如何自制步进电机控制器

步进电机的运行需要有步进电机驱动器和步进电机控制器的配合。

步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行*。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(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速和定位的目的。

而步进电机控制器是采用电脉冲的执行*,其产生的电脉冲的时序和数量需要由步进电机的控制功能决定,应该是用户可设置的。

所有步进电机的控制器的主要功能是,电脉冲信号的产生,电脉冲信号的时序和数量的控制,而且应该提供接口供用户设置。

电脉冲的产生不是由振荡电路产生,而应该是由MCU的PWM功能产生,通过设置PWM模块的寄储器,让MCU产生满足频率和占空比要求的信号,并经过晶体管放大,接入步进电机驱动器,并最终控制步进电机产生角位移。

MCU除了控制PWM的频率和占空比,还需要在PWM的时钟中断中,对每一个脉冲进行计数,确保准确输出用户设定的步数。

在启动和停止时,还需要配合定时器,能过定时增加或者降低频率实现步进电机的软启停。

如果是多轴的步进电机控制,还要实现圆补和插补等数学算法,一般的MCU无法胜任。

综上,步进电机控制器电路比较简单,有一个还PWM功能的MCU的最小系统(电源+芯片+晶振+复位),在PWM的输出口通过晶体管将控制信号放大并隔离...

主要的工作在于软件设计,MCU的资源使用,程序的调度,特别是主程序和中断程序的调试都是非常考验技术水平的。

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电源步进电机驱动器。在微电子技术,特别计算机技术发展以前,控制器脉冲信号发生器完全由硬件实现,控制系统采用单独的元件或者集成电路组成控制回路,不仅调试安装复杂,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改变控制方案就一定要重新设计电路。这就使得需要针对不同的电机开发不同的驱动器,开发难度和开发成本都很高,控制难度较大,限制了步进电机的推广。

由于步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置,具有很好的数据控制特性,因此,计

步进电机的控制器,不是驱动器,采用单片机制作。

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步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机,是较早使用的典型机电一体化元件组件 例如,在机械装置中可以用丝杠把角度变成直线位移,也可以用步进电机带动螺旋电位器,调节电压或电流,从而实现对执行*的控制。步进电机可以直接接收数字信号,不必进行数模转换,使用起来非常方便,在阀门控制、数控机床、绘图仪、打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电机、步进电机驱动器构成了步进电机系统不可分割的两大部分。本文介绍一种实用的三相反应式步进电机驱动电路的设计。

1 应用器件简介

1.1 PMM8713芯片

PMM8713是由日本Sanyo(三洋)电机公司生产的步进电机控制用脉冲分配器(又称逻辑转换器),为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制,又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相3种方式,通过电路设计可任选其中的一种激励方式。此外,PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式,带有正反转控制功能以及初始化复位功能,其内部有时钟选通、激励方式控制、可逆环形计数、激励方式判断等电路。

因为PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路,因此抗干扰能力强。输出电流大于20 mA,可直接驱动微型步进电机。逻辑框图如图1所示。

1.2 LM331芯片

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压(F/V)转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片,其逻辑框图如图2所示。

LM331内部有输入比较电路、定时比较电路、R-S触发电路、复零晶体管、输出驱动管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护电路等。输出管采用集电极开路形式,因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外。LM331可采用单/双电源供电,电压范围为4~40 V,输出也高达40 V。

1.3 电压-频率变换

LM331外接电路简单,只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压/频率(V/F)或频率/电压(F/V)变换电路。本文选用LM331的电压/频率(V/F)转换功能.结构如图3所示。

外接阻容Rt、Ct和内部电路构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入正电压 时,Vi+大于Vi-,输入比较器输出高电平,R-S触发器置位,输出高电平使输出驱动管导通,从而第3脚f0输出逻辑低电平。同时,电流源IR对电容CL充电。由于复零晶体管的基极接在R-S触发器的反相输出端,因此,复零晶体管截止,电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当Uct大于2/3 Vcc时,定时比较器输入端(第5脚)为正,因而输出逻辑高电平至R-S触发器的复位端,使R-S触发器复位。R-S触发器正相输出端输出低电平使输出驱动管截止,Vdd通过上拉电阻R0使LM331第3脚f0输出逻辑高电平。此时,R-S触发器反相输出端输出高电平使复零晶体管导通,电容Ct通过复零晶体管对地放电。电流开关打向左边,电容CL通过电阻RL对地放电。当电容CL放电电压等于输入比较器的正输入端电压Vi时,输入比较器再次输出高电平,使R-S触发器置位,输出驱动管导通,f0输出逻辑低电平。如此反复循环,从而在f0端输出一定频率的脉冲信号。根据电容上电荷平衡原理和相关电学知识,设电容的充电时间为t1,放电时间为t2。由C=Q/U, I=Q/t,Q放=Q充,可以得至I放t2=I充t1→t2UL/RL=(IR-UL/RL)t1→(t1+t2)= (IRt1RL)/UL;又f=1/T,这里T=t1+t2,所以:

f0=1/(t1+t2)=UL/(IRt1RL)

