本 科 毕 业 设 计
1 引言
第 1 页 共 45 页
传统的驱动电路存在许多不足之处，如低频振荡、易发热等缺点、噪声大、步距角较大、分辨率低等，往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制，这些缺点严重制约着步进电机的应用范围。步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构。其主要优点是有较高的定位精度，无位置累积误差；特有的开环运行机制，与闭环控制系统相比降低了系统成本，提高了可靠性，在数控领域得到了广泛的应用。但是，步进电机在低速运行时的振动、噪声大，在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振，且输出转矩随着步进电机的转速升高而下降，这些缺点限制了步进电机的应用范围。步进电机的性能在很大程度上取决于所用的驱动器，改善驱动器的性能，可以显著地提高步进电机的性能，因此研制高性能的步进电机驱动器是一项普遍关注的课题。
1.1 课题研究目的和背景
随着机床工业的发展，步进电机受到越来越广泛的应用。步进电机和普通电机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制[1]。步进电动机可以在比较大的范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电机最突出的优点[2-3]。
随着近年来各种单片机的迅速发展和普及，利用单片机与集成电路控制步进电机驱动电源不仅灵活、方便、便于实现，并且具有编程容易、结构简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强等优点，因此可在控制和测量领域中得到广泛应用。现在单片机发展方向是功能越来越强大，内部有PWM口，速度更快，同时越来越多的电机控制专用芯片使单片机的负担减小，因此，单片机必定会成为一种电机驱动电源的主流控制器。工业技术的发展和电机相关产业的进步，电机驱动器的要求在不断提高。现在驱动器不仅要求稳定性好，还要便于实现。另外，经济型数控机床的普及发展趋势，也要求电机驱动器具备更高的可靠性。
1.2 步进电机驱动技术的发展历史和研究现状
1.2.1 步进电机驱动技术发展
传统的驱动电路存在许多不足之处，如低频振荡、易发热等缺点、噪声大、步距角较大、分辨率低等，往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制，这些缺点严重制约着步进电机的应用范围。
步进电机驱动技术的发展与伺服系统的发展密切相关。目前，世界上的伺服系统可
本 科 毕 业 设 计
第 2 页 共 45 页
归为步进电机系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服系统。交流伺服电机系统由于没有电刷磨损和换向火花，维护简单，可靠性高，高速性优越，在二十世纪八十年代开始应用至今，显示出强大的生命力，但其伺服系统复杂，价格较贵。直流伺服电机系统的性能较好，但制造和维护成本较高，目前已有被交流伺服取代的趋势。 1.2.2 国外驱动器发展概况
对步进电机的控制，国外主要采用步进电机及相应的细分驱动器，很多半导体公司早已将单片机用于电机的控制。国外对步进电机驱动技术的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机的性能，比较典型的芯片有两类。一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。例如日本的PPMC101B便是这种芯片。采用这类专用集成电路，可驱动3~5相电机，可选择励磁方式；转速精确，设定的转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定；此外还有单步运转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术，例如日本东芝公司的TA7774H二相步进电机细分控制芯片，其内部集成了PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分控制功能[4]。TA8435H是东芝公司推出的一款步进电机专用驱动芯片。采用TA8435H构成步进电机驱动器，利用AT89C2051输出步进脉冲的设计方案具有占用CPU时间短、编程容易、结构简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强等优点，因此可在控制和测量领域中得到广泛应用[5]。目前由于集成芯片受到耐压、电流容量的限制，一般只能用于小功率步进电机的驱动[6]。 1.2.3 国内驱动器概况
步进电机系统由于发展较早，电机成本低、可靠性好、结构简单、驱动电源的成本不高，因而具有良好的市场竞争力，国内出现的经济型数控机床及其高档产品绝大多数使用步进电机系统作为伺服结构[7-8]。
常州宝来电器有限公司生产的BL系列步进电机驱动器为模块式。产品采用恒流斩波，脉宽调制驱动方式，使用电压范围宽，电流可调，具有低噪音，高可靠性等特点[9]。 1.2.4 步进电机驱动软件的发展状况
在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。随着单片机的迅速普及，基于软件为核心的通用环形分配器得到了广泛的应用[10]，此类环形分配器仅需更换不同
本 科 毕 业 设 计
第 3 页 共 45 页
的软件即可适应各种电机，无需变更硬件，具有极大的灵活性。此外，在步进电机的速度控制中，我们寻求的最佳升降速曲线是根据步进电机的动力学特性及矩频特性得到的，在数学上这种曲线方程是比较复杂的，人们很难找到一种硬件电路来模拟它，只能在一定频段内做一种比较大的近似来拟合[11]。现在我们可以通过软件编程来精确的模拟升降速曲线，并且结合当前微型计算机的强大计算功能可实现步进电机的最优化控制
[12]
。
本文介绍基于TA8435H芯片的步进电机驱动器的设计，采用AT89C2051单片机编
程监控步进电机脉冲。该驱动器可以用于各种加工机械，物料传输，激光雕刻机等各种需要运动机械的机械。本次设计驱动器可以驱动1A 以下的步进电机，适合各种中小型步进电机的驱动。
本 科 毕 业 设 计
2 系统总体方案
2.1系统总体规划
第 4 页 共 45 页
步进电机控制系统从整体上由主机、信号转换、微控制器、驱动电路和步进电机构成。在控制过程中，由主机发出控制命令，通过和下位微控制器通信，按照主机的命令产生脉冲控制信号，驱动步进电机进行运转。按照主机发出的命令不同，步进电机可以分别作正转、反转、慢速运转、快速运转和停止等动作，还可以按照上位机命令循环执行一个系列的动作。单片机输出的信号功率一般比较小，不能直接驱动步进电机，这就需要驱动电路来完成功率放大，使控制脉冲信号满足驱动步进电机的要求。典型的步进电机驱动控制系统主要由三部分组成：控制器、驱动器和步进电机。因为步进电机的控制是通过脉冲信号来控制的，将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。所以怎样产生这个脉冲信号和产生怎样的信号是电机控制的关键。根据题目要求，此设计主要采用以下基本模块来实现，脉冲信号产生模块，脉冲信号分配模，功放大模块，设计方框图如图1.2.1所示。
脉 冲 信号 信号分配 信号放大 步进电机
图2.1 总体设计方框图
其中脉冲信号产生模块用于产生步进电机工作所需要的脉冲信号，信号分配模块用于将信号产生模块所发出的环形脉冲进行分配，信号放大模块用于将经分配后的脉冲信号进行放大，以便于能驱动步进电机。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1.2.4所示。
单片机 TA8435H 步进电机
图2.2 设计方案图
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。TA8435H跟用L298N
本 科 毕 业 设 计
格更加便宜。
第 5 页 共 45 页
比较：调试简单，最大1/8细分，低速运行震动噪音小；不但简化了电路而且该芯片价
3 单片机及外围器件介绍