步进电机驱动模块.doc

一 方案论证方案一：由单片机编程产生并分配环形脉冲，由分散元件构成功率放大电路，信号经其放大后驱动步进电机。设计方框图如图J.1所示。MCU放大电路步进电机 图J.1 方案一该方案由单片机作为脉冲产生模块以及脉冲分配模块，经编程后从单片机输出已经分配的环形脉冲，经一些分散元件构成的放大电路放大后驱动步进电机。此方案结构简单易行，驱动电机所需要的控制信号直接由软件实现。由分散元件构成的放大电路实现简单，而且所需元件常见，价格便宜，节约成本。但是该设计在步进电机在低频工作时，振动大、噪声大。另外占用单片机资源较多，编程复杂，而且不能实现对脉冲实现细分，达到对步进电机的精确控制。方案二：由单片机产生脉冲，经L298N芯片进行脉冲分配和功率放大后，将脉冲信号输入步进电机进行驱动。设计方案如图J.2所示。MCUL298N步进电机 图J.2 方案二L298N可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可直接通过电源来调节输出电压，直接用单片机的I/O口提供信号。但是其电路较为复杂，调试相对繁琐，最大只能1/4细分，低速运行震动噪音较大。方案三：由单片机产生脉冲，经TA8435H专用芯片进行脉冲分配和功率放大后，将脉冲信号输入步进电机进行驱动。设计方案如图J.3所示。MCUTA8435H步进电机 图J.3 方案三使用细分方式，能很好的解决步进电机在低频工作时，振动大、噪声大的问题。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步距角的细分。跟用L298N比较：调试简单，最大1/8细分，低速运行震动噪音小；而且简化了电路。 通过综合比较为达到最佳驱动效果，选择TA8435H芯片驱动步进电机。二.理论分析与计算步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角18四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转18，旋转一周，则需要2OO个脉冲。在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转09，旋转一周脉冲数:N=2/09 =400旋转一周，则需要4OO个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。以四相六线制电进电机为例，其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表1和表2所列。步进电机在低频工作时会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个问题。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。在图J.3中，第一个CK时钟周期时，解码器打开桥式驱动电路，电流从VMA流经电机的线圈后经RNFA后与地构成回路，由于线圈电感的作用，电流是逐渐增大的，所以RNFB上的电压也随之上升。当RNFB上的电压大于比较器正端的电压时，比较器使桥式驱动电路关闭，电机线圈上的电流开始衰减，RNFB上的电压也相应减小；当电压值小于比较器正向电压时，桥式驱动电路又重新导通，如此循环，电流不断的上升和下降形成锯齿波，其波形如图3中IA波形的第1段。另外由于斩波器频率很高，一般在几十kHz，其频率大小与所选用电容有关。在OSC作用下电流锯齿波纹是非常小的，可以近似认为输出电流是直流。在第2个时钟周期开始时，输出电流控制电路输出电压Ua达到第2阶段，比较器正向电压也相应为第2阶段的电压，因此，流经步进电机线圈的电流从第l阶段也升至第二阶段2。电流波形如图IA第2部分。第3时钟周期，第4时钟周期TA8435的工作原理与第1、2是一样的，只是又升高比较器正向电压而已，输出电流波形如图IA中第3、4部分。如此最终形成阶梯电流，加在线圈B上的电流，如图3中IB。在CK一个时钟周期内，流经线圈A和线圈B的电流共同作用下，步进电机运转一个细分步。图J.3 TA8435H细分原理3.硬件电路设计硬件电路如图J.4所示。图中引脚M1和M2决定电机的转动方式：M10、M20，电机按整步方式运转；M11、M20，电机按半步方式运转；M10、M21，电机按1/4细分方式运转；M11、M21，电机按1/8步细分方式运转，CW/CWW控制电机转动方向，CK1、CK2时钟输入的最大频率不能超过5KHz，控制时钟的频率，即可控制电机转动速率。REFIN为高电平时，NFA和NFB的输出电压为0.8V，REFIN为低电平时，NFA和NFB输出电压为0.5V，这2个引脚控制步进电机输入电流，电流大小与NF端外接电阻关系式为：I0Vref/Rnf。图中，设REFIN1，选用步进电机额定电流为0.4A，则R1，R2选用1.6欧姆、2W的大功率电阻，EA芯片片选信号低电平有效，RESET复位信号，高电平有效，D4D6快恢二极管用来泄放绕组电流。