文档介绍：毕业设计指导书
基于单片机的步进电机驱动电路设计
目录
1、步进电机驱动器系统示意框图 2
2、两相步进电机的基本结构和工作原理 2
3、由功率MOSFET管组成的H桥驱动电路 9
4、由AT89C51组成的步进控制信号产生电路 12
5、AT89C51程序编写方法 14
6、完整的步进电机控制驱动器电路 14
摘要:步进电机驱动器是将电脉冲信号转变为电机角位移或线位移的开环控制电路,本文通过分析步进电机工作原理,结合单片机技术,提出了一种单片机控制的脉冲分配器产生办法,实现用H桥电路对两相步进电动机的驱动,通过控制脉冲个数来达到准确定位的目的,同时也通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度,达到调速的目的。
关键词:步进电机,单片机,驱动控制
1、步进电机驱动器系统示意框图
组成步进电机驱动器的电路包括: 光电隔离电路、单片机系统电路产生控制逻辑信号电路、功率MOSFET管驱动电路、H桥驱动电路等。系统框图如图1所示。
图1 步进电机驱动器系统示意框图
方向控制信号与启停控制信号均是TTL逻辑电平,一般情况下是开关信号,其中方向控制决定了步进电机是按顺时针旋转还是按逆时针旋转,启停控制则可用于紧急情况下的电机停止旋转,切断电源。
2、两相步进电机的基本结构和工作原理
(1)基本结构。两相步进电机的基本结构和原理图如图2(a)、(b)所示。两相步进电机在结构上分转子和定子两部分。定子一般由硅钢片叠成,定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2(a)所示的绕线方式,AB引线为一相,CD引线为另一相。当给某相线圈供电时将形成4个磁极。对于两相步进电机,两个绕组全部供电时将形成8个磁极。每个定子磁极的内表面都分布着多个小齿,它们大小相同,间距相同。
(a)基本结构图
(b)原理图
图2 两相步进电机基本结构图和原理图
转子是由永磁材料制成的,其主视图如图3所示。分上、下两层,若上层为S极,则下层必为N极。上、下两层外表面均匀分布着小齿,这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同,形状相似。转子上、下两层的齿呈半径相同的圆周分布,并相互错开二分之一齿距角。而定子的小齿只分布在磁极上,属不完全齿。需注意的是,转子的上、下两层是做成一体的,即上层转子的旋转将带动下层转子的旋转,反过来亦如此。
图3 转子主视图
由于齿距相同,所以不管是定子还是转子,它们的齿距角都可以由下式来计算:,其中,Z为转子的齿数。对于两相步进电机,一般取转子齿数Z=50,则齿距角为,上层转子与下层转子错开。同时,定子的齿距角亦为。
定子小齿与转子小齿对齐,称为对齿。定子小齿与转子小齿完全不对齐,称为完全错齿。其它情况下均称为错齿。如图4所示。
(a)对齿
(b)完全错齿
(c)错齿
图4 定子小齿与转子小齿的三种相对状态
步进电机转动的力距来自电磁力。在电磁力的作用下,如果定子小齿和转子小齿的磁极性相异,则电磁力使转子小齿向对齿方向转动,如果定子小齿与转子小齿的磁极性相同,则电磁力使转子小齿向完全错齿方向转动。定子小齿与转子小齿在任何时刻,有错齿的存在是步进电机能够旋转的前提条件。
(2)工作原理。在设计步进电机的结构时,保证了不管转子处于什么位置,一定会有错齿状态存在。如果给处于错齿状态的相线圈供电,转子在电磁力的作用下,如果磁极性相异,则转子向完全对齿方向转动,如果磁极性相同,则转子向完全错齿方向转动。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。
①转子受电磁力转动情况的分析。为了能说明步进电机的转动,我们在下面的图中将步进电机的上层转子半径缩小,并规定上层转子的极性为S极,下层转子的极性为N极,这并不影响我们对电磁力的分析。同时,我们只对一个有代表性的转子小齿(如靠近中心轴处的小齿)的受力情况作出分析。
图5 步进电机供电前转子相对于定子处于随机位置
在给步进电机供电前,转子相对于定子处于随机的位置,如图5。我们作一轴线,将八个定子编号为①、②、……、⑧号,其中①、③、⑤、⑦号属于AB相绕组,②、④、⑥、⑧属于CD相绕组;将转子齿沿顺时针方向编上齿号,其中下层N极转子为0、1、3、
……、49号齿,上层S级转子为0′、1′、3′、……、49′号齿,并规定上部离轴线最近的齿为0或0′号齿。
(a)AB相线圈供电前瞬间转子与定子的位置关系
(b)AB相线圈供电后定子极性和转子受力情况
(c) AB相线圈供电后转子旋转到的平衡位置
图6 AB相线圈供电时转子相对于定子所处的三种位置
当给电机的AB相线圈供电时,在刚供电前的瞬间,转子相对于定子的位置处于如图6(a)所示的位置(即我们在图5中规定的随机位置)。
当AB相线圈供电后,在AB相线圈的四个定子①、③、⑤、⑦上将形成N极和S极,如图6(b)