步进电机控制电路板设计方案.doc

步进电机控制电路板设计方案


步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成。采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加。软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式。
本设计是采用AT89C51单片机对步进电机的控制,通过IO口输出的时序方波作为步进电机的控制信号,信号经过芯片ULN2003驱动步进电机;同时,用 4个按键来对电机的状态进行控制,并用数码管动态显示电机的转速。
系统由硬件设计和软件设计两部分组成。其中,硬件设计包括AT89C51单片机的最小系统、电源模块、键盘控制模块、步进电机驱动(集成达林顿ULN2003)模块、数码显示(SM420361K数码管)模块、测速模块(含霍尔片UGN3020)6个功能模块的设计,以及各模块在电路板上的有机结合而实现。软件设计包括键盘控制、步进电机脉冲、数码管动态显示以及转速信号采集模块的控制程序,最终实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上,对速度进行实时监控显示。软件采用在Keil软件环境下编辑
设计目的及系统功能
本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。本系统采用AT89C51作为控制单元,通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。
AT89C51
键盘控制模块
电机驱动模块
数码显示模块
电源模块
图1-1 总体设计框图
2 硬件部分
步进电机
步进电机概述
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广。
使用多相步进电动机,单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号,在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器,电动机各相的通电状态就发生变化,转子会转过一定的角度(称为步距角)。
正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。
步进电机的特性
步进电机转动使用的是脉冲信号,而脉冲是数字信号,这恰是计算机所擅长处理的数据类型。从20世纪80年代开始开发出了专用的IC驱动电路,今天,在打印机、磁盘器等的OA装置的位置控制中,步进电机都是不可缺少的组成部分之一。总体上说,步进电机有如下优点:
,控制简单。
、速度控制(启停和反转)及驱动电路的设计比较简单。
。
。
,不需要保养,故造价较低。
,也能精确定位。
,能够以任意速度转动。
但是,这种电机也有自身的缺点:


,能源利用率低。
,高速工作时会发出振动和噪声。
永磁步进电机的控制原理
在本设计以常用的永磁式步进电机为例,用单片机控制步进电机。图2-1是CZ-2801型永磁步进电机的外形图,图2-2是该电机的接线图。

图2-1 CZ-2801型永磁步进电机外形图图2-2 CZ-2801型永磁步进电机接线图
从图中可以看出,电机共有四组线圈,四组线圈的一个端点连在一起引出,这样一共有 5根引出线。要使用步进电机转动,只要轮流给各引出端通电即可。端标识为C,只要 AC、BC或/AC、/BC,轮流加电就能驱动步进电机运转,加电的方式可以有多种, 端接正电源,那么只要用开关元件(如三极管) ,将 A、B或/A、/B轮流接地。
不难设计出控制电路,因其工作电压为 12V,因此用一块开路输出达林顿驱动器(这里用ULN2003,关于ULN2003将在后面介绍)作为驱动,通过 、 。开机时,、 ,依次将 、 (、 )切换为低电平即可驱动步进电机运行。如果要改变电机的转动速度只要改变两次接通之间的时间。改变转速,只要改变 、 (、 )轮流变低电平的时间即可达到要求,因为不会影响到其他功能的实现,这个