图J.4 TA8435H驱动电路图J.5 TA8435H驱动电路图J.6 TA8435H驱动电路顶层PCB图图J.7 TA8435H驱动电路顶层丝印图图J.8 TA8435H驱动电路底层丝印图注：图见“步进电机驱动电路1”程序清单：/*TA8435的步进电机驱动*/sbit EN_L_Moter = P15;/使能L:低电平有效sbit CLK_L_Moter = P16;/时钟L:低电平有效sbit CW_Moter = P17;/1:正转。0反转sbit EN_L_Moter = P02;/使能L:低电平有效sbit CLK_L_Moter = P00;/时钟L:低电平有效sbit CW_Moter = P01;/1:正转。0反转/电机IO口初始化void Init_IO_Moter ()EN_L_Moter = 0;CW_Moter=1;/正转CLK_L_Moter=1;void Back()/后退CW_Moter=0;/反转CLK_L_Moter=0;delayms(1);CLK_L_Moter=1;delayms(9);void GoOn()/前进CW_Moter=1;/正转CLK_L_Moter=0;delayms(1);CLK_L_Moter=1;delayms(9);/*/功能:左电机转动一定步数/参数:n-表示转动的步数-即脉冲数/*/void GoOnDis_Moter(uchar i)while(i-)GoOn();/前进函数/*功能:后退一定步数参数:I-表后退的步数*/void BackDis_Moter(uchar i)while(i-)Back();/后退函数步进电机驱动板一、关于驱动板 驱动板的使用需要对步进电机的结构和原理有所了解，有关电机详细情况请参考有关书籍，我们这里作简单介绍。电机简单的讲就是磁场的相互作用，利用线圈通入变化的电流产生变化的电磁场，在磁力的作用下转动起来，因此，步进电机主要掌握好相序就可以了，相即线圈绕组，相序即通入各线圈绕组电流的顺序。 步进电机驱动板有两种方式，一种是时序芯片+驱动电路，另一种是单纯的驱动电路。前者控制比较简单，只要给驱动板一个时钟脉冲和两个正反转控制信号即可，所有时序安排由时序芯片来搞定，我们不需要考虑，像这样的驱动板比较贵，也不适合学习用，因为我们要写的程序太简单。后者为纯驱动电路，无时序芯片，因此，正反转及速度都由程序来生成时序控制，有利于我们学习及了解步进电机的运作情况。二、两相步进电机 步进电机有两相、三相、四相、五相和六相，两相又分为两相四线，两相五线，两相六线。其中两相四线、三相三线为桥式驱动，电路比较复杂，一般使用集成模块，比如L298。两相五线、两相六线，四相五线等，驱动电路就相对比较简单，本驱动板就为此类型步进电机设计的。两相步进电机，请看下图，两相电机由两个相位绕组组成，引出a、b、c、d四个根线即两相四线步进电机，将每相的中心点引出如下COM线，则为两相六线步进电机，有的电机将两条COM线在电机内部已经接在一起引出一根，即为两相五线步进电机，其实两相五线和两相六线只是引线的差别。图1 在使用两相四线时，a、b相需要控制正反方向电流，即a入b出和b入a出，另外一相相同，因此需要桥式开关管驱动，开关管较多，相对复杂。如果引入COM线，电流为a与COM一个方向，b与COM一个方向，则ab点各一个开关管就可以了。这样只要四个开关管就可驱动两相五、六线步进电机了。 两相五、六线步进电机的中心线COM线，是接电源的，COM线可以接电源的正极VCC或者负极GND。COM线接VCC时，a、b、c、d则需要功率开关管引入GND，COM线接GND时，a、b、c、d则需要功率开关管引入VCC。多数使用前者，本板也是一样，将COM端与VCC端相连。如图2，图3和图4为实物图。图2图3：LY-BJ-A图4：LY-BJ-B三、驱动板原理 这款驱动板是两相五/六线步进电机驱动板，也可作为四相步进电机驱动。例29和例30使用P2口低四位输出，先经过前级电压匹配放大，使用三极管PNP8550。（曾经有人问过一个问题说：“这里怎么不用光藕”，当然是可以的，如何设计是要看使用的场合，像我们做为学习，以理解原理为主。）放大后的电流直接推动大功率三极管(NPN型，A板配TIP41C，B板使用D882，三极管功率的大小影响驱动电机电流的大小），三极管导通后电机线圈将有电流流过。后级的四个三极管相当于四个开关，分时的有顺序的控制这四个开关，电机就会转起来。 两相五、六线电机的程序控制方式有四拍和八拍两种，四拍正转（a-c-b-d）和反转（a-d-b-c）,八拍正转（a-ac-c-cb-b-bd-d-da）和反转（a-ad-d-db-b-bc-c-ca）。八拍比四拍前进角度小一半，即四拍转360度，八拍只转180度，使用哪种拍数就看你对电机控制的要求多精确了。四、驱动板连接及注意事项 两款驱动板的区别：后极输出三极管功率不同，其它一样。 LY-BJ-A:后级驱动管：TIP41C带散热片,驱动电流：3A LY-BJ-B:后级驱动管：D882,驱动电流：1.5A 本驱动板有两路电源，前级由开发板提供电源，目的是为了匹配P口输出电平，后级电源单独供给电机作为输出电源，限流电阻为（2-3瓦）5欧，可根据你的电机电流来选择电压（直流3V-36V）。 注：本驱动板需要两路电源，请看图2，前级电源及四个输入，这里的前级电源与单片机使用同一电源，即从开发板上取电。请看下图，LY51-L3板上直接有驱动板连接接口，可直接连接。再看输出端和电机电源端，这里的电机电源是另一路电源，很多朋友忘了这路电源没接，说电机怎么不转。驱