发布时间 : 星期五 文章基于单片机的步进电机系统设计更新完毕开始阅读
河南科技大学毕业设计（论文）
第2章 步进电机驱动系统介绍
§2.1 驱动系统的总体结构
本系统通过计算机设定步进电机的运行方向和速度，以及变速变向的控制，并且将这些参数和控制程序通过数据串口烧录到单片机中。按钮和单片机的控制信号通过驱动电路，输入至步进电机，控制步进电机的速度和方向。电源和变压整流电路为单片机和驱动芯片的正常工作提供安全稳定的直流高电平，本设计的驱动系统硬件结构如图2-1所示。
速度设定 计算机
方向设定 控制 电源 供电 单片机 驱动电路及有关芯片 供电 供电 驱动 按钮 录入 程序 实时 M
图2-1 驱动系统硬件结构
§2.2 电机的驱动系统简介
步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机驱动器，步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在
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很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。
功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。
§2.3 电机驱动系统的驱动原理
为了方便阐述，本节按照步进电机输入信号要求，控制信号功率的放大，单片机控制信号的输出和编程的顺序分析其工作过程。 §2.3.1 电机的控制信号
28BYJ-48型步进电机接内部共有四相线圈，其中Vcc端共接在一起，为红线。四相线圈的控制信号输入端按顺序依次为蓝、粉、黄、橙，如图2-2所示。
为方便编程与描述，本文采用单片机的双四拍运行时序，则其通电线圈按照时序依次为：蓝粉、粉黄、黄橙、橙蓝。其输入信号分布如表2-1所示。以此时序，按照一定的频率，步进电机就可稳定地转动。
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橙4 M 黄3 红5 粉2 蓝1
图2-2 28BYJ-48型步进电机接线指示图
表2-1 步进电机输入信号分布表
连接序号 5 4 3 2 1 导线颜色 红 橙 黄 粉 蓝 1 + + + - - 2 + + - - + 分配顺序 3 + - - + + 4 + - + + -
§2.3.2 控制信号的功率放大
单片机不能直接驱动步进电机，这是由于单片机I/O接口输出功率很小，输出信号不稳定。因此就必须在单片机I/O接口下方接功率驱动单元。按照前文所述，本文选择具有信号放大，信号反相功能的ULN2003A驱动芯片，其电路图如图2-3所示。
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图2-3 ULN2003A电路图（含负载）
ULN2003A本质为达林顿管，其中Q1，Q2，R2，R3本质为以放大倍数被加大的三极管。因此，当输入信号为高电平时，三极管导通，这时负载左端，即芯片的信号输出端为低电平，因此ULN2003A为反相输出。
此时负载中有电流产生。在本文中，负载即为步进电机的某一相线圈，所以当输入信号为高电平时，与之相连的步进电机线圈中有电流产生；当输入信号为低平时，负载左端即信号输出端为高电平，负载中无电流产生，即与之相连的步进电机线圈不工作。
又因为达林顿管放大倍数为两个三极管放大倍数之积，达到比较可观的功率放大作用。综上，将单片机四个I/O接口连接至ULN2003A输入接口，就将控制步进电机的信号放大反相。使得步进电机正常工作。 §2.3.3 单片机控制信号的输出和编辑
考虑到步进电机正常工作所需要的时序分布以及ULN2003A的反相所用，单片机的输出信号以及相应的输出端口如表2-2所示。为了实际电路中连线方便，信号输出端口为P2.0，P2.1，P2.2，P2.3口。
表2-2 单片机输出信号分布表
输出接口 对应导线颜色 一 分配顺序 二 三 四 12