UL为电容C 两端的电压,因为UL在大约10 mV的范围内波动,因此,UL=Vi,故:

f0=Vi/(IRt1RL) (1)

从(1)式可以看出,LM331的输出频率. f0与输入电压Vi成正比,从而实现了输入电压和输出频率的变换。t1由外接的定时元件Rt和Ct决定,其关系为t1=1.1RtCt,这样可以依据设计电路的要求相应地选取Rt和Ct的值。 由内部精密电流源提供.IR=1.9 V/Rs。式(1)可变为

f0= ViRs/(2.09RLRtCt) (2)

输入电阻Ri使7脚偏流抵消6脚偏流的影响,从而减小了频率偏差。Rs为可调电阻,它的作用是调整LM331的增益偏差。Ci为滤波电容,一般为0.01~0.1 uF,在滤波效果较好的情况下,可使用1uF的电容。当6脚和7脚的RC时间常数匹配时,输入电压的阶跃变化将引起输出频率的阶跃变化。为了提高精度和稳定度,阻容元件选用低温度系数的器件。

2 驱动器电路设计

驱动电路如图4所示。外接电阻Rt和电容Ct 、内部定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于Vi-输入端的电压时,f0输出逻辑低电平。同时,电流源IR对电容CL充电。电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端的充电电压大于Vcc的2/3时,输出端,f0输出逻辑高电平。f0信号输出至PMM8713 芯片的时钟端,该频率经PMM8713处理后,在A、B、C脚输出一定频率的驱动信号来控制功率三极管的导通时间,从而控制步进电机的转速。

方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。当Vdi大于基准电压VH时,U3A输出为正,接至PMM8713的第4脚,控制输出端输出正相脉冲序列。当Vdi小于基准电压VH时,输出端为负,接至PMM8713的第4脚,控制输出端输出负相脉冲序列,相应相驱动输出端输出正反向脉冲序列,从而控制步进电机的正反转。

由LM331给出的输入指令是输入时钟f0和方向指令DIR,这2个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713的相驱动输出端(PIN10~PIN13)的驱动电流达20 mA以上,能直接驱动微型步进电机。R1、C1为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内R端为低电平,从而A~D端自动复位至初始状态。如果外接的步进电机功率较大,PMM8713输出驱动端驱动能力不够,此时应设计功率放大驱动电路,然后再驱动步进电机。PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极(或栅极)驱动信号。步进电机驱动方式按相绕组流过的电流是单向或双向可分为单极性和双极性驱动,通常,三相步进电饥采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析,又有电压驱动和电流驱动之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻,一方面减小了绕组回路的时间常数,同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。

利用上述原理设计了一个自动闸阀控制器,闸阀的上下位置采用限位开关控制,利用相应的电路使限位开关的动作改变图5所示LM348比较电压输入端电压的大小,从而控制步进电机运转还是停转。其工作原理;LM348的同相输入端为基准电压端,其反向输入端为比较电压输入端,当比较电压输入端的电压小于基准电压时,LM348的1引脚上输出高电平,使BD237导通,从而使步进电机能够实现正转或反转;当比较电压输入端的电压高于基准电压时,在LM348的1引脚上输出低电平,BD237截止,步进电机停转。

3 结语

本设计为步进电机驱动器的主体设计部分,结构简单、成本低、性能稳定。采用该系统设计的三相反应式步进电机驱动器驱动55BF004型三相反应式步进电机。已成功地应用于自动闸阀控制系统中,运行效果良好。

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你知道什么是步进电机么??

步进电机的定义是:将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

所以让步进电机转一定要有电脉冲信号,而控制器和PLC就是给出这个电脉冲信号使电机转的。最简单的也得有个一个脉冲电路呀,只是电源的话,根本没有脉冲呀,又怎么能拿转。话说回来,就算用一个简单的脉冲电路,那也算是控制器了,只不多是自制的简单的控制器呗。

还有就是告诉你可以直接运转的人呢,他既然告诉你行了,他就一定知道怎么能直接运转,你问他就行了,他要是说不知道或没让电机转的话你就揍他吧。

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