步进电机驱动控制电路设计

步进电机驱动控制电路设计

步进电机驱动控制电路结构李志刚,霍志华.基于GAL的五相步进电机驱动器的应用研究.光机电信息,2004,12:28-32.如图3.9所示。其中单片机是为脉冲分配器提供脉冲信号的和控制信号的;脉冲分配器将单片机送过来的脉冲按照预先设定好的逻辑时序进行分配(比如四相八拍的步进方式);脉冲放大器是为了将从脉冲分配器输出的电压较低的信号放大强化并送入光电藕合器，将单片机的电源和步进电机的电源隔离开，脉冲再次经过功率放大最后送入到步进电机绕组，步进电机开始运行。

步进电机控制原理

步进电机是数字控制电机，它将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。近30年来，数字技术、计算机技术和永磁材料的迅速发展，推动了步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。步进电机可分为反应式步进电机(简称VR)、永磁式步进电机(简称PM)和混合式步进电机(简称HB)。刘宝廷,程树康等.步进电动机及其驱动控制系统,哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,199.7.步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。王晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社,2002.进电动机有如下特点:

(1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随型。

(2)由步进电动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。

(3)步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

(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。

(5)步进电动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。

(6)步进电动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。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下:

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:四相步进电机有三种工作方式: ①单四拍:其各相通电顺序为A-B-C-D;

②双四拍:其各相通电顺序为AB-BC-CD-DA

;

③八拍:其各相通电顺序为为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，或者AB-ABC-BC-BCD-CD-CDA-DA-DAB。它的时序控制如图3.10所示。

八拍方式与其它两种方式相比，相电流最大，高频性能较好，转矩大，电磁阻尼较大，不易振荡，功耗中等。刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系

统,哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.而矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。因此在很多情况下，四相步进电机采用四相八拍工作方式。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。现在，脉冲分配器己经标准化、芯片化，市场上可以买到。但硬件方法结构复杂，成本也较高。

步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机实现，这样既简化了电路，也降低了成本。使用单片机以软件方式驱动步进电机，不但可以通过编程方法，在一定范围内自由设定步进电机的转速、往返转动的角度以及转动次数等，而且还可以方便灵活地控制步进电机的运行状态，以满足不同用户的要求。因此，常把单片机步进电机控制电路称之为可编程步进电机控制驱动器。这种方式电路简单、控制灵活，但占用CPU的时间过多，每次驱动电机时，单片机都得被占用。因此在本控制仪中采用GAL作为脉冲分配器来驱动电机。

GAL脉冲分配器

脉冲分配器通常包括由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性严重降低;软件环形分配器要占用单片机的运行时间，故降低了速度:专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好、但其适应性受到限制，同时开发周期长，需求费用较高。周永钊.通用逻辑阵列GAL.合肥:中国科学技术大学出版社，1989. 卢瑞英，基于GAL的步进电机控制电路.电气传动,1997年,第5期:24-31. 丁淑敏，刘武发.AGL器件在步

进电机控制中的应用.郑州纺织工学院学报，1999，10(2):83-85.

(1)GAL器件

通用可编程逻辑器件GAL是Lattice公司1985年首先推出的一种当时新型的可编程逻辑器件，它采用电可擦除的CMOS(E2CMOS)工艺制作而成，可用电压信号擦除并可重新编程。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC(Output Logic Macro Cell的缩写)。通过编程可将OLMC设置成不同的工作状态，从而可以用同一种型号的GAL器件实现多种输出电路工作模式。

GAL16V8D一种电可擦除的可编程的新型器件，擦除次数超过100次，近年来，以其高性能、高可靠性、可擦除及输出逻辑结构可组态等特性，博得了广大用户的信赖。它可以用来构成译码器、优先级编码器、多路开关、比较器、移位寄存器、计数器、总线仲裁器等。这里采用Lattice公司的通用可编程逻辑器件GAL16V8D。如图3.11所示，左边为GAL16V8D芯片的引脚图，右图给出一个输出逻辑宏单元的内部电路图。

GAL器件有多种型号，根据设计的需要，同时从经济的角度考虑，选用GAL16V8D来实现对步进电机输出四相八拍步进脉冲的控制。

(2)GAL脉冲分配器

如图3.12所示，GAL16V8D的1、2、3脚分别定义为CLK、DIR1、RST1、DIR2、RST2分别于单片机的I/0口相连，1A、1B、1C、1D和2A、2B、2C、2D分别接两路步进电机的四相。CLK作为GAL的时钟输入端，通过调整CLK的频率可以改变步进电机转动的速度和加速度；DRI1、DIR2作为步进电机脉冲的方向控制端，当DIR1、DIR2步进脉冲为A→AB→BC→C→CD→D→DA时，步进电机正转，当DIR1、DIR2步进脉冲为D→DC→C→CB→B→BA→A→AD时，步进电机反转；RST用来使步进电机到“零”位置。

步进电机的选型

选用常州宝来电器有限公司生产的精密减速步进电机，型号为42BY48HJ120。它的参数如表3.1，接线图见图3.13。常州宝来电器有限公司.精密减速步进电机.http://www.baolai-cn.com/porduct_new.htm.

表3.1步进电机型号参数

Tab.3.l Parameter of stepping motor

选择此型号步进电机的主要原因是它的定位转矩大，定位精度高，而且起动和运行频率不高，相电流较小。注意的是在实际操作中电机要低于启动频率启动，否则肯定会产生失步。

步进电机驱动控制电路

目前国内市场上的步进电机控制器基本满足电机控制需求，但多采用原装进口模块，其价格较贵，扩展性较差。因此，研制成本低廉、性能可靠、体积小、低功耗的步进电机控制器是提高产品性能、降低产品生产成本的关键。

GAL16V8D引脚的输出电流典型值为45~75mA，而选择的步进电机42BY48HJ120的相电流为130mA，GAL的输出电流放大后才能驱动步进电机。因此GAL后接一片ULN2OO3，它是8路达林顿驱动芯片，它的最大输出电流达到500mA。其管脚图如图3.14所示。GAL经过逻辑编程(见4.10章节)作为步进电机的脉冲分配器，74LS07将GAL发出的脉冲信号放大送往光电隔离TLP521，ULN2O03进一步将脉冲信号放大并送往功率驱动管驱动步进电机运转。

本设计采用的是4相步进电机，工作电压+24V，用共阴极的接法。从ULN2003经功率管放大输出的信号A、B、C、D，若A=0(低电平)，则表示该步进电机的A相导通，接着再让B相导通，如果有规律地使4相依次导通:A→AB→B→BC→C→CD→D→DA，那么电机就会转动起来，如果导通顺序反向，则反转。图3.15为一路步进电机驱动控制电路。