Question

基于单片机步进电机自动控制系统设计

要求 1、学习单片机、步进电机等相关知识 2、研究步进电机原理及工作模式，选择合适单片机设计一个步进电机控制器，要求
a、在速度模式下用四个按键控制电机的启动/停止、加速、减速、反转控制；
b、在位移模式下，每按一次按键，电机转动90度。
注：步进电机为四相电机，用ULN2003作驱动芯片。

Answer 1

能实现步进电机的正转、反转、手动和自动控制。
步距角为1.5°或3°
已知步进电机的型号是36BF003（属三相步进电机），工作相电压的标称值是27V，相电流的标称值是1.5A，保持转距是78mN·m 步距角为1.5°/3° 。
Protel99SE软件的应用及仿真PCB板的制作。
关键词：步进电机 功率放大电路 TWH8751 Protel99SE

目录
一、设计目的、意义…………………………..…………………………第2页
二、步进电机的工作原理…………………………………………………第2页
三、步进电机的系统组成框图……………………………………………第5页
四、单元电路设计…………………………………………………………第6页
五、步进电机供电电源电路设计………………………………………..第8页
六、仿真及Protel实验结果……………………………………………….第9页
七、Protel99SE软件介绍………………………………………………….第10页
八、设计心得………………………………………………………………第11页.
九、参考文献………………………………………………………………第12页
一、设计目的、意义：
1）了解步进电机的结构和工作原理。
2）掌握步进电机控制系统的设计方法及其调试技术。
3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。
步进电机驱动控制系统设计内容

二、步进电机的工作原理

.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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

三相发电机主要是三相交流同步发电机。其转子通常为直流励磁线圈产生的电磁铁，为发电机工作提供磁场。定子是在空间互差120度电角度的三相交流绕组（按照一定规律连接的线圈组称为绕组）。
直流电且由原动机带动三相同步发电机的转子旋转时，转子磁场对定子的三相绕组有相对运动，定子的三相绕组就感应三相交流电。调节转子线圈通入直流电流的大小，可以改变定子的三相绕组电压的大小，改变原动机的转速，可以改变定子的三相绕组电压的频率。

图1
1、结构：如图1所示， 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比

其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

三、步进电机的系统组成框图

图2 步进电机控制系统方框图�

图3微机控制步进电机系统结构图�

图4

四、单元电路设计

1功率放大电路设计

方案一 使用功率场效应管的单电压功放电路
单电压功率放大电路是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，图示是一组绕组驱动电路的原理图（其他各组饶相的驱动电路与此相同）。图中，T是功率场效应管，L是步进电路一组绕组电感，R为场效应管的漏极限流电阻，D为续流二极管，为绕组提供放电回路。工作原理：当环形分配器输出的信号为高平时，T饱和导通，绕组L中产生电流。
单电压功率放大电路

电路原理如图5所示。电路的电压E一般选择在10～100V左右，有的高达200V，这要视应用场合、步进电机的功率和实际要求而定。这是步进电机控制中最简单的一种驱动电路。实质上它是一个简单的反相器。晶体管T用作开关；L是步进电机的一相绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻，也是限流电阻；D是续流二极管。�

图5 步进电机一相绕组的开关电路图
单电压功率放大器的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，高频时效率尤其低。电阻RC消耗相当大的一部分能量，且RC的发热直接影响电路的稳定工作状态，所以单电压功率放大电路一般只用来驱动小功率步进电机。�
图6示出了一种改进的单电压功率放大电路。

图6 改进的单电压功率放大器电路图

方案2 使用集成功率开关器件构成的斩波形功放电路
集成功率电子开关TWH8751可直接由TTL、CMOS等数字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、控制功率大、内部开关管反向击穿电压为100，加上散热器后，通过的灌电流可达3A。其输出管采用集电路开路方式，可以根据负载的要求选择合适的电压，片内还没有过热减流保护电路。
TWH8751的引脚如图7所示

图7
斩波型功率放大电路�
斩波平滑功放电路和工作原理如图8所示。
斩波形功放电路与普通单电压功放电路相比较，前者的工作频率可提高30%左右，力矩可提高10%-25%。效率提高也非常显著，在输出功率相同的条件下，斩波电路的输入功率为单电压功放电路输入的一半。

图8 斩波平滑功放电路图
五、步进电机供电电源电路设计
步进电机的标称工作电压为27V、相电流为1.5A——说明：步进电机的标称电压、电流值，并不是额定的电压、电流值。在实际应用中，步进电机的电压和电流值是可以根据需要来确定的，但不宜与这个标称值相差太远）。选用三端可调正稳压器CW338，对其调正端ADJ进行控制，则输出电压从1.2V到32V连续可调。CW338的最大输出电流为5A，内部设有限流、过热和安全保护。
其他CMOS集成电路采用+12V电源供电，可选用固定的三端集成稳压器LM7812提供。

CW338应用电路

Answer 2

哈。我来帮助你。步进电机控制是很简单到应该

Answer 3

容易得很 具体电机参数有没有 可以hi我

Answer 4

很简单，我可以给你做
1635449345

Answer 5

不方便