两相步进电机驱动器设计目录第1章绪论 (3)1.1 引言 (3)1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介 (3)第2章设计方案 (5)2.1 步进电机的介绍 (5)2.2 步进电机的特点 (6)2.3 步进电机的分类 (6)2.4步进电机运动特性及性能参数 (7)2.5 设计方案的确定 (8)2.6 设计思想与设计原理 (9)第3章单元电路的设计 (9)3.1方波产生电路设计 (9)3.2 信号的分配 (13)3.3功率放大电路设计 (15)3.4 总体设计 (16)第4章设计方案的论证 (18)第5章心得体会 (18)第6章参考文献 (19)第1章1.1 引言步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。

步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。

由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。

80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处于统治地位。

相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不高，且对成本敏感的领域。

技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带来了新的发展遇。

由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的细分驱动得以实现。

细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。

实践证明，步进电机脉冲细分驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控制的灵活性等。

由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。

根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱步进电机的一些缺点。

若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱动器.1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介1.2.1常见的步进电机控制方案1、基于电子电路的控制步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。

由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。

步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。

此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。

这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。

系统组成如图1.1所示。

脉冲控制器功率放大驱动电路环形分配器步进电机图1.1 基于电子电路控制系统此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。

开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。

采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。

闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。

该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

2、基于PLC的控制PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。

PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。

步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。

控制系统采用PLC来产生控制脉冲。

通过PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。

环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。

PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。

采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。

采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。

步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。

但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。

并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。

3、基于单片机的控制采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。

系统中采用单片机接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。

由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能，采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。

环形分配器其功能由单片机系统实现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。

第2章2.1 步进电机介绍步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

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。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

2.2.步进电机特点（1）旋转角度与输入脉冲成比例，角度误差小，不会产生积累误差。

（2）利用输入脉冲频率高低可做转速调整。

（3）由于精度高，可采用开环控制，避免使用复杂的反馈控制电路，成本低。

（4）电动机的动态反应快，起动、停止、加速、减速、正反转反应快，容易控制。

（5）可以直接带负载低速运行，不必接减速器。

（6）结构简单，可靠性高，使用寿命长。

（7）在低速和共振区时可能产生振动和噪声，细分步距角可减轻震荡。

（8）有可能产生失步现象。

步进电动机有一个起动频率，电动机起动时，如果输入脉冲过高，电动机来不及获得足够能量，转子跟不上旋转磁场速度，会引起失步。

提高电动机转矩，减小步距角，减小负载转动惯量都将可以提高电动机起动频率。

制动和突然转向时，转子获得过多能量，产生严重过冲，引起失步。

过快加速或减速时，也可能引起失步。

2.3.步进电机分类（1）可变磁阻式（VR型）步进电机该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿型转子进行步进驱动，故又称作反应式步进电动机，其定子与转子分别由铁心构成。

定子上嵌有线圈，转子朝定子间磁阻最小方向转动，并由此而得名为可变磁阻型。

（2）永磁式（PM型）步进电机PM型进电动机的转子采用永久磁铁，定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。

这种电动机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用作定位驱动。

（3）混合式（HB型）步进电机这种电动机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是PM型步进电动机，但从定子和转子的导磁体来看，又和VR型相似，所以是PM型和VR型相结合的一种形式，故称为混合性步进电动机。

他不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。

2.4.步进电机运动特性及性能参数（1）分辨力在一个电脉冲作用下，步进电动机转子转过的角位移即步距角α。

（2）矩-角特性图2.1 矩-角特性（3）启动频率步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频率成为起动频率。

所谓失步是转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。

（4）最高工作频率步进电动机起动后，将脉冲频率逐步升高，在额定负载下，电动机能不失步正常运行的极限频率为最高工作频率。

（5）转矩-工作频率特性步进电动机转动后，其输出转矩随工作频率增高而下降，当输出转矩下降到一定程度是，步进电动机就不能正常工作。

图2.2 转矩-工作频率特性J1>J2>J32.5 设计方案的确定→→图2.3 步进电机驱动器整体框图2.6设计思想与设计原理它由方波产生电路，脉冲环形分配电路和功率放大电路三大主要电路组成。

方波产生电路主要为脉冲环形分配电路提供方波脉冲信号，使得驱动信号发生电路输出四相驱动信号，经过功率放大电路，为电机提供足够的电流，从而控制电机的运转。

第3章在本次设计中，要进行以下几个单元电路的设计：第一，方波产生电路；第二，环形计数电路；第三，功率放大电路。

以下的篇幅将对上述电路分别进行设计及原理阐述。

3.1方波产生电路设计方波产生电路的功能很简单，就是为后续电路提供方波脉冲。

结合数电教材上的理论知识，很容易想到用555定时器来构成方波产生器。

555定时器内部结构的简化原理图和引脚图如图2所示。

它由3个阻值为5千欧的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT T以及缓冲器G组成。

图3.1 555定时器原理图和引脚图555为一8脚封装的器件，其各引脚的名称和作用如下：1脚—GND,接地脚2脚—TL,低电平触发端3脚—Q,电路的输出端4脚—/RD,复位端，低电平有效5脚—V_C,电压控制端6脚—TH,阈值输入端7脚—DIS，放电端8脚—VCC,电源电压端，其电压范围为：3～18V定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJT 的状态。

图中4为复位输入端，当4为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出V0为低电平。

因此在正常工作时，应将其接高电平。

由图可知当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。

当V6>2/3Vcc,V2>1/3Vcc时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器被置0,放电三极管T导通,输出端V0为低电平。

当V6<2/3Vcc,V2<1/3Vcc时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管T截止,输出端V0为高电平。