步进电机驱动电路

步进电机驱动电路范文第1篇

关键词：PMM8731；SI-7300；步进电机；功率驱动电路

1PMM8713的功能特点

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，1－2相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图1所示。

在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式如图2（a）所示，其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时，其连线方式如图2（b）所示，该图中的CK为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由U／D的高、低电位决定。

片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

2SI－7300A的结构及功率驱动原理

SI－7300A是日本三肯公司生产的高性能步进电机集成功率放大器。该器件为单极性四相驱动，采用SIP18封装，其结构框图如图3所示。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式，电压驱动方式有串联电阻驱动和双电压驱动两种，其中串联电阻驱动在相绕组中串联了一定阻值和功率的电阻。为了维持步进电机的相电流，通常要提高驱动绕组的相电压，因此绕组串联电阻驱动方式效率较低，但方法简单，成本低，故在实际驱动电路中使用较多。双电压驱动在每相绕组导通时，首先施加高电压VH使电流快速上升，当电压上升到规定幅值时，将高电压VH切断，此时，回路以低电压VL维持，电路驱动效率可大大提高，但因采用高低两种驱动电源，且电源切换的控制电路比较复杂，因而较少采用。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是专用集成电路中最常用的能获得高性能的驱动方式，其中一相的等效电路图如图4所示。步进电机使用较高电压的电源时，绕组电流几乎可以近似直线地上升到预定值，此时由流过RS的检测电流去控制一个斩波控制电路即可关断T1，从而使绕组电流在续流回路（L、D1、T2、RS、）中续流并下降。当电流下降到规定时间后（达到某一电流）由脉冲电路产生脉冲至斩波控制电路可使T1接通，如此反复（由T1的反复开关）对绕组电流进行斩波控制，就可使电流平均值趋于恒定。外接稳压二极管D2、D3可用作嵌位保护和内部集成续流回路（外接检测电阻RS），从而避免T1开关所引起的尖峰感应电动势所造成的尖峰电压T1的危害。

3在步进电机中应用

步进电机是常用的执行机构，它用脉冲频率控制转动速度，而用脉冲的数目来决定转动的角度。由于拖动负载大小不同，因此，仅仅接上电源是无法工作的，而必须接上相应的驱动器才能工作。驱动器的输出可为电机各相提供相应通电顺序的励磁电流。实际上，步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。步进电机可分为PM型、VR型和HB型三种。其相数有两相，三相、四相、五相、六相等，常用的有两相或四相混合式步进电机。

由SI—7300A、PMM8713和80C51构成的步进电机驱动电路如图5所示，图中，PD端为SI—7300A输出电流IO的控制端，可以悬空或接高电平，当接高电平时可以适当提高SI—7300A的输出电流IO。步进电机的旋转方向和旋转速度可通过80C51的键盘输入，同时通过软件可编程控制并行I／O口P1．0和P1．1，以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。步进电机采用42BYG009型时，驱动电压为24V，此时该功率驱动电路的矩频特性如图6所示。

图5

步进电机驱动电路范文第2篇

步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。当向脉冲分配器输入一个脉冲时，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。在非超载的情况下，电动机的转速、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，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。

本研究利用AT89S52单片机的四路I/O通道实现环形脉冲的分配，控制步进电动机匀速、连续的按固定方向转动，通过按键控制步进电动机的旋转角度。

1 系统设计

用AT89S52单片机来作为整个步进电动机控制系统的核心部件，其系统设计总框图如图1所示。真个系统包括单片机最小系统、电机驱动模块、独立按键模块等。

图1 系统设计总体框图

1.1 单片机最小系统

单片机最小系统主要负责产生控制步进电动机转动的脉冲，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。

1.2 电机驱动模块

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。步进电机驱动方法主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式、细分驱动和集成电路驱动。设计中采用集成驱动芯片ULN2003A构成整个驱动电路，它是由七对达林顿管组成的，是集电极开路输出的功率反相器，并且每个输出端都有一个连接到共同端（COM）的二极管，为断电后的电机绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。因此，ULN2003A 非常适合驱动小功率的步进电机。

