测控电路课程设计--步进电机控制器设计

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1、1 测控电路课程设计说明书 步进电机控制器设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成日期： 2 目录 一 设计要求与目的 2 二 系统原理方案设计 2 1 步进电机理论知识2 2.1 H 桥双向驱动电路3 2.2 ULN2003A 集成芯片驱动 4 3 单片机控制系统 5 三 软件设计 6 1 程序流程图6 2 实验源程序 6 3 模拟仿真对程序调试 9 4 绘制原理图及 PCB 图 10 四 系统硬件设计制作11 1 器件选型检测 11 2 安装调试 12 3 硬件调试中出现的问题及解决措施 12 四 课程设计总结和心得体会12 五 参考文献13 3 一、设计要求及目的 设计完成

2、一个步进电机的控制实验，要求采用 H 桥驱动方式，能够实现电 机的正转、反转、加速、减速、停止。 二、系统原理方案设计 1、步进电机原理知识 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。 步进电机 的输入量是脉冲序列， 输出量则为相应的增量位移或步进运动。 正常运动情况下， 它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率 保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电机能直接接 受数字量的控制，所以特别适宜采用微机进行控制。 （1）步进电机种类 目前常用的步进电机有三类： 1)反应式步进电动机(VR)。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步

3、距 角小；但动态性能差。 2)永磁式步进电动机(PM)。永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距 角大。 3)混合式步进电动机(HB)。混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电 动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进 电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。 （2）步进电机的工作原理 该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机 的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图 1 是该四相反应式 步进电机工作原理示意 4 开始时，开关 SB 接通电源，SA、SC、SD 断开，B 相磁极和转子 0、3 号齿对 齐，同时，转子的

4、 1、4 号齿就和 C、D 相绕组磁极产生错齿，2、5 号齿就和 D、 A 相绕组磁极产生错齿。 当开关 SC 接通电源，SB、SA、SD 断开时，由于 C 相绕组的磁力线和 1、4 号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4 号齿和 C 相绕组的磁极对齐。而 0、 3 号齿和 A、B 相绕组产生错齿，2、5 号齿就和 A、D 相绕组磁极产生错齿。依次 类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着 A、B、C、D 方向转动。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作 方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的 步距角是单四拍与双四拍的

5、一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力 矩又可以提高控制精度。 单四拍、 双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图 2.a、 b、 c 所示： 2、 步进电机驱动方案选择 步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作， 而必须使用专用的步 进电动机驱动器，如图 2 所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单 元等组成。图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。驱动单元与步 进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口，这里予以简 单介绍。 步进电动机驱动控制器示例图 1）H 桥驱动方式，驱动电路如下： 5 其中 V1,V2,V3,V4 分别是步进电机四个相的控制端，分别接单片机的 P1.0 ; P1.1 ; P1.2 ; P1.3 端口，当单片机的相应口输出一个高电平时会使 NPN 型的三极管导通，D1，D2，D3，D4 分别是四个续流二极管，因为步进电机是一 个感性器件，在断电时会产生一个瞬间