步进电机控制及驱动电路的设计

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：信息工程学院

题目: 步进电机的控制及驱动电路设计

初始条件：

本设计既可以使用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路，以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件。本设计也可以使用单片机系统构建步进电机的控制及驱动电路。

自行设计所需电源。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：1周。

2、技术要求：

①设计一个方波发生器提供系统时钟；

②设计一个步进电机的驱动信号发生器，可以实现电机正转/反转控制和转速控制；

③要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机；

④要求可以实现步进电机的单相或双相激励；

⑤确定设计方案，按功能模块的划分选择元、器件和集成电路，设计分电路，阐述基本原理。

⑥绘制总体电路原理图。

3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全

文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

1、2008 年7 月5 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。

2、2008 年7 月5 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。

2、2008 年7 月6 日至2007 年7 月7 日，方案选择和电路设计。

2、2008 年7 月8 日至2007 年7 月10 日，电路调试和设计说明书撰写。

3、2008 年7 月11 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

课设答疑地点：鉴主14楼电子科学与技术实验室。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1.步进电机原理 (2)

1.1步进电机简介 (2)

1.2步进电机原理及控制技术 (2)

1.3 步进电机驱动方法 (2)

1.4总体设计方框图 (3)

1.5设计原理分析 (3)

1.5.1元器件介绍 (3)

1.5.2方案论证 (5)

2硬件设计 (6)

2.1控制电路 (6)

2.2最小系统 (6)

2.3驱动电路 (7)

2.4显示电路 (7)

2.5总体电路图 (8)

3软件设计 (9)

4程序编写 (9)

5实验心得及体会 (17)

参考文献 (17)

1.步进电机原理及硬件和软件设计

1.1步进电机简介

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步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

1.2步进电机基本原理

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

1.3 步进电机驱动方法

步进电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，如下图所示。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。

1.4总体设计方案框图

1.5设计原理分析

1.5.1元器件介绍

（1）步进电机

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定。

①四相步进电机的工作原理

该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，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，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿

没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，则转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。②步进电机的静态指标及术语

相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，

定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。

静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

③四相步进电机的脉冲分配规律

对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图所示。

本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。

（2）89C51单片机

89C51单片机是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的Flash ROM