-、B-与三个两相两相混合步进电机7相连。三个两相混合步进电机驱动器6的GND、VCC分别与开关电源上9的V-、V+相连。三个两相混合步进电机驱动器6的最大输出为24V电压、3A电流，通过调节三个两相混合步进电机驱动器6上的拨码开关来调节流经三个两相步进电机7绕组的电流大小。
[0019]如图4所示，低压差线性稳压器8为LMV，其输入引脚VIN与外部提供的电源相连，输出引脚VOUT与主控制器4的VBUS相连；低压差线性稳压器8的VCC3.3V引脚与三个两相混合步进电机驱动器6的公共正极相连；低压差线性稳压器8的VCC3.3V引脚与主控制器4的VDD相连。
[0020]如图5所示，三个风扇控制电路5的结构相同，主控制器4的P3.2引脚连接第一个三极管Ql的基极，第一个三极管Ql的发射极接地，第一个三极管Ql的集电极接输入24V电压的正极，24V输入电压的正极经电阻Rl、R4、与第一个场效应管Ql的G极相连，第一个稳压管DWl接在电阻R4与第一个场效应管Ql的S极之间，起到稳压的作用，第一个风扇控制接口 P8的一个引脚接VUSB，第一个风扇控制接口的另一个引脚接第一个场效应管Ql的D极；当1^5大于一定的值时，第一个场效应管Ql就会导通，通过对主控制器4的P3.2引脚的控制来控制P8风扇控 制接口的导通,从而控制第一风扇的开闭。
[0021]主控制器4的P3.1引脚连接第二个三极管Q2的基极，第二个三极管Q2的发射极接地，第二个三极管Q2的集电极接输入24V电压的正极，24V输入电压的正极经电阻R2、R5与第二个场效应管Ql的G极相连，第二个稳压管DW2分别接在电阻R5与第二个场效应管Q2的S极之间，起到稳压的作用，第二个风扇控制接口的一个引脚接VUSB，第二个风扇控制接口的另一个引脚接第二个场效应管Q2的D极；当|义5大于一定的值时，第二个场效应管Q2就会导通，通过对主控制器4的P3.1引脚的控制来控制P9风扇控制接口的导通，从而控制第二风扇的开闭。
[0022]主控制器4的P3.0引脚连接第三个三极管Q3的基极，第三个三极管Q3的发射极接地，第三个三极管Q3的集电极接输入24V电压的正极，24V输入电压的正极经电阻R3、R6与第三个场效应管Q3的G极相连，第三个稳压管DW3分别接在电阻R6与第三个场效应管Q3的S极之间，起到稳压的作用，第三个风扇控制接口的一个引脚接VUSB，第三个风扇控制接口的另一个引脚接第一个场效应管Q3的D极；当|/(^大于一定的值时，第三个场效应管Q3就会导通，通过对主控制器4的P3.2引脚的控制来控制PlO风扇控制接口的导通，从而控制第三风扇的开闭。
【权利要求】
1.一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路，其特征在于:包括USB转串口模块、主控制器(4)、三个两相混合步进电机驱动器、三个风扇控制电路、开关电源(9)、三个两相混合步进电机、开关电源(9)和低压差线性稳压器(8);所述的USB转串口模块，包括USB转串口线(2)和电平转化模块(3)，USB转串口线(2)的一端通过USB接口与PC机(I)相连，USB转串口线(2)的另一端与电平转化模块(3)的串口座相连；电平转化模块(3)的RlOUT和TlIN引脚分别与主控制器(4)的P0.4、P0.5引脚相连，主控制器(4)的一路分别与三个风扇控制电路连接，主控制器(4)的另一路分别经三个两相混合步进电机驱动器，三个两相混合步进电机驱动器与各自的两相混合步进电机连接；开关电源(9)对三个两相混合步进电机驱动器供电，低压差线性稳压器(8)分别与USB转串口模块、主控制器(4)和三个两相混合步进电机驱动器连接。
2.根据权利要求1所述的一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路，其特征在于:所述主控制器(4)为C单片机，经P6、P7、P8控制接口分别与各自两相混合步进电机驱动器相连；主控制器(4)的Pl.6、P2.1、P2.4引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器的脉冲信号接口相连；主控制器(4)的Pl.7、P2.2、P2.5引脚与各自两相混合步进电机驱动器的转向接口相连；主控制器(4)的P2.0、P2.3、P2.6引脚分别与各自两相混合步进电机驱动器的脱机控制端相连。
