步进电机驱动器以及原理图

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基于L297系列芯片的步进电机驱动器

设计说明书

一：概述

步进电动机是用脉冲信号进行控制，将点脉冲信号转换成相应的角位移和线位移的微电机，广泛地应用于打印机等办公知道设备以及各种控制装置。

步进电机和一般的电机不同，之接电源步进电机不能转动，而每加一个点脉冲仅转动一定的角度，另外，改变脉冲的频率时，步进电机的速率也跟着改变。

步进电机按电磁转距产生机理的不同可以分为反应式步进电机，永磁式步进电机和混合式步进电机，而按绕组的相数又可以分为单相，两相，三相。五相………

二：步进电机的驱动方式

由于篇幅有限和设计的实际情况，在这我只介绍和设计方式相关的二相步进电机的励磁方式和驱动方式。

（一）驱动器结构简介

步进电机驱动器主要结构可以由下图表示

各部分的主要作用为

1：环行分配器：根据输入信号的要求产生电机在不同状态下的开关波形

2：信号处理：对环行分配器产生的开关信号波形进行PWM调制以及对相关的波形进行滤波整形处理

3：推动级：对开关信号的电压，电流进行放大提升

4：主开关电路：用功率元器件直接控制电机的各相绕组

5：保护电路：当绕组电流过大时产生关断信号对主回路进行关断，以保护电机驱动器和电机绕组

6：传感器：对电机的位置和角度进行实时监控，传回信号的产生装置。

（二）：励磁方式

本设计对二相双极性电机进行的，所以介绍二相电机的励磁方式

1：一相励磁：通电的绕组只有一相，依次切换相电流产生旋转步距角为1。8度，对这种励磁方式，每个脉冲到来时的旋转角的响应有振动，若频率过高，有时会产生失步现象

2：两相励磁：两相同时流通电流，也采用依次切换相电流的方法，二相励磁的步距角为1.8度，二相历次的总电流增大2倍，则最高启动频率增大，能获得高的转速，另外，过度性能也好。

3：一，二相励磁：这是一种交替进行一相励磁，二相励磁的方法，启动电流每两个始终切换依次，因此步距角为0。9度，励磁电流变大，过度性能也好，最大启动频率也高。

（三）：驱动方式

单极性和双极性是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

单极性步进电机驱动电路

双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

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双极性步进电机驱动方式

另外还有恒压驱动方式，电压切换驱动方式，恒流斩波驱动等，这里就不一一介绍。

三：驱动器主电路设计

设计思想：电动机驱动方式有很多种起驱动器的设计也多种多样，为简便起见和考虑电路的复杂性等因数，我选用步进电机的专用驱动芯片L297H和

L298，其具有的优点有以下几点：

（1）：所需元件少，主要元器件都集成在一起

（2）：可靠性高，集成电路的可靠性普遍高于一般电路

（3）：方便用微机进行控制，用于自动化控制

其主电路原理图可用下图表示：

其中的主要元器件构成的主要电路解释如下：

（1）：L297芯片是一种步进电机控制集成芯片，可以产生四相驱动信号，应用于微机控制两相双极和四相单极步进电机，同时其中的晶片内的PWM斩波线路以开关信号形式控制路的电流。

此芯片的特性是只需要时钟，方向和模式输入信号。相位由内部产生，因此可减轻微机的程序负担，此芯片可与L298组成组合电路或者于与分立的三极管和达林顿管电路连接使用。

其管脚图及其作用如下：

（2）：L298芯片是一种高压，大电流双桥驱动器内部就是功率管的阵列，也可以用外接的功率管代替。其外部管脚图见下。

（3）：外围电路，外围电路主要是使芯片工作的电路，其接法基本固定，各元件值也都有一定的浮动范围，可以查找一些资料有详尽的介绍。

四：信号通路的设计和仿真结果

五：PCB电路图及制版

由于步进电机通常都是做为控制电机使用，都是很多一起起用，故其驱动器也可以采取集成的方式，如PCB图，就是三个驱动器集成放置，这样可以节约放置空间和设计空间，并且方便在一个坏的时候可以换另一个而不须另换版，只是改一下插孔就行了。

其单个的电路图主体结构为

说明：由于器件库中的L298管脚有些出路，故用功率管代替它的位置

六：电磁分析

驱动器中的干扰源：

（1）：与高电压源相连的部件

（2）：各稳压电容，功率管

（3）：其他电流变化大的器件

驱动器中的敏感器件：

（1）：L297微电流芯片

（2）：其他弱电流电路

电磁兼容状况分析：

本驱动器的电磁兼容性比较好，主要表现在以下几个方面“

（1）：微电流部分和强电流部分的分离，图中微电流主要部件L297是集成部件，其抗干扰能力较强。强电部分在右边。

（2）：对功率管的控制电流有拉升电流，可以快速提高电流的上升沿

（3）：可以方便布线，由图可知，各环节结构紧凑，衔接良好

七：市场分析

本产品的元件在市场上都很普遍，价格也不是很高，总体的消耗费用在30—40元人民币之间。这是我们的优势，可以有宽广的元件来源。

本产品的结构简单，外围电路少，可以很好得减少由于衔接问题引起的故障问题，但也正因为其结构简单，便于制造，所以对设计产权的保护比较困难，别人呢可以很简单的复制我们的产品，并且市场上的同类产品也比较多，质量也参差不齐，所以对我们产品的推广和赢利造成困难。其科技含量低。虽然控制性能良好。

八：参考文献

1：步进电机及其驱动器设计（程数康主编）

2：电动机控制电路应用实例（何希才姜余祥编）

3：互联网资料