单片机的P2.0-P2.3输出的脉冲信号送到ULN2003A的1B-4B 输入端，经ULN2003A 放大和倒相后的输出脉冲信号来驱动步进电机作相应的动作。ULN2003A的 COM 端和步进电机的 COM1、COM2 连接到 VCC。ULN2003A驱动步进电机模块原理图如图2所示。

1.3 按键控制模块

键盘主要用来提供人机接口，电路如图3所示，采用独立式按键电路 ，各按键开关均采用了上拉电阻，保证在按键断开时，各I/O 有确定的高电平。二极管IN4148作为高频信号高速开关，当按下键盘时最大反向恢复时间小，保证在按键断开时，各I/O 有确定的低电平。

1.4 串口通信模块

串口通信模块主要负责计算机与单片机之间的通信，将在计算机里面编好的程序下载到单片机芯片当中，通过RS232串口进行连接，实现计算机与单片机的良好通讯。

2 控制方法

本设计中的步进电动机采用的是2相6线式，其励磁方式为半步励磁（又称1～2相励磁），1相与2相轮流交替导通，每送一励磁信号可走90。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表1所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。

表1 正转励磁顺序：A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

单片机控制电路如图3所示，用两个按键非别控制步进电动机正传和反转，当“正转”（Positive）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按正向励磁顺序A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A输出电脉冲，电动机正转；当“反转”（Negative）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按反向励磁顺序A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A输出电脉冲，电动机反转。

3 系统程序设计

系统程序设计为C语言，主要包括脉冲信号发生、键盘的识别处理等。主程序流程图如图4所示。

3 系统仿真

使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一个键以后单片机的驱动信号输出，这里仿真按下正转按钮的波形，分析如图5所示。从波形可以看出，步进电动机的驱动序列为：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…与设计思想吻合。

4 结束语

基于AT89S52单片机的步进电动机控制模块具有电路简单可靠、控制方便、成本低等有点。实现了可程序设定步进方向、步进角，该设计灵活度高、有较强的编程性。

参考文献

[1]周润景.徐宏伟.丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]胡启明.葛祥磊.Proteus从入门到精通100例[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]陈桂顺.包晔峰.单明东.蒋永锋.基于PIC单片机的步进电机运动控制器[J].电焊机，2011，41（4）53-56.

[4]赵晓光.李建初.基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究[J].高科技产品研发，2013，（3）：80-81.

步进电机驱动电路范文第3篇

【关键词】 微燃机电站 燃气计量阀 两相混合式步进电机 细分驱动

1 引言

起发电机是微燃机电站系统的重要组成部分，在发动机地面试验时用于带转发动机，在发动机正常工作时用于发电输出电能。因此，在研制阶段对起发电机进行精确电磁计算，是十分必要的。然而，传统的电机电磁计算方法都是基于经典磁路法，其计算精度有限[1-3]。特别是该起发电机为永磁电机，其磁路结构复杂，给磁路计算带来了较大困难，难以得到精确的磁路计算结果。为了提高计算的准确程度，需要进行电磁场数值计算和分析。目前，电机电磁场数值分析方法主要有：有限元法、边界元法和有限差分法。其中，最有效、应用最广泛的是有限元法[4-6]。本文对某起发电机进行了二维电磁场有限元分析，并对电机定子采用直槽和斜槽结构分别进行对比分析。

2 燃气计量阀系统结构和工作原理

燃气计量阀系统由燃气计量阀本体、两相混合式步进电机、数字驱动控制器组成，系统结构如图1所示。微燃机电站用燃气计量阀系统的作用是根据来至上位机的阀开度指令，由数字驱动控制器驱动两相混合式步进电机完成对燃气计量阀节流口开度的控制，进而实现对微燃机电站燃气流量的控制。