3.根据权利要求1所述的一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路，其特征在于:所述低压差线性稳压器(8)为LMV，其输入引脚VIN与外部提供的电源相连，输出引脚VOUT与主控制器(4)的VBUS相连；低压差线性稳压器(8)的VCC3.3V引脚与三个两相混合步进电机驱动器(6)的公共正极相连；低压差线性稳压器(8)的VCC3.3V引脚与主控制器(4)的VDD相连。
4.根据权利要求1所述的一种驱动控制步进电机和风扇的集成电路，其特征在于:所述三个风扇控制电路(5)，P8、P9、PlO的三个风扇控制接口的一个引脚分别接各自VUSB，P8、P9、P10三个风扇控制接口的另一个引脚分别接场效应管Q1、Q2、Q3的D极，24V输入电压的正极经电阻Rl和R4，电阻R2和R5，电阻R3和R6分别与场效应管Q1、Q2、Q3的G极相连，稳压管DW1、DW2、DW3分别经电阻R4、R5、R6与各自场效应管Ql、Q2、Q3的S极相连，三极管Q1、Q2、Q3的基极分别连接主控制器的P3.2、P3.1、P3.0引脚。
【文档编号】H03K19/555SQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】杨文珍, 余岭, 吴新丽, 张昊, 祝盼飞, 竺志超, 陈文华
申请人:浙江理工大学步进电机驱动控制系统设计
> 步进电机驱动控制系统设计
步进电机驱动控制系统设计
来源:毕业论文网
步进电机驱动控制系统设计
能实现步进电机的正转、反转、手动和自动控制。
步距角为1.5°或3°
已知步进电机的型号是36BF003（属三相步进电机），工作相电压的标称值是27V，相电流的标称值是1.5A，保持转距是78mN?m&& 步距角为1.5°/3°& 。
Protel99SE软件的应用及仿真PCB板的制作。
关键词：步进电机&& 功率放大电路&&& TWH8751&&& Protel99SE
一、设计目的、意义…………………………..…………………………第2页
二、步进电机的工作原理…………………………………………………第2页
三、步进电机的系统组成框图……………………………………………第5页
四、单元电路设计…………………………………………………………第6页
五、步进电机供电电源电路设计………………………………………..第8页
六、仿真及Protel实验结果……………………………………………….第9页
七、Protel99SE软件介绍………………………………………………….第10页
八、设计心得………………………………………………………………第11页.
九、………………………………………………………………第12页
一、设计目的、意义：
& 1）了解步进电机的结构和工作原理。
&2）掌握步进电机控制系统的设计方法及其调试技术。
&3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。
步进电机驱动控制系统设计内容
二、步进电机的工作原理
&&&& .步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
&三相发电机主要是三相交流同步发电机。其转子通常为直流励磁线圈产生的电磁铁，为发电机工作提供磁场。定子是在空间互差120度电角度的三相交流绕组（按照一定规律连接的线圈组称为绕组）。&
&直流电且由原动机带动三相同步发电机的转子旋转时，转子磁场对定子的三相绕组有相对运动，定子的三相绕组就感应三相交流电。调节转子线圈通入直流电流的大小，可以改变定子的三相绕组电压的大小，改变原动机的转速，可以改变定子的三相绕组电压的频率。
&1、结构：如图1所示， 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
&2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制――这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
&3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比
&其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N?I/RN?I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
三、步进电机的系统组成框图
图2 步进电机控制系统方框图?
&图3微机控制步进电机系统结构图?
