基于单片机的步进电机驱动器设计
基于单片机的步进电机驱动器设计[20200410135855]
摘要
本设计是对步进电机驱动器的研究，在步进电机驱动器的基础上，使用开关电源，23HS8610步进电机和控制器对步进电机进行的操作控制，能够基本实现前进，后退的功能，并且还能对步进电机进行细分控制，最高能到128细分。软件使用的是C语言编程，电路模块中包含有单片机最小系统、驱动信号输入模块、指示灯模块、按键处理模块这4部分。根据步进电机原理，驱动器的原理等做了详细的介绍。本设计是根据DM420驱动器而设计的。
如何正确使用步进电机，电路内必须要加驱动器，驱动器性能越卓越，电机运行起来越稳定，性能也越好。本设计的主要内容就是对步进电机驱动器和步进电机的介绍，对它们的原理、功能等做了详细的介绍。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:步进电机DM420驱动器单片机
Key Words : stepper motor DM420 driver Single chip micro computer目录
1. 绪论 1
1.1步进电机的概述 1
1.2步进电机驱动技术的概述 1
2.混合式步进电机工作原理和特性分析 2
2.1两相混合式步进电机结构组成 2
2.2两相混合式步进电机的工作原理 2
2.3两相混合式步进电机的工作特性 3
2.3.1不工作状态 3
2.3.2单四拍工作状态 3
2.3.3双四拍工作状态 4
2.3.4单双八拍工作方式 4
3.步进电机驱动系统 6
3.1步进电机驱动的原理 6
3.2步进电机驱动系统 6
3.3步进电机驱动技术分析 7
3.3.1 单电压驱动 7
3.3.2高低压驱动方式 8
3.3.3调频调压驱动方式 8
3.3.4斩波恒流驱动方式 9
3.4混合式步进电机的细分驱动 10
4.系统要求 12
4.1DM420步进电机驱动器 12
4.1.1概述 12
4.1.2控制信号接口 13
4.1.3功率接口 15
4.1.4故障诊断 15
4.1.5驱动器的连接 16
4.2设计所使用23HS8610步进电机分析 17
4.2.1 23HS8610参数 17
4.2.2 23HS8610步进电机的内部引线图； 18
4.3方案的确定 18
5.硬件电路设计 19
5.1系统流程图 19
5.2 系统电路原理图 19
5.3性能参数及功能介绍 20
5.3.1功能特性 20
5.3.2复位电路 21
5.3.3时钟振荡电路 21
5.3.4驱动信号输出电路 22
5.3.5指示灯电路 22
5.3.6按键电路 23
6.调试 24
6.1硬件调试 24
6.2程序调试 25
参考文献 26
致谢 27
附录一 28
附录二 29
附录三 30
1.绪论
1.1步进电机的概述
步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移或直线位移的机构。步进电机在30年的发展史中奠定了它在该领域内重要的地位。
步进电机可以分为旋转式和直线式这两种类型，这两种类型又分别都有反应式、永磁式和混合式三种结构类型。反应式与永磁式的结构有以下不同点：1、反应式步进电机定子和转子的材料都是软磁，而永磁式步进电机定子和转子都是磁钢。2、反应式定子磁极上揩油小齿，而永磁式没有开齿3、反应式齿距角小启动，内阻尼小，消耗功率大，运行频率高，而永磁式步距角大，启动运行平率低，比较适合两相或四相。混合式步进电机结构相对比较复杂，之后我们将对23SH8610步进电机做详细介绍。
1.2步进电机驱动技术的概述
步进电机驱动技术在国内外的发展非常迅速。我国对步进电机的使用虽然早，但是驱动技术这块却慢半拍，影响了步进电机在国内使用和进步。最早的驱动技术使用在单电压串电阻一些方式中，由于可靠性差等缺点，使得各个厂家无法以统一标准生产，现在已经慢慢的被淘汰了。
现在步进电动机驱动技术主要采用的是“电流型”这种技术，正常情况下的驱动技术只能够通断绕组中的电流，局限性太高，提高分辨率惟一的办法就是增加相数，而条件就是在转子齿数一样的情况。使用“电流型”能够更便捷地实现步进电动机微步驱动。步进电机技术，第二十世纪70年代开始的研究，发展缓慢，到90年才完全成熟。我国和国外基本同时对微步驱动技术进行研究。由于微步驱动技术的普遍应用，步角距将不再牵制步进电机的相数，产品设计的更便捷。
如今步进电机驱动技术已经得到很快的发展，并且这些技术也相当的成熟，比如细分技术，横流斩波控制等等。他们在中、小功率应用领域中逐步趋向于高速化和精密化。以前在驱动电路中使用的大功率晶体管如今已被慢慢淘汰，相比之下优点更多的功率场效应管以及性能更优秀的绝缘栅晶体管已经开始普及。
2.混合式步进电机工作原理和特性分析
