步进电机驱动模块

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步进电机驱动板有两种方式,一种是时序芯片+驱动电路,另一种是单纯的驱动电路。前者控制比较简单,只要给驱动板一个时钟脉冲和两个正反转控制信号即可,所有时序安排由时序芯片来搞定,我们不需要考虑,像这样的驱动板比较贵,也不适合学习用,因为我们要写的程序太简单。后者为纯驱动电路,无时序芯片,因此,正反转及速度都由程序来生成时序控制,有利于我们学习及了解步进电机的运作情况。
N=2π/0.9°
=400
旋转一周,则需要4OO个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。以四相六线制电进电机为例,其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表1和表2所列。步进电机在低频工作时.会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式,就能很好的解决这个问题。步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的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。一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。
注:本驱动板需要两路电源,请看图2,前级电源及四个输入,这里的前级电源与单片机使用同一电源,即从开发板上取电。请看下图,LY51-L3板上直接有驱动板连接接口,可直接连接。再看输出端和电机电源端,这里的电机电源是另一路电源,很多朋友忘了这路电源没接,说电机怎么不转。驱动板可驱动达2A电流,因此必需设计采用专用供给电机的电源,那应该输入多少电压呢?做实验我们可以输入5-9V都可以,具体看电机大小,如果开发板使用变压器供电,作为小电机,也可以从板上取5V电源做实验,如果采用USB供电,因USB电量有限,一般不做电机实验。初学的朋友注意下,板上有四个二极管,这里不是整流,是保护驱动管的续流二极管,板子要由直流电源供电的,不要以为是整流电路加交流电源进去。
两相五、六线电机的程序控制方式有四拍和八拍两种,四拍正转(a->c->b->d)和反转(a->d->b->c),八拍正转(a->ac->c->cb->b->bd->d->da)和反转(a->ad->d->db->b->bc->c->ca)。八拍比四拍前进角度小一半,即四拍转360度,八拍只转180度,使用哪种拍数就看你对电机控制的要求多精确了。
一.方案论证
方案一:由单片机编程产生并分配环形脉冲,由分散元件构成功率放大电路,信号经其放大后驱动步进电机。设计方框图如图J.1所示。
图J.1方案一
该方案由单片机作为脉冲产生模块以及脉冲分配模块,经编程后从单片机输出已经分配的环形脉冲,经一些分散元件构成的放大电路放大后驱动步进电机。此方案结构简单易行,驱动电机所需要的控制信号直接由软件实现。由分散元件构成的放大电路实现简单,而且所需元件常见,价格便宜,节约成本。但是该设计在步进电机在低频工作时,振动大、噪声大。另外占用单片机资源较多,编程复杂,而且不能实现对脉冲实现细分,达到对步进电机的精确控制。
sbit CW_Moter = P0^1;//1:正转。0反转
//电机IO口初始化
voidInit_IO_Moter ()
{
EN_L_Moter = 0;
CW_Moter=1;//正转
CLK_L_Moter=1;
}
void Back()//后退
{
CW_Moter=0;//反转
CLK_L_Moter=0;
图J.4TA8435H驱动电路
图J.5TA8435H驱动电路
图J.6TA8435H驱动电路顶层PCB图
图J.7TA8435H驱动电路顶层丝印图
图J.8TA8435H驱动电路底层丝印图
注:图见“步进电机驱动电路1”
程序清单:
/************************TA8435的步进电机驱动*****************************/
图J.3TA8435H细分原理
3.硬件电路设计
硬件电路如图J.4所示。图中引脚M1和M2决定电机的转动方式:M1=0、M2=0,电机按整步方式运转;M1=1、M2=0,电机按半步方式运转;M1=0、M2=1,电机按1/4细分方式运转;M1=1、M2=1,电机按1/8步细分方式运转,CW/CWW控制电机转动方向,CK1、CK2时钟输入的最大频率不能超过5KHz,控制时钟的频率,即可控制电机转动速率。REFIN为高电平时,NFA和NFB的输出电压为0.8V,REFIN为低电平时,NFA和NFB输出电压为0.5V,这2个引脚控制步进电机输入电流,电流大小与NF端外接电阻关系式为:I0=Vref/Rnf。图中,设REFIN=1,选用步进电机额定电流为0.4A,则R1,R2选用1.6欧姆、2W的大功率电阻,EA芯片片选信号低电平有效,RESET复位信号,高电平有效,D4-D6快恢二极管用来泄放绕组电流。
图1
在使用两相四线时,a、b相需要控制正反方向电流,即a入b出和b入a出,另外一相相同,因此需要桥式开关管驱动,开关管较多,相对复杂。如果引入COM线,电流为a与COM一个方向,b与COM一个方向,则ab点各一个开关管就可以了。这样只要四个开关管就可驱动两相五、六线步进电机了。
两相五、六线步进电机的中心线COM线,是接电源的,COM线可以接电源的正极VCC或者负极GND。COM线接VCC时,a、b、c、d则需要功率开关管引入GND,COM线接GND时,a、b、c、d则需要功率开关管引入VCC。多数使用前者,本板也是一样,将COM端与VCC端相连。如图2,图3和图4为实物图。
方案二:由单片机产生脉冲,经L298N芯片进行脉冲分配和功率放大后,将脉冲信号输入步进电机进行驱动。设计方案如图J.2所示。
图J.2方案二