&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4
四、单元电路设计
1功率放大电路设计
& 方案一 使用功率场效应管的单电压功放电路
& 单电压功率放大电路是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，图示是一组绕组驱动电路的原理图（其他各组饶相的驱动电路与此相同）。图中，T是功率场效应管，L是步进电路一组绕组电感，R为场效应管的漏极限流电阻，D为续流二极管，为绕组提供放电回路。工作原理：当环形分配器输出的信号为高平时，T饱和导通，绕组L中产生电流。
单电压功率放大电路
&电路原理如图5所示。电路的电压E一般选择在10～100V左右，有的高达200V，这要视应用场合、步进电机的功率和实际要求而定。这是步进电机控制中最简单的一种驱动电路。实质上它是一个简单的反相器。晶体管T用作开关；L是步进电机的一相绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻，也是限流电阻；D是续流二极管。?
图5& 步进电机一相绕组的开关电路图
&单电压功率放大器的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，高频时效率尤其低。电阻RC消耗相当大的一部分能量，且RC的发热直接影响电路的稳定工作状态，所以单电压功率放大电路一般只用来驱动小功率步进电机。?
图6示出了一种改进的单电压功率放大电路。
图6 改进的单电压功率放大器电路图
方案2 使用集成功率开关器件构成的斩波形功放电路
集成功率电子开关TWH8751可直接由TTL、CMOS等数字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、控制功率大、内部开关管反向击穿电压为100，加上散热器后，通过的灌电流可达3A。其输出管采用集电路开路方式，可以根据负载的要求选择合适的电压，片内还没有过热减流保护电路。
&&&& TWH8751的引脚如图7所示
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图7
斩波型功率放大电路?
&斩波平滑功放电路和工作原理如图8所示。
&斩波形功放电路与普通单电压功放电路相比较，前者的工作频率可提高30%左右，力矩可提高10%-25%。效率提高也非常显著，在输出功率相同的条件下，斩波电路的输入功率为单电压功放电路输入的一半。
&图8 斩波平滑功放电路图
五、步进电机供电电源电路设计
& 步进电机的标称工作电压为27V、相电流为1.5A――说明：步进电机的标称电压、电流值，并不是额定的电压、电流值。在实际应用中，步进电机的电压和电流值是可以根据需要来确定的，但不宜与这个标称值相差太远）。选用三端可调正稳压器CW338，对其调正端ADJ进行控制，则输出电压从1.2V到32V连续可调。CW338的最大输出电流为5A，内部设有限流、过热和安全保护。
其他CMOS集成电路采用+12V电源供电，可选用固定的三端集成稳压器LM7812提供。
CW338应用电路
六、仿真及Protel实验结果
&&& 36BF003&&& 图9
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& CW338应用电路
&&&&&&&&&&&&&&&&
七、Protel99SE软件介绍：
protel99se 简述
&当我们学习了电路、模拟和数字电路之后，就应该把已学到的理论应用到实际中，加深理论的理解，提高自己应用的能力，而如何迈出这一步，通过学习使用protel99电路原理图与电路板设计软件，就为这一过程迈出重要的一步。从原理图的设计、pcb电路版图的设计制作焊接调试电子厂品研发走向成功，掌握电子工程师的基本技能。
&protel99是一个电子设计自动化软件，它具有强大的电路自动设计、编辑、管理能力。在电路原理图的设计环境中，可完成从电路原理图的设计、检查、汇总报表、图像输出，并产生网络表软件，电路网络表文件是电路原理图转换成电路板设计的一个桥梁。再PCB电路板设计环境中，可实现对pcb板自动布线、编辑、设计、检查、汇总报表、图纸输出等功能。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& pcd板图
&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&
八、设计心得：
&课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，步进机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
&&&& 回顾起此次步进机课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说怎样保护功放管不受损坏，怎样掌握步进电机的工作电压，如何控制三相绕组通电的次序……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
&&&& 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在指导老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在指导老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
九、参考文献：
& 1、 谈文心& 邓建国& 张相臣&&& 《高频电子线路》&&& 西安交通大学出版社&& 1996年10月第一版
&2、 阎石&&& 《数字电子技术基础》&& 高等教育出版社& 1998年11月第四版
&3、 袁保生& 毕满清& 《Protel99SE电路设计实验指导》& 中北大学信息工程系& 2005年2月
&4、何书森 何华斌.&& 《实用电子线路设计速成[M]》& 福州:福建科学技术出版社& 2004
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步进电机原理及简易驱动电路的制作
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&&步​进​电​机​原​理​以​及​简​易​的​驱​动​电​路​的​制​作
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28BYJ-48步进电机：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V&DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。。。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）
&红线接电源5V，橙色电线接P1.3口，黄色电线接P1.2口，粉色电线接P1.1口，蓝色接P1.0口。
由于单片机接口信号不够大需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口，如下：
十六制（P1口）&
顺序刚好相反
所以可以定义旋转相序uchar code CCW[8]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};&&&//逆时钟旋转相序表uchar code CW[8]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08};&&&&//正时钟旋转相序表