2.1 燃气计量阀本体

燃气计量阀本体采用美国Woodward公司Swift-12型单路燃气计量阀。燃气计量阀的全行程对应步进电机旋转1.25圈，即对应机械角度450°，要求全行程精度为±0.25%。阀芯装有回中弹簧，可保证掉电后阀芯处于关闭位置，且当燃气压力超过安全范围时具有自动关闭功能。

2.2 两相混合式步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，具有较高的定位精确度，且无位置积累误差[4-6]。步进电机的原理是基于最基本的电磁铁原理，可用于具有一定精度的开环位置控制系统。步进电机按结构划分包括永磁式、磁阻式以及混合式；按相数划分包括两相、三相、四相、五相。两相混合式步进电机具有结构简单、步距角分辨率高、转矩大等优点，是目前常用的步进电机结构形式。步进电机的主要技术指标是步距角和最大静转矩。步进电机步距角：

θb=180°/P*Nr （1）

其中，θb为步距角，P为定子相数，Nr为转子齿数。对于燃气计量阀用两相混合式步进电机，P=2，Nr=50，则步距角θb=1.8°。

最大静转矩也叫保持转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。一般选择负载转矩应小于0.5～0.77倍的最大静转矩。

此外，选用步进电机时，实际还要考虑位置控制精度、使用速度范围、负载传动方式，工作温度及使用环境等因素。

2.3 数字驱动控制器（如图2）

数字驱动控制器以TI公司32位DSP TMS320LF2812为核心，配合H桥集成功率驱动器LMD18201，通讯接口电路、A /D转换器、以及相应的绕组电流采样电路。

3 系统控制原理

3.1 两相混合式步进电机细分驱动原理

两相混合式步进电机定子绕组由A、B两相绕组组成，其顺时针旋转时通电规律为A+、B+、A-、B-，即两相单四拍整步工作模式，如图3所示。每拍通电对应步进电机转动的机械角度为步进角，燃气计量阀中采用的两相混合式步进电机的步进角为1.8°。步进电机采用整步工作时易出现失步和共振现象，为此应采用细分驱动。

步进电机的细分驱动是通过对电机绕组中电流的控制，使步进电机定子合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。步进电机细分驱动的实质是对两相绕组电流的细分控制，即将整步工作时的方波电流细分为正弦电流，此时两相绕组电流为相位互差90°的正弦电流，如图4所示。

为了实现细分驱动，需要对电机绕组电流进行闭环控制，因此功率驱动电路应采用恒流斩波驱动。增加细分数可以降低振动，但实际到8细分时效果就变化不大，细分数过大时会出现步距不均匀现象，且细分数过大也限制了步进电机的最高转速。因此，本系统中细分数取4。

采用细分驱动时的A、B两相电流为

（2）

其中，n为电流细分后的运行拍数，I为电机相电流幅值，k为脉冲序列，k=0，…，n-1。

采用细分驱动的主要优点[7，8]：（1）使步距角减少，步距误差减少，提高了分辨率和步进精度；（2）减少了低频振荡，经过细分后，驱动电流的变化幅度大大减少，使转子到达平衡位置时的过剩能量大大减少；另一方面可以远离转子谐振频率。因此，细分驱动不仅能使步进电机运行平稳，而且还能减弱或者消除振荡；（3）增加了电机运行的拍数，可获得较大的启动转距。

3.2 两相混合式步进电机电磁转矩计算

采用细分驱动时A、B两相绕组为正弦电流，且相位互差90°，则有

（3）

A、B两相绕组产生的磁通为

（4）

其中：、为A、B两相绕组产生的磁通。

A、B两相绕组产生的电磁转矩分别为

（5）

A、B两相绕组合成的电磁转矩为

（6）

其中：为负载角，，即定子磁场与转子磁场的夹角，=90°时对应步进电机的最大静转矩。

3.3 系统定位误差分析

系统要求燃气计量阀全行程精度为±0.25%，即对应角度定位误差±1.125°。采用的两相混合式步进电机步进角为1.8°，步进角精度±3%，对应步进角误差±0.054°。本系统中取细分数为4，则细分后步进角为0.45°。