2.1两相混合式步进电机结构组成
1.电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极；
2.八个线圈直接串接成A、B两相绕组；
3.每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。
4.转子是由两部分的齿轮形状的转子芯，安装在环形磁钢和轴承内的转子铁芯，轴环形磁体磁化沿轴向方向，转子铁心的两个截面为N极，另一端的极性，分别称为N和S片段式转子
图2.1
5.转子铁心周围小齿，通常是50个，尺距7.2°。两段转子的尺距相互错开1/2。
2.2两相混合式步进电机的工作原理
不同相数的混合式步进电机有二相、三相、五相、九相等，它们的工作原理基本相同。混合式步进电动机通过永磁体和绕组分别产生的磁动势作用在气隙上。通过控制绕组电流，来控制两个磁动势相加或者相减。。转子是两段永磁体，两端分别为N极性和S极性。
一般情况下每段永磁体都有3个齿，并且均匀分开，N极和S极相互错开1/2。由于同一相绕组和两个绕组的磁场方向相反，因此所产生的相同的电流是相反的。相反的电流流过同一个绕组产生相反的磁场。
2.3两相混合式步进电机的工作特性
2.3.1不工作状态
在不工作的状态下，如有外力想转动轴的时候，由于存在磁场，会有一个相反的力来阻止转动，叫做自锁力矩。
图2.3.1
2.3.2单四拍工作状态
初始状态，A相通电，A相绕组中产生磁场，转子会保持不变，这个叫保持力矩；
B相通电，磁场和初始状态相比旋转了90°，转子将会旋转30°。
/A 相通电、 导致磁场改变90°转子旋转40°；同理/B相通电。
一个循环也就是4步后一共旋转120°，旋转一周需要走12步。
这种工作方式是整步距工作方式
图2.3.2
2.3.3双四拍工作状态
初始状态，当A，B相同时通电时，A，B两相绕组同时对转子有吸引作用，是定子转动15°即1/8齿距。
B相和/A相通电时，B相和/A相绕组的吸引作用，转子旋转30。
同理可得/A/B,/BA 通电转子各旋转30°。
一个循环也就是4步转子旋转120°，旋转一周需要12步。
这种工作方式是整步距工作方式。
图2.3.3
2.3.4单双八拍工作方式
在单四拍的基础上，每个单拍之间加一个双拍，就构成单双8拍。
如下图先A相通电，然后AB两相通电，一共经过8拍，每一步转子旋转15°，一个循环后，转子转过一个120°。旋转一周需要走24步。
图2.3.4
摘要
本设计是对步进电机驱动器的研究，在步进电机驱动器的基础上，使用开关电源，23HS8610步进电机和控制器对步进电机进行的操作控制，能够基本实现前进，后退的功能，并且还能对步进电机进行细分控制，最高能到128细分。软件使用的是C语言编程，电路模块中包含有单片机最小系统、驱动信号输入模块、指示灯模块、按键处理模块这4部分。根据步进电机原理，驱动器的原理等做了详细的介绍。本设计是根据DM420驱动器而设计的。
如何正确使用步进电机，电路内必须要加驱动器，驱动器性能越卓越，电机运行起来越稳定，性能也越好。本设计的主要内容就是对步进电机驱动器和步进电机的介绍，对它们的原理、功能等做了详细的介绍。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:步进电机DM420驱动器单片机
Key Words : stepper motor DM420 driver Single chip micro computer目录
1. 绪论 1
1.1步进电机的概述 1
1.2步进电机驱动技术的概述 1
2.混合式步进电机工作原理和特性分析 2
2.1两相混合式步进电机结构组成 2
2.2两相混合式步进电机的工作原理 2
2.3两相混合式步进电机的工作特性 3
2.3.1不工作状态 3
2.3.2单四拍工作状态 3
2.3.3双四拍工作状态 4
2.3.4单双八拍工作方式 4
3.步进电机驱动系统 6
3.1步进电机驱动的原理 6
3.2步进电机驱动系统 6
3.3步进电机驱动技术分析 7
3.3.1 单电压驱动 7
3.3.2高低压驱动方式 8
3.3.3调频调压驱动方式 8
3.3.4斩波恒流驱动方式 9
3.4混合式步进电机的细分驱动 10
4.系统要求 12
4.1DM420步进电机驱动器 12
4.1.1概述 12
4.1.2控制信号接口 13
4.1.3功率接口 15
4.1.4故障诊断 15
4.1.5驱动器的连接 16
4.2设计所使用23HS8610步进电机分析 17
4.2.1 23HS8610参数 17
4.2.2 23HS8610步进电机的内部引线图； 18
4.3方案的确定 18
5.硬件电路设计 19
5.1系统流程图 19
5.2 系统电路原理图 19
5.3性能参数及功能介绍 20
