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1、 基于单片机的步进电机控制器设计 摘要：步进电机是一种常用的机电执行元件，相应的控制和驱动电路对于其整体性能起着非常重要的作用。采用常见的STC89C52单片机和步进电机驱动芯片的控制和驱动。整个系统具有结构简单、可靠性高、体积小、成本低和使用性强等特点、具有较高的应用价值。 关键字： 单片机； 步进电机；控制器；驱动器1绪论：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。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，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；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，
2、步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有L297和 L298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 A左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片TB6560和STC89C52单片机提出了一种步进电机控制器的设计方案。设计目标：通过对89c51单片机实现对两相步进电机正转，反转的控制，并能对其步数进行精确控制。1.1步进电机简介步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用
3、这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。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。分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机永磁式步进电机一般为两相，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
4、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。 混合式步进电机混合式步进电机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。工作原理： 电机将电能转换成机械能，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动。每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。以下以两相永磁式步进电机为例。永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可
5、使电机转子产生连续的旋转运动。图2显示了一个两相电机的典型的步进顺序。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90的步距角顺时针旋转。图3中显示的步进顺序称为“单相激励”步进。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%
6、的力矩，但输入功率却为2倍。半步步进电机也可在转换相位之间插入一个关闭状态而走“半步”。这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90的步进电机将每半步移动45，见图4。但是，与“两相通电”相比，半步进通常导致15%30%的力矩损失（取决于步进速率）。在每交换半步的过程中，由于其中一个绕组没有通电，所以作用在转子上的电磁力要小，造成了力矩的净损失。1.2 TB6560简介 东芝生产的TB6560AHQ步进电机驱动器芯片通过采用BiCD工艺，将低电阻与高许可损耗封装相结合，使其与其它同类产品相比能够极大减少热量的产生，还能支持使用时钟输入控制的无微控制器应用环境下的微步驱动。TB6560ahq
7、的主要特点有：1、内部集成双全桥MOSFET驱动；2、最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A(峰值)；3、具有整步、12、18、116细分方式；4、内置温度保护芯片，温度大于150时自动断开所有输出；5、具有过流保护；采用HZIP25封装。TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。内部结构与典型应用图： 2、系统方案设计与比较方案1：74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，从而来完成题目中的要求。并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位
8、的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。功率放大电路用达林顿管IC可以直接对步进电机进行驱动，一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器的，电流可以达到400毫安左右，符合驱动条件。方案2：采用东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片TB6560。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40 V，单相输出最大电流3.5 A(峰值)；具有整步、12、18、116细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150时自动断开所有输出；具有过流保护；TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。再配合单片机STC89C52实现控制。
9、方案比较发现：方案一用小规模的集成电路搭，也可以实现，但调试麻烦，可靠性较低，效率低。方案二用的是成熟的步进电机专用驱动芯片，功能强大，外围电路，调试简单。综合考虑选用方案二。3主要模块的设计3.1步进电机的驱动3.1.1步进电机控制信号隔离电路步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(CLK、CW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对CLK、CW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高
10、脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6N137高速光耦隔离CLK、CW，其信号传输速率可达到10 MHz，1片TLP521普通光耦隔离ENABLE信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。3.1.2步进电机主电路如图2所示，步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。驱动电路电源采用24 V，电压范嗣为4.540 V，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。VMB、VMA为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚
11、分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，最大电流计算公式为IOUT(A)=0.5(V)RNF()，若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5 A，取RNF=0.2 ，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。逻辑控制电路电源为5 V，VDD为逻辑电源引脚，应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声；M0、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯；RESET为芯片复位脚，低电平有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐1001 000 pF，斩波频率为40044 kHz；M2、M1为细分设置引脚，外接
12、拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、18细分、116细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。3.1.3步进电机自动半流电路为尽可能减小电机发熟，需要TB6560的TQ2和 TQ1引脚电平在电机工作时设置为电流输出最大，在电机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路”。用NFA、NFB定义最大输出电流后，通过 TQ2和TQ1设置电流比率输出，设为00、01、10、11时，输出的电流分别为最大电流的100、75、50、25。改变电机的驱动电流，也就改变了电机输出扭矩的大小。自动半流电路设计选用可重复触发的单稳态电路芯片74CH123，用电机的驱动脉冲CLK
13、作为单稳态电路的触发脉冲。单稳态电路的反向输出接TQ2引脚，电机驱动脉冲持续时TQ2一直保持低电平，无驱动脉冲时保持高电平。在图2电路中，TQ1连接3个跳线帽。接跳线 1，TQ2、TQ1始终同为高或低电平，驱动电流在25100切换；接跳线2，TQ2始终为低，电流在50100切换；接跳线3，电流在 2575切换。可根据工作驱动电流需要选择不同跳线。3.2键盘模块如果给步进电机发一个控制脉冲 ,它就转一步 ,再发一个脉冲 ,它会再转一步。2 个脉冲的间隔越短 ,步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率 ,就可以对步进电机进行调速。根据设计目标，设置09十个数字按键，以完成控制系统对速度设置的
14、要求，按键输入模块的选择可以采用4*4矩阵键盘。利用该方案按键输入，成本低，可与单片机直接相连，电路设计与连接简单，程序编写容易，完全可达到设计的要求。5、电源模块 因为TB6560芯片自带了电源隔离，因此驱动芯片的信号部分和单片机控制采用5V电源，驱动芯片电源采用24V电源，两个电源独立不共地。其中24V电源采用标准的的开关电源供电，5V电源用12V的蓄电池经L7805稳压滤波后给单片机等信号控制电源。四、系统软件设计五、系统调试与分析步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步。步进电机起动失步。由于步进电机自身及所带负载存在惯性，当加速时间过短时会出现这一现
15、象。应该设置合理的加速时间，使电机从低速度平稳上升到某个速度。当步进电机存在越步时，可减小步进电动机的驱动电流，以便降低步进电机的输出转矩或使减速时间加长。试验结果设计时应该保证芯片逻辑电压低于驱动电压，否则芯片欠流不能正常工作；在选取NFA、NFB检流电阻时应选功率不小于2 W的无感电阻；对电机驱动电源及驱动输出连线和地的印制板布线，应保证能稳定通过3 A电流；电源入口加熔断器保护驱动电路，以免电机的电流过大烧毁电路板。六、结语步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。在此方案中 ,负载位置对控制电路无反馈 ,因此步进电机必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当 ,电机不能
16、达到新的要求位置 ,那么实际的负载位置相对控制器所期待位置会出现永久性误差 ,也就是会产生“失步 ”和“过冲 ”现象。可以采用位置反馈或位置反馈确定与转子位置相适应获得正确相位转换 ,从而大大改善步进电机的性能,这样就可以进行更加精确的位置控制和获得高速、平稳的速度了。参考文献：1徐益民. 步进电机的单片机控制系统的设计 D .哈尔滨:黑龙江科技学院. 2005.2廖高华. 高性能步进电机控制系统的研制 D . 西安:西安科技大学. 2004.3王福瑞. 单片机微机测控系统设计大全 M . 北京:北京航空航天大学出版社 ,1998.4陈维山 ,赵杰. 机电系统计算机控制 M . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 ,1999.鸣谢：感谢张丽萍老师开的51单片机课，让我对单片机的理论理解帮助很大。感谢黄宴委老师提供给学生用的嵌入式设计的工作平台。附：硬件清单软件清单