系统定位误差为

Δθt=Δθb+Δθn+ΔθD （7）

其中：步距角误差Δθb=1.8°*±3%=±0.054°，传动误差Δθn =±0.057°，ΔθD=±0.057°。

经以上分析，系统定位误差Δθt

4 数字驱动控制器硬件设计及试验

4.1 主控芯片选择

主控芯片采用TI公司32位定点DSP TMS320LF2812，并外扩了12位串行A/D转换器，来完成对步进电机A、B两相绕组电流、燃气计量阀入口压力信号的采样。

4.2 功率主电路设计

功率主电路采用两片H桥集成功率驱动模块LMD18201，来完成对两相混合式步进电机的A、B两相绕组的驱动。LMD18201内部集成了H桥型Power MOSFET功率桥、栅极驱动电路、及保护电路。PWM开关频率决定了电机绕组电流的连续性，从而也决定了电机运行的平稳性。由于步进电机的绕组电感较小，如果频率不够高，电机的低速性能有可能不理想，很容易烧毁功率管，而且由于电流不连续，电机可能产生剧烈振荡。开关频率越高，绕组电流的脉动量越小，电流容易连续，电机附加损耗减小，系统低速平稳性好。从动态性能看，提高开关频率可扩大系统频带宽度，提高系统的快速性，但开关频率的提高会使得功率管的动态损耗也随之增大，从而降低功率电路的效率。本系统中采用双极性PWM控制方式，电流最大脉动量为：

（8）

其中，Δimax为电流最大脉动量，La为电机绕组电感，fPWM为PWM开关频率。

对于本系统，Ud=24V，La=2.2mH，ΔimaxUd/2La=18.1kHz。本系统取PWM开关频率为20kHz。

4.3 绕组电流信号采样电路设计

为了实现细分控制，需要对绕组电流采样并进行闭环控制。本系统中通过外扩A/D转换器，完成对绕组电流反馈信号的采样。 A/D转换器的分辨率为12位，采样输入电压范围为0～5V。通过采用0.1Ω精密采样电阻和仪器放大器AD629，并经过一阶低通滤波，来完成绕组电流的采样，选取低通滤波器截止频率为10kHz（PWM开关频率的一半）。

4.4 系统试验

利用所设计的驱动控制器进行了燃气计量阀系统实验。采用整步驱动和4细分驱动分别进行了系统实验。整步驱动和4细分驱动时绕组电流实验波形分别如图5和6所示。采用整步驱动时两相混合式步进电机的运行不平稳，电机振动大，易发生失步现象。采用4细分驱动时两相混合式步进电机的运行平稳，电机振动小，且定位精度高，此时A、B两相电流接近正弦波，且相位互差90°。

5 结语

本文对微燃机电站用燃气计量阀控制器的结构、工作原理、数字控制器设计进行了介绍，重点对步进电机的选型方法、细分驱动原理和系统定位误差进行了分析，可得如下结论：（1）采用两相混合式步进电机对燃气计量阀进行控制，具有结构简单、控制精度高等优点，且便于实现数字控制；（2）采用细分驱动技术，不仅可以提高步进电机的步进角分辨率和定位精度，而且提高了电机启动转距和运行平稳性。

参考文献：

[1]郭力.两类双模式微型燃气轮机并网技术方案比较[J].电力系统自动化，2009，33（8）：84-88.

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[3]刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[4]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京：科学出版社，2010.

[5]中国电器工业协会微电机分会[M].微特电机应用手册.福州：福建科学技术出版社，2007.

[6]姜平.步进电机细分驱动控制函数修正新算法[J].微电机，2005，35（11）：45-48.