C语言代码：
&#include&AT89X52.h&&#include&intrins.h&&#define uchar unsigned char&#define uint unsigned int&&uchar code CCW[8]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};&&&//逆时钟旋转相序表&uchar code CW[8]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08};&&&&//正时钟旋转相序表
&sbit K1=P3^2;&&//反转按键&sbit K2=P3^3;&&//正转按键&sbit K3=P3^4;&&//停止按键&sbit FMQ=P3^6;&&//&&蜂鸣器
&void delaynms(uint aa){&&&&while(aa--)&&{&&&for(bb=0;bb&115;bb++)&&&&&//1ms基准延时程序&&&{&&&&;&&&}&&}&}
void delay500us(void){&&&&for(j=0;j&57;j++)&&{&&&;&&}}void beep(void){&&&&for(t=0;t&100;t++)&&{&&&delay500us();&FMQ=!FMQ;&&&//产生脉冲&&}&&FMQ=1;&&&&//关闭蜂鸣器}
void motor_ccw(void){&&uchar i,j;&&for(j=0;j&8;j++)&&&&&&&&&&&&&&&&&//电机旋转一周，不是外面所看到的一周，是里面的传动轮转了一周&&{&&&if(K3==0)&{&&&&&&//如果K3按下，退出此循环&}&for(i=0;i&8;i++)&&//旋转45度&{&&&P1=CCW[i];&&&delaynms(10);&&&//调节转速&}&&}}
void motor_cw(void){&&uchar i,j;&&for(j=0;j&8;j++)&&{&&&if(K3==0)&{&&&&&&//如果K3按下，退出此循环&}&for(i=0;i&8;i++)&&//旋转45度&{&&&P1=CW[i];&&&delaynms(2);&&&//调节转速&}&&}}
void main(void){&&uchar N=64;&&&&&&&&&&//因为步进电机是减速步进电机，减速比的1/64&，&&&&&&&//所以N=64时，步进电机主轴转一圈&while(1)&{&&&if(K1==0)&&&{&&&&beep();&&for(r=0;r&N;r++)&&{&&&&motor_ccw();&&//电机逆转&&&&if(K3==0)&&&&{&&&&&beep();&&&&&&&}&&}&&&}&&&else if(K2==0)&&&{&&&&beep();&&&&&&&&for(r=0;r&N;r++)&&{&&&&motor_cw();&&&&//电机反转&&&&if(K3==0)&&&&{&&&&&beep();&&&&&&&}&&}&&&}&&&else&&&P1=0xf0;&&&&//电机停止&}
附：步进电机小知识（转）
1.什么是步进电机?&
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
2.步进电机分哪几种?
步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，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。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。
3.什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?
保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，&当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
4.什么是DETENT TORQUE?
DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。
5.步进电机精度为多少？是否累积?
一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。
6.步进电机的外表温度允许达到多少?
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
7.为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?
当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。
8.为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?
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）。
9.如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?
步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：
A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。
10.细分驱动器的细分数是否能代表精度?
步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8&的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45&，电机的精度能否达到或接近0.45&，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。
11.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?
四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为&电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。
12.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?
A.电压的确定
混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。
B.电流的确定
供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。
13.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?
当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。
14.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?
只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。
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