步进电机驱动设计 【江西理工大学】 1 江西理工大学 电子111班课程设计
课 题 名 称： 步进电机驱动设计 组 长： 柯于红 成 员： 柯于红、陈峰、吴正源 指 导 教 师： 程铁栋老师
2013年 12 月 30日 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 2 目录 第一章：设计任务与要求 第二章：设计方案 第三章：硬件设计 第四章：硬件测试 第五章：小结 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 3 第一章 设计任务与要求 （一）完成3A以下两相/四相/四线/六线步进电机驱动方案设计，要求工作电压在10V-24V，解决高速过程中失步的不足。 （二）设计良好的保护电路，实现自动半流功能，同时实现最大256倍细分。 （三）设计电机加速方案，减小步进电机运行过程中的噪音。
第二章 设计方案 原理: 步进电机驱动器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，从而达到调速和定位的目的。
设计思路: 步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。驱动器的作用是对控制脉冲进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动
系统框图设计
方向、脉冲信号 控制器：产生脉冲。控制电机的速度和转向。 驱动器：a.脉冲信号分配：为步进电机各绕组提供正确的供电顺序。 b.功率驱动电路：提供电压、电流。各种保护电路，如果过流、过热等。
步进电机驱动电路常用的芯片有L297和L298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 A左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。我们芯片THB7128提出了一种步进电机驱动电路设计方案。
控 制 器 步进电机驱动器
脉冲信号分配 功率驱
动电路 步进电机 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 4 THB7128 一、参数及性能 1、单芯片两相正弦细分步进电机驱动 2、直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式 3、双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.53Ω 4、可实现正反转控制 5、通过3位选择8档细分控制(1,1/2,1/4,1/8, 1/16, 1/32, 1/64,1/128 ) 6、最高耐压40VDC 7、高输出电流（Iout=3.3 A） 8、HZIP19封装 9、有复位和使能管脚 10、芯片内部有过热保护（TSD）和过流检测电路 11、自动半流锁定功能
控制信号隔离电路 驱动电路 THB7128步进驱动电路 主电路 逻辑控制电路
自动半流电路 （一)、信号输入端光耦隔离接法
输入信号接口有两种接法：用户可根据需要采用共阳极接法或共阴极
接法。 1、共阳极接法：分别将CP+，U/D+，EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8—15mA的驱动电流。脉冲输入信号通过CP-接入；此时，U/D-，EN-在低电平有效。 2、共阴极接法：分别将CP-，U/D-，EN-连接到控制系统的地端（SGND，与电源地隔离）；+5V的脉冲输入信号通过CP+加入；此时，U/D+，EN+在高电平有效。限流电阻R的接法取值与共阳极接法相同。 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 5 注：EN端可不接，EN有效时电机转子处于自由状态（脱机状态），这时可以手动转动电机转轴，做适合您的调节。手动调节完成后，再将EN设为无效状态，以继续自动控制。
(二)、细分数设定 细分数是以驱动板上的拨盘开关选择设定的，根据细分选择表的数据设定（最好在断电情况下设定）。细分后步进电机步距角按下列方法计算：步距角=电机固有步距角/细分数。如：一台固有步距角为3.6°的步进电机在16细分下步距角为3.6/16=0.225° 驱动板上拨码开关4、5、6分别对应M1、M2、M3。 具体细分对应情况如下图所示：
(三)、电流大小设定 电流大小由拨码开关S1、S2、S3（分别对应拨码开关上的1、2、3号）选择，电流三档可选。 电流（A） 1.0 2.0 3.0
S1 OFF OFF ON S2 OFF ON OFF S3 ON OFF OFF 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 6 注：采用6N137高速光耦，可保证高速不失步。
THB7128驱动器
(五)、接线端子定义说明 信号输入端： ⑴CP+：脉冲信号输入正端。 ⑵CP-：脉冲信号输入负端。 ⑶DIR+：电机正、反转控制正端。 ⑷DIR-：电机正、反转控制负端。 步进电机驱动设计 【江西理工大学】 7 ⑸EN+：电机脱机控制正端。 ⑹EN-：电机脱机控制负端。
电机绕组连接： ⑴A+：连接电机绕组A+相。 ⑵A-：连接电机绕组A-相。 ⑶B+：连接电机绕组B+相。 ⑷B-：连接电机绕组B-相。 工作电压的连接： ⑴VCC：连接直流电源正（注意：10V＜VCC＜32V）。 ⑵GND：连接直流电源负。 (六)、驱动板特色 采用THB7128作为驱动芯片：低功耗，多种细分，高细分（最高128细分），电机运行稳定，无噪音，不失步。 采用两片6N137高速光耦隔离输入，在保护您的控制器的同时，更高的传输速率让您的步进电机工作更稳定准确。 半流控制功能，使电机停止的时候电流降为最低。 最高达3A的大电流驱动。
第三章 硬件设计 信号隔离电路 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 8 步进电机控制信号有3个(CLK、CWW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对CIK、CWW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 9 细分及电流调节电路
驱动板上拨码开关4、5、6分别对应M1、M2、M3。 具体细分对应情况如下图所示： 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 10 工作电流设定。VREF为电流设定端，调 整此端电压即可设定驱动电流值。 I0=VREF×(1／5)×(1／Rs)
式中：Rs为0.167
电流大小由拨码开关S1、S2、S3（分别对应拨码开关上的1、2、3号）选择，电流三档可选。 电流（A） 1.0 2.0 3.0
S1 OFF OFF ON S2 OFF ON OFF S3 ON OFF OFF
稳压电路 LM317工作原理：LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个引脚接电阻(200左右)在输出引脚,另一个接可调电阻(几K)接于江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 11 地.输入和输出引脚对地要接滤波 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 12 1、单芯片两相正弦细分步进电机驱动 2、直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式 3、双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.53Ω 4、可实现正反转控制 5、通过3位选择8档细分控制(1,1/2,1/4,1/8, 1/16, 1/32, 1/64,1/128 ) 6、最高耐压40VDC 7、高输出电流（Iout=3.3 A） 8、HZIP19封装 9、有复位和使能管脚 10、芯片内部有过热保护（TSD）和过流检测电路 11、自动半流锁定功能 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 13 PCB
第四章 硬件测试 当输入端输入脉冲信号时A、B、C输出端的输出波形。
A端口输出波形 江西理工大学 步进电机驱动设计
【江西理工大学】 14 B端口输出波形 C端口输出波形 由于控制D输出端的芯片引脚损坏，故而没有输出波形。由上面三个图可以看出B比A延迟1/4周期，C比B延迟1/4周期。按照原理，D应比C延迟1/4周期。这样就差不多可以驱动步进电机。实验室没有可用的步进电机，因而无法对驱动器的细分、电流调节功能进行调试。由于高速光耦损坏，因此输出波形有干扰。