步进电机驱动电路范文第4篇

关键词：SECM；宏微定位；驱动电路

引言

扫描电化学显微镜(SECM)是80年展起来的一种电化学现场检测新技术。该技术驱动非常小的电极(探针)在靠近样品处进行扫描，样品可以是金属、半导体、高分子、生物基底等材料。SECM具有化学灵敏性，可测量微区内物质氧化或还原所产生的电化学电流，从而获得对应的微区电化学和相关信息。它主要由电化学部分(电解池、探头、基底、各种电极和双恒电位仪器)，用来精确地控制、操作探头和基底位置的位移驱动器，以及用来控制操作、获取和分析数据的计算机(包括接口)等三部分组成，SECM系统原理如图1所示。

位移驱动部分是通过超精密定位技术(UMDE)实现对探针的三维空间微位移的精准控制，操纵探头和基底间保持相对稳定，以便获得样品表面信息。它既是SECM控制系统的基本组成部分，也是SECM实现纳米级分辨率的关键技术之一。为了获取样品尽可能完整的信息，要求驱动位移空间相对样品有较大的量程，可达到厘米级别。同时高分辨率要求必须是超精密定位，分辨率可达到亚微米。因此，SECM的驱动部分采用宏微两级位移控制系统。宏定位采用步进电机，微定位采用压电陶瓷。一个好的驱动控制电路是影响SECM位移精度的关键因素，因此本文着重于设计二级位移系统的控制电路。

步进电机宏定位

步进电机作为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。由于可以通过控制离散的脉冲个数来控制角位移量，从而可以满足SECM准确宏定位的目的。步进电动机的控制占用大量的CPU工作时间，会影响了系统的整体性能。本驱动系统设计采用一种基于ARM微控制器的由L298构成的控制和驱动电路，既不占用CPU大量的时间，又能获得良好的控制和驱动效果。

SGS公司的L298步进电机控制器的片内PWM斩波电路产生开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，它产生两相双极性驱动信号和电机电流设定。L298内含两个高电压大电流双桥式驱动器，可驱动电压最高46V、每相2.5A的步进电机，组成的两相双极性的步进电机驱动电路，原理如图2所示。由ARM芯片LPC2138输出PWM信号，经过光电隔离器TLP521-2，再与两个10口组合送入双输入四与门74LS08实现正反转控制。SECM需要三维驱动，此处只画出一路电路。

压电陶瓷微定位

压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷是利用电介质在电场中的压电效应，直接将电能转换成机械能，产生微位移的换能元件。因其高刚度、高频响、推力大和高分辨率等优点，广泛应用于航空航天、精密测量、生物工程、机器人等领域。驱动电源对压电陶瓷和机构的微位移影响很大，故性能良好的驱动电源是实现高精度位移的关键。压电陶瓷对驱动电源要求如下：一定范围内连续可调、输出稳定性好、纹波小、分辨率高。

压电陶瓷驱动电源从原理讲可以分为电压控制型和电荷控制型。这里采用电压控制型，由直流放大器芯片对控制电压信号进行线性放大和功率放大，输出0～150V连续可调的直流电压。它决定着电源输出电压的分辨率和稳定性，是整个电源的关键。

高压运放电路

Apex公司的PA69是一个高压、高速功率运算放大器，可采用单，双电源供电；转换速率非常高，可达到200 V/μS；可以提供高达50mA的恒定输出电流，其峰值输出电流达100mA。PA69待机电流很小，一般不到1mA；具有限流保护功能。

选用的压电陶瓷等效电容为0.1μF，需要0～150V的连续可调输出电压，频率0～1 kHz(正弦波)，则所需转换速率为：

S.R=2∏fV(1×10-6)=2π×1000×150×(1×10-6=0.94V/μS

所需最大负载电流为：

I=S.R×CL=0.94V/μS×0.1μF=94mA

所选定的PA69运算放大器符合要求，电路如图3所示。其中引脚6、7为输入，2为输出，3和10以及8和1l外接补偿电阻和电容，构成相位补偿网络，实现相位补偿。1和2引脚之间接限流电阻，形成对运放的限流保护功能。

