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步进电机及其单片机控制
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福 建 电 脑
2007
年第
2
期
福 建 电 脑
步进电机及其单片机控制
吴海涛
1
,
郭 猛
2
(1.
郑州市质量技术监督局 河南 郑州
450001 2.
平顶山工学院 河南 平顶山
467001 )
【摘 要】:
随着工业自动化的发展
,
步进电机的应用越来越广泛。步进电机是一种用于开环控制的驱动元件。本文阐述
了步进电机的基本知识和特性
,
提出了基于单片机控制和集成电路驱动的步进电机控制实现方法以及软硬件设计方法。
【关键词】:
步进电机
;L297;L298;
1.
步进电机的基本知识
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的数字控制执行机
构。它将电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。
1.
步进电机有如下特点:
1.1
步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比,因此,当
它转动一周后,没有累计误差,具有良好的跟随性。
1.2
由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简
单、廉价,又非常可靠。同时,它也可以与角度反馈环节组成高性
能的闭环数控系统。
1.3
步进电机的动态响应快,易于起停、正反转及变速。
1.4
速度可在相当宽的范围内平滑调节,低速下仍能保证
获得大转矩,因此,一般可以不用减速器而直接驱动负载。
1.5
步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,它不能直接
使用交流电源和直流电源。
1.6
步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械
负载采取相应的措施。
1.7
步进电机自身的噪声和振动较大,带惯性负载的能力较
差。
2.
步进电机的分类:
反应式步进电机(
VR
)、永磁式步进电机(
PM
)、混合式步进
电机(
HB
)
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般
为
7.5
度或
15
度;
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一
般为
1.5
度,但噪声和振动都很大,在欧美等发达国家
80
年代
已被淘汰。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又
分为两相和五相:两相步进角一般为
1.8
度而五相步进角一般
为
0.72
度。这种步进电机的应用很广泛。
我们以四相步进电机
35BYJ46
为例
,
说明步进电机的工作
方式:
35BYJ46
有四相
ABCD
,如果对各个相依次单独通电,
"A-
B- C- D"
,磁场旋转一周需要换相四次,则称为四相单四拍;如果
每次对两相同时通电,
"AB- BC- CD- DA"
,则称为四相双四拍;也
可以每次对三相同时通电,
"ABC- BCD- CDA- DAB";
将单四拍和
双四拍交替使用,就称为四相八拍,如:
"A- AB- B- BC- C- CD- D-
DA"
、
"AB- ABC- BC- BCD- CD- CDA- DA- DAB"
,此时磁场旋转
一周需要换相八次。
双四拍每次对多相同时通电,与单四拍比较起来,每相通电
的时间长,消耗的电功率增大,电机所得到的电磁转矩也大。同
时,采用多相励磁会产生电磁阻尼,会削弱或消除振荡现象,使
得电机不易产生失步。
四相八拍与四相四拍相比较,步距角减小了一倍,有利于削
弱振荡,提高电机的带负载能力。
一般说来,步进电机控制系统需要以下部分
,
如图
1
所示。
其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号
;
脉冲分配器
根据方向控制信号将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉
冲
;
功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大
,
用于控制步
进电机的运转,这些部分都可以由专门的电路来实现。如果用单
片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机,可以简化电路,提高
可靠性。
图
1
典型步进电机控制系统
2.
步进电机的驱动
步进电机的驱动方式很多,有单电压驱动、双电压驱动、斩
波驱动、细分驱动和集成电路驱动。由于集成电路集驱动和保护
于一体,作为小功率步进电动机的专用驱动芯片,使用起来非常
方便。在实际应用中
,
我们选择了
L298N
集成电路芯片作为
35BYJ46
的驱动芯片。
L298
是采用
15
脚的
Multiwatt
或
PowerSO20
封装的单片集
成电路芯片,其结构框图如图
2[3]
。它内部采用两个高电压、大
电流的全桥电路
A
、
B
,每个桥需要两个标准的
TTL
逻辑电平输
入,以驱动继电器、螺线管(电磁铁)、直流电机和步进电机(
2
相
或
4
相)等负载。两个使能引脚
EnA
、
EnB
分别使能桥
A
、桥
B
。
每个桥的三极管发射极连接在一起
,
分别是引脚
SenseA
、
SenseB
,以外接电流反馈电阻。此外
L298
还需要一个额外的电
压供应端
Vss
作为逻辑电路部分的电源。
图
2 L298
结构框图
L298
可以用于驱动直流电机,图
3
是直流电机的驱动电
路,接两个直流电机
A
和
B
。
IOA1/IOB1,IOA2/IOB2
是两个
IO
口,用于控制直流电机的转向;
PWMA/PWMB
用于电机的调速
控制,增大占空比可以提高电机的转速,
PWMA/PWMB
的产生
可以由单片机通过软件来实现,也可以由硬件来产生。对于一些
高档的单片机如
AVR
、
PIC
等,都有
PWM
输出端口。
VCC
选择:
7- 46V
。
图
3 L298
直流电机的驱动电路
图
4
是
L298
驱动四相步进电机
35BYJ46
的驱动电路,每
183
tjunying
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