电路设计单片机控制

1、关键字：电机      本文阐述了步进电机的工作原理以及单片机控制步进电机的特点。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。     步进电机可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。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。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、动作灵敏、开回路控制不必依赖传感器定位、中低速

2、时具备高转矩、高信赖性、小型、高功率等特征，使其具有广泛的应用。    一、步进电机的工作原理     步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。控制步进

3、电机的速度，即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。同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。    二、设计方案    本设计采用51单片机AT89C51（晶振频率为12MHZ）对四相六线制步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压12V）进行控制。通过I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片ULN2003驱动步进电机。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003 的每

4、一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。通过ULN2003构成步进电机的驱动电路，电路图如图1所示。51的25-28口接ULN2003的1-4输入端。另外，用键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为2位单个数码管的显示驱动。74LS164带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源。其电路图如图2所示。通过51的TXD和RXD

5、口对CLK和DATA发送数据。图1 51单片机控制步进电机线路图图2 显示电路图    三、预期目标    将图1图2连接起来，使之实现：按下启动键，电机旋转，按下加1键，速度增加，按下减1键，速度降低，最高速度为100转/分，最低速度为25转/分，按下停止键，电机停转。速度值在数码管上显示出来。    综合以上选取的方案，总的流程如图3所示。图3 系统电路流程图    结束语    设计的步进电机基本能实现预期目标，经过调试和修改，但还是存在问

6、题，比如按开关的时候会出现不稳定情况，转速有时比较乱，显示有时也有些不理想，后面的工作就是在软件和硬件等方面进行修改，以完全达到预期目标。单片机与TA8435的步进电机细分控制 2006-11-23 13:52:01   作者：关学忠 胡松   来源：单片机及嵌入式系统应用关键字：数字脉冲转速周期1 步进电机 步进电动机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转变为角位移,即给一个脉冲,步进电机就转一个角度,因此非常合适单片机控制,在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,电机则转过一

7、个步距角,同时步进电机只有周期性的无累积误差,精度高。 步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,当它转一圈后,没有累计误差,具有良好的跟随性。 2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既简单、廉价,又非常可靠,同时,它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3）步进电动机的动态响应快,易于启停、正反转及变速。 4）速度可在相当宽的范围内平稳调整,低速下仍能获得较大转距,因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行,不能直接使用交流电源和直流电源。 6）步进电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

8、应措施。 步进电机具有和机械结构简单的优点,图1是四相六线制步进电机原理图,这类步进电机既可作为四相电机使用,也可以做为两相电机使用,使用灵活,因此应用广泛。 步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8度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1.8度,旋转一周,则需要200个脉冲,在半步方式下,步进电机每接收一个脉冲,旋转0.9度,旋转一周,则需要400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,以上述四相六线制步进电机为例,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

9、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。 实现细分方式有多种方法,最常用的是脉宽调制式斩波驱动方式,大多数专用的步进电机驱动芯片都采用这种驱动方式,TA8435就是其中一种芯片。 2 基于TA8435H芯片的步进电机细分方式 2.1 TA8435芯片特点 TA8435是东芝公司生产的单片正弦细分二相

10、步进电机驱动专用芯片,该芯片具有以下特点： 1）工作电压范围宽（1040V）; 2）输出电流可达1.5A（平均）和2.5A（峰值）; 3）具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择; 4）采用脉宽调试式斩波驱动方式; 5）具有正/反转控制功能; 6）带有复位和使能引脚; 7）可选择使用单时钟输入或双时钟输入。 从图2中可以看出,TA8435主要由1个解码器,2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器等功能模块组成。 2.2 TA8435细分工作原理 在图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

11、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

12、1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,只有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。 2.3 步进电机的应用 图4是单片机与TA8435相连控制步进电机的原理图,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/C

13、WW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：IOVref/Rnf。图4中,设REFIN1,选用步进电机额定电流为0.4A,R1,R2选用1.6欧姆、2W的大功率电阻,O、C两线不接。步进电机按二相双极性使用,四相按二相使用时可以提高步进电机的输出转矩,D1D4快恢复二极管用来泄放绕组电流。 以下是利用TA8435控制步进电机的程序,实现采用1/8细分方式控制步进电机的顺时钟方向转动的功能,利用定时器1向TA8435输出脉冲,用来控制步进电机转速。 3 结论 本文介绍了步进电机的特点和TA8435芯片工作原理,使用细分方式可以提高步进电机的控制精度,降低步进电机的振动