失调电压补偿

在室温(25℃)及标准电源电压下，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，在输入端加入失调电压Vio。实际上指输入电压V=O时，输出电压Vo折合到输入端的电压是负

值，即Vio=-(V。lvk0)/Aio。

PA69的最大失调电压为3mV，对分辨率要求为10mV以下的压电陶瓷驱动电源，PA69的输入特性不能满足设计要求，需要对电路的前级输入进行优化。为了减小输入失调电压，在该电源的线型放大部分，采用由OP07和PA69组成复合放大电路。MAXIM公司的OP07具有高精度输入失调电压，最大为为75μV。由PA69和OP07组成一个新的具有负反馈的放大器，其输入失调电压为75μV×30=1.5mV

放大器的输入电压为0-5V，输出电压为0-150V，故根据特性曲线选定PA69的闭环放大倍数为30。整体电路如图3所示。

实验及结论

压电陶瓷步进电机经过机械装配后，采用以上电路进行实验，测得精密定位仪最大量程可达2.5cm，最小分辨率可达lOnm，较好地满足了SECM对探针的定位要求，在实验中得到了很好的应用。

参考文献：

1.邵元华，扫描电化学显微镜及其最新进展，分析化学，1999,(11)

2.穆纪干、毛秉伟、卓向东、颜恩柔，扫描电化学显微仪一电子控制系统的研制，厦门大学学报(自然科学版)，1994,(S1)

步进电机驱动电路范文第5篇

【关键词】步进电机；STC89C52；调速

1.引言

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具有广泛的应用。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。应用单片机实现步进电机控制系统的设计，具有成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人、工业自动控制以及各种可控有定位要求的机械工具等应用领域。

本文介绍的步进电机控制系统，采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的硬件电路和软件设计方法。该步进电机硬件控制电路分为电源模块、按键控制模块、步进电机及驱动模块、测速模块及显示模块等部分组成。整个系统软件设计采用模块化设计方法，由主程序、预置子程序、正转子程序、反转子程序、加减速和显示子程序等模块组成。通过向步进电机驱动电路发送控制信号，实现对步进电机的起停、正反转、调速等控制，并实时显示电机转速。经反复实验证明，本套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时显示性能良好。

2.系统总体设计方案

根据步进电机控制系统设计要求，整个控制系统电路可以分为电源模块、按键控制模块、步进电机驱动模块、步进电机模块、测速模块、显示模块等部分。步进电机控制系统方框图如图1所示。

本设计中选用的单片机是STC89C52RC，包括单片机的下载电路及单片机的一些电路。在步进电机的选择上，考虑到三相混合式步进电机比二相步进电机有更好的低速平稳性及输出力矩，所以选择了57H3P7652A3三相混合式步进电机。驱动电路由六个反相器，六个光电耦合器，六个场效应管及一些处理部分电路构成。测速部分采用对射式光电传感器H92B4和扇形挡板配合实现。显示部分采用1602液晶显示器。

3.系统硬件电路设计

根据系统功能需求分析，绘制出系统原理图如图2所示。

3.1 单片机控制电路

单片机工作的控制电路主要包括晶振电路和STC单片机下载电路等，其对应电路如图2中所示。

3.2 按钮控制电路

本步进电机控制系统中控制按钮包括启停按钮，正转按钮，反转按钮，加速按钮及减速按钮等。

3.3 驱动电路

因为步进电机工作时的驱动电流比单片机端口所能提供的要大得多，单片机要控制电机的运动就不能直接将端口与电机各相相连，必须使用一定的接口电路和驱动电路。驱动电路主要由一个六非门芯片74LS04，六个光电耦合芯片4N25，六个场效应管IRFP450组成的三相桥驱动电路，可调电源模块，散热装置等组成。结构图如图3所示。