L298N可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,可直接通过电源来调节输出电压,直接用单片机的I/O口提供信号。但是其电路较为复杂,调试相对繁琐,最大只能1/4细分,低速运行震动噪音较大。
四、驱动板连接及注意事项
两款驱动板的区别:后极输出三极管功率不同,其它一样。
LY-BJ-A:后级驱动管:TIP41C带散热片, 驱动电流:3A
LY-BJ-B:后级驱动管:D882, 驱动电流:1.5A
本驱动板有两路电源,前级由开发板提供电源,目的是为了匹配P口输出电平,后级电源单独供给电机作为输出电源,限流电阻为(2-3瓦)5欧,可根据你的电机电流来选择电压(直流3V-36V)。
sbit EN_L_Moter = P1^5;//使能L:低电平有效
sbit CLK_L_MotFra Baidu bibliotekr = P1^6;//时钟L:低电平有效
sbit CW_Moter = P1^7;//1:正转。0反转
sbit EN_L_Moter = P0^2;//使能L:低电平有效
sbit CLK_L_Moter = P0^0;//时钟L:低电平有效
方案三:由单片机产生脉冲,经TA8435H专用芯片进行脉冲分配和功率放大后,将脉冲信号输入步进电机进行驱动。设计方案如图J.3所示。
图J.3方案三
使用细分方式,能很好的解决步进电机在低频工作时,振动大、噪声大的问题。步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步距角的细分。跟用L298N比较:调试简单,最大1/8细分,低速运行震动噪音小;而且简化了电路。
还可驱动四个直流电机,如下图:
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//参数:n-表示转动的步数--即脉冲数
/*****************/
void GoOnDis_Moter(uchar i)
{
while(i--)
{
GoOn();//前进函数
}
}
/************
功能:后退一定步数
参数:I--表后退的步数
***************/
void BackDis_Moter(uchar i)
在图J.3中,第一个CK时钟周期时,解码器打开桥式驱动电路,电流从VMA流经电机的线圈后经RNFA后与地构成回路,由于线圈电感的作用,电流是逐渐增大的,所以RNFB上的电压也随之上升。当RNFB上的电压大于比较器正端的电压时,比较器使桥式驱动电路关闭,电机线圈上的电流开始衰减,RNFB上的电压也相应减小;当电压值小于比较器正向电压时,桥式驱动电路又重新导通,如此循环,电流不断的上升和下降形成锯齿波,其波形如图3中IA波形的第1段。另外由于斩波器频率很高,一般在几十kHz,其频率大小与所选用电容有关。在OSC作用下.电流锯齿波纹是非常小的,可以近似认为输出电流是直流。在第2
{
while(i--)
{
Back();//后退函数
}
}
步进电机驱动板
一、关于驱动板
驱动板的使用需要对步进电机的结构和原理有所了解,有关电机详细情况请参考有关书籍,我们这里作简单介绍。电机简单的讲就是磁场的相互作用,利用线圈通入变化的电流产生变化的电磁场,在磁力的作用下转动起来,因此,步进电机主要掌握好相序就可以了,相即线圈绕组,相序即通入各线圈绕组电流的顺序。
个时钟周期开始时,输出电流控制电路输出电压Ua达到第2阶段,比较器正向电压也相应为第2阶段的电压,因此,流经步进电机线圈的电流从第l阶段也升至第二阶段2。电流波形如图IA第2部分。第3时钟周期,第4时钟周期TA8435的工作原理与第1、2是一样的,只是又升高比较器正向电压而已,输出电流波形如图IA中第3、4部分。如此最终形成阶梯电流,加在线圈B上的电流,如图3中IB。在CK一个时钟周期内,流经线圈A和线圈B的电流共同作用下,步进电机运转一个细分步。
delayms(1);
CLK_L_Moter=1;
delayms(9);
}
void GoOn()//前进
{
CW_Moter=1;//正转
CLK_L_Moter=0;
delayms(1);
CLK_L_Moter=1;
delayms(9);
}
/******************/
//功能:左电机转动一定步数
通过综合比较为达到最佳驱动效果,选择TA8435H芯片驱动步进电机。
二.理论分析与计算
步进电机有两种工作方式:整步方式和半步方式。以步进角1.8°四相混合式步进电机为例,在整步方式下,步进电机每接收一个脉冲,旋转1.8°,旋转一周,则需要2OO个脉冲。在半步方式下,步进电机每接收一个脉冲,旋转0.9°,旋转一周脉冲数:
二、两相步进电机
步进电机有两相、三相、四相、五相和六相,两相又分为两相四线,两相五线,两相六线。其中两相四线、三相三线为桥式驱动,电路比较复杂,一般使用集成模块,比如L298。两相五线、两相六线,四相五线等,驱动电路就相对比较简单,本驱动板就为此类型步进电机设计的。两相步进电机,请看下图,两相电机由两个相位绕组组成,引出a、b、c、d四个根线即两相四线步进电机,将每相的中心点引出如下COM线,则为两相六线步进电机,有的电机将两条COM线在电机内部已经接在一起引出一根,即为两相五线步进电机,其实两相五线和两相六线只是引线的差别。
图2
图3:LY-BJ-A
图4:LY-BJ-B
三、驱动板原理
这款驱动板是两相五/六线步进电机驱动板,也可作为四相步进电机驱动。例29和例30使用P2口低四位输出,先经过前级电压匹配放大,使用三极管PNP8550。(曾经有人问过一个问题说:“这里怎么不用光藕”,当然是可以的,如何设计是要看使用的场合,像我们做为学习,以理解原理为主。)放大后的电流直接推动大功率三极管(NPN型,A板配TIP41C,B板使用D882,三极管功率的大小影响驱动电机电流的大小),三极管导通后电机线圈将有电流流过。后级的四个三极管相当于四个开关,分时的有顺序的控制这四个开关,电机就会转起来。
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