5.3.1功能特性 20
5.3.2复位电路 21
5.3.3时钟振荡电路 21
5.3.4驱动信号输出电路 22
5.3.5指示灯电路 22
5.3.6按键电路 23
6.调试 24
6.1硬件调试 24
6.2程序调试 25
参考文献 26
致谢 27
附录一 28
附录二 29
附录三 30
1.绪论
1.1步进电机的概述
步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移或直线位移的机构。步进电机在30年的发展史中奠定了它在该领域内重要的地位。
步进电机可以分为旋转式和直线式这两种类型，这两种类型又分别都有反应式、永磁式和混合式三种结构类型。反应式与永磁式的结构有以下不同点：1、反应式步进电机定子和转子的材料都是软磁，而永磁式步进电机定子和转子都是磁钢。2、反应式定子磁极上揩油小齿，而永磁式没有开齿3、反应式齿距角小启动，内阻尼小，消耗功率大，运行频率高，而永磁式步距角大，启动运行平率低，比较适合两相或四相。混合式步进电机结构相对比较复杂，之后我们将对23SH8610步进电机做详细介绍。
1.2步进电机驱动技术的概述
步进电机驱动技术在国内外的发展非常迅速。我国对步进电机的使用虽然早，但是驱动技术这块却慢半拍，影响了步进电机在国内使用和进步。最早的驱动技术使用在单电压串电阻一些方式中，由于可靠性差等缺点，使得各个厂家无法以统一标准生产，现在已经慢慢的被淘汰了。
现在步进电动机驱动技术主要采用的是“电流型”这种技术，正常情况下的驱动技术只能够通断绕组中的电流，局限性太高，提高分辨率惟一的办法就是增加相数，而条件就是在转子齿数一样的情况。使用“电流型”能够更便捷地实现步进电动机微步驱动。步进电机技术，第二十世纪70年代开始的研究，发展缓慢，到90年才完全成熟。我国和国外基本同时对微步驱动技术进行研究。由于微步驱动技术的普遍应用，步角距将不再牵制步进电机的相数，产品设计的更便捷。
如今步进电机驱动技术已经得到很快的发展，并且这些技术也相当的成熟，比如细分技术，横流斩波控制等等。他们在中、小功率应用领域中逐步趋向于高速化和精密化。以前在驱动电路中使用的大功率晶体管如今已被慢慢淘汰，相比之下优点更多的功率场效应管以及性能更优秀的绝缘栅晶体管已经开始普及。
2.混合式步进电机工作原理和特性分析
2.1两相混合式步进电机结构组成
1.电机的定子上有八个绕有线圈的铁心磁极；
2.八个线圈直接串接成A、B两相绕组；
3.每个定子磁极边缘有多个小齿，一般多为五或六齿。
4.转子是由两部分的齿轮形状的转子芯，安装在环形磁钢和轴承内的转子铁芯，轴环形磁体磁化沿轴向方向，转子铁心的两个截面为N极，另一端的极性，分别称为N和S片段式转子
图2.1
5.转子铁心周围小齿，通常是50个，尺距7.2°。两段转子的尺距相互错开1/2。
2.2两相混合式步进电机的工作原理
不同相数的混合式步进电机有二相、三相、五相、九相等，它们的工作原理基本相同。混合式步进电动机通过永磁体和绕组分别产生的磁动势作用在气隙上。通过控制绕组电流，来控制两个磁动势相加或者相减。。转子是两段永磁体，两端分别为N极性和S极性。
一般情况下每段永磁体都有3个齿，并且均匀分开，N极和S极相互错开1/2。由于同一相绕组和两个绕组的磁场方向相反，因此所产生的相同的电流是相反的。相反的电流流过同一个绕组产生相反的磁场。
2.3两相混合式步进电机的工作特性
2.3.1不工作状态
在不工作的状态下，如有外力想转动轴的时候，由于存在磁场，会有一个相反的力来阻止转动，叫做自锁力矩。
图2.3.1
2.3.2单四拍工作状态
初始状态，A相通电，A相绕组中产生磁场，转子会保持不变，这个叫保持力矩；
B相通电，磁场和初始状态相比旋转了90°，转子将会旋转30°。
/A 相通电、 导致磁场改变90°转子旋转40°；同理/B相通电。
一个循环也就是4步后一共旋转120°，旋转一周需要走12步。
这种工作方式是整步距工作方式
图2.3.2
2.3.3双四拍工作状态
初始状态，当A，B相同时通电时，A，B两相绕组同时对转子有吸引作用，是定子转动15°即1/8齿距。
B相和/A相通电时，B相和/A相绕组的吸引作用，转子旋转30。
同理可得/A/B,/BA 通电转子各旋转30°。
一个循环也就是4步转子旋转120°，旋转一周需要12步。
这种工作方式是整步距工作方式。
图2.3.3
2.3.4单双八拍工作方式
在单四拍的基础上，每个单拍之间加一个双拍，就构成单双8拍。
如下图先A相通电，然后AB两相通电，一共经过8拍，每一步转子旋转15°，一个循环后，转子转过一个120°。旋转一周需要走24步。
图2.3.4
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