1）反相器部分

在本设计中使用的单片机芯片STC89C52，在上电时所有的管脚都是高电平，这样容易产生误动作，因此在本设计中加上了非门电路，以避免首次上电时产生的不良反应。因为需要六个脉冲输出，因此在本设计中选用74LS04芯片。

2）驱动桥电路

本设计中使用的步进单机是三相混合式步进电机，内不是三角形连接，额定的电流为5.2A。额定转速是50r/min。所以普通的三极管承受不了这么大的功率只能选用场效应管器件。用场效应管搭成三相桥式驱动电路实现对步进电机的驱动，搭建的三相桥式驱动电路的结构图如图4所示。

根据步进电机及电源考虑，本设计中选用的场效应管是MOSFET IRFP450。MOSFET IRFP450内部已经封装了一个快恢复二极管，所以在设计电路时可以不用在选择快恢复二极管。

3）光电耦合部分

前面提到本系统选用的是大功率的场效应管，因此，要考虑到实际使用中的干扰和电压安全，所以要在单片机与驱动器之间使用必要的光电隔离器。在本设计中选用的是芯片4N25，该器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰性强等特点，因而是开关电路、逻辑电路、长线传输、模/数变换、微控制器的隔离电路、高压控制、过流保护、电平匹配、线性放大等领域中的首选芯片。

4）驱动电路可调电源模块

本设计中的三相桥驱动电路，是由六个场效应管组成，输出电流主要是靠G极的电压控制，所以一个可变的稳压电流源在本设计中是非常必要的，用以改变场效应管G极的电压，进而改变驱动电流的大小。在本设计中选用了LM2596开关电压调节器。

LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。该驱动电路中可调电源模块的电路原理图如图5所示。

输出电压的计算可由下式给出：

为了确保输出稳定，选用标称阻值为1kΩ，精度为1%的电阻，―470μF/50V，―220μF/35V，―5A/40V，―68μH，―参照有关的应用信息。

3.4 测速模块

设计中采用对射式光电传感器H92B4为电机的测速元件。红外线光电传感器是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。

本系统中通过光电传感器实现测速的具体方法为：在电机的轴上连接一个60度的扇形挡片，电机转动的时候，当有挡片挡住时，P0.6口为高电平，通过定时中断方式进行累加，直到P0.6口变为低电平即挡板转过，当挡板离开时，P0.6为低电平，将累加变量清零。这样得到的时间间隔即是电机转动1/6周的时间，通过换算得到一分钟转的圈数，从而计算出当前的转速。如此循环进行，则可实时的显示电机的当前转速。

3.5 显示模块

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本设计中使用的是2行16字的1602液晶模块。

3.6 系统实物图

根据系统原理图，所搭建的系统硬件实物图如图6所示。

4.系统软件设计

本设计中步进电机控制系统的控制要求是利用单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号来实现对步进电机的起停、正反转、调速等控制，并实时显示电机转速。当系统电源接通时，显示器显示初始字符；启动按钮按下后，显示相应信息，此时转速为0；当按下正转按钮时，电机开始正转，同时检测反转按钮是否未按下，如果按下，则电机停止转动，检测是否有加速或者减速的需求，如果有就执行加速或者减速，并有相应的显示；当反转按钮按下时，工作过程与正转按钮按下时类似。根据系统控制要求绘制出系统主程序流程图如图7所示。正转加减速流程图，反转加减速流程图及定时器的中断流程图如图8，图9和图10所示。

5.结束语

本设计中利用STC89C52单片机设计的步进电机控制系统，具有设计简单、成本低、精度高、微型化等特点。经过多次反复软硬件联调测试可见：本设计完成了步进电机的起停、正反转、调速等控制功能，并实现了电机转速的实时稳定显示等，且系统运行稳定可靠，达到了系统的控制要求，具有一定的实际应用价值。

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