步进电机驱动电路十篇

步进电机驱动电路篇1

专用步进电机集成驱动模块DRV8811由需求分析可知，设计两相步进电机驱动电路，采用恒流驱动方式，相驱动电流0.4～3A，且可调节。目前常用的专用集成步进电机驱动芯片TA8435由于其峰值电流只能达到2.5A，故不能满足相应的设计需求。在本文中，采用了德州仪器（TI）的高性能专用集成步进电机驱动芯片DRV8811设计步进电机的驱动电路。该芯片可以十分方便的为扫描器、打印机及其他一些自动化设备的运动执行单元—步进电机提供集成驱动方案，并且设计电路及其简单易行。

DRV8811步进电机专用集成驱动芯片，内部集成了两路H桥驱动电路，适用于两相步进电机的驱动，支持8V～38V输入电压，最宽温度范围为－60°～150°，输出电流峰值可达6A，完全满足设计的需求。DRV8811步进电路驱动电路设计在详细设计驱动电路之前，需要首先了解DRV8811的内部结构图，在此基础上才能完善设计。

电流检测—恒流斩波参数选择设计DRV8811的内部恒流斩波PWM模块中，采样电阻的输入经过了一个8倍的放大器。故参与比较的电压为采样电压的8倍。设步进电机定子绕组上的电流为CHOPI，ISENA和ISENB引脚外接的电阻阻值均为ISENR。第8引脚VREF外接电压为REFV，则当斩波电路实现恒流输出时，应用如下关系式。RCA和RCB两个引脚外接的电阻和电容决定了恒流斩波电路的PWM的脉冲周期，设该引脚外接的并联的电阻值为R，电容值为C，则PWM恒流斩波的周期为因此可以通过合理设置电阻R，电容C的值来设置PWM恒流斩波的周期。细分电路设计DRV8811集成步进电机驱动芯片可以十分方便的用来配置步进电机的细分方式。与细分方式相关的引脚为USM0，USM1——12，13。本设计中采用拨码开关硬件配置细分方式。

方向控制设计DRV8811有一个步进电机运行方向控制引脚DIR—3，该引脚电平状态不一样时对应的步进电机的旋转方向相反。根据需求分析可知，在设计时步进电机的运行方向可调，故本设计使用了一个切换开关来对步进电机的旋转方向进行切换。初始默认状态为顺时针旋转。同时增加了方向指示灯。步进电机启停切换及状态显示电路设计DRV8811有一个步进电机启停控制引脚RESETn—17，该引脚为低电平时，复位DRV8811，步进电机停止旋转；该引脚为高电平时，启动DRV8811，步进电机开始旋转。在电机运行时，用LED状态灯显示其运行状态。

脉冲信号输入电路DRV8811有一个步进电机电脉冲输入引脚Step—19，该引脚接控制器的脉冲输出。本设计中，需要调节主控制器的输出脉冲频率从100Hz～1000Hz可调，因此设计了4个输入按钮，分别用于输入脉冲频率的个位、十位、百位和千位。控制器的检测信号为s1—s4，按钮没有动作时，输入信号通过上来电阻被拉到高电平，当按钮有动作时，检测到输入变为低电平，从而对应相应的动作。每次按钮动作，对应的位加1，程序设计最高显示至1000。DRV8811主电路设计步进电机驱动器芯片DRV8811的电路设计中RCA和RCB的外接并联电阻和电容值的乘积为恒流斩波电路的PWM输出脉冲频率。可调电阻R即用来设定步进电机定子绕组上的电流，从而达到了设计需求中的电流可调的要求，另一个作用是作为电流检测电路的采样电阻，用来实现步进电机定子绕组的恒流。驱动总电路设计结合以上分析，控制采用AT89S52。

二、总结与展望

总结本文所做的主要研究工作和取得的成果总结如下：（1）在阐述了步进电机的概况基础上，结合课题的需求，提出了开发某型扫描器的步进电机的驱动电路的项目设计目标；（2）根据需求分析，完成了采用专用集成步进电机驱动芯片来完成步进电机驱动电路的设计，采用专用集成步进电机驱动芯片设计步进电机驱动电路更简单易行。

三、展望

步进电机驱动电路篇2

关键词：步进电机；驱动技术；发展

步进电动机系统是由步进电动机及其驱动控制电路构成的。近20年来，电力电子技术、微电子技术和微处理器技术的飞速发展，极大地推动了步进电动机驱动控制技术的进步，并使之在不断完善中趋于成熟。步进电动机驱动控制技术的发展，在使得步进电动机系统获得更加广泛应用的同时，也使得步进电动机与其驱动电路装置日益成为不可分割的一个整体。步进电动机驱动电路的合理设计与改进，需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时，步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能，同一台电动机配以不同类型的驱动电路，其性能会有较大差异。抛开驱动电路来谈步进电动机的性能是不完全的。

步进电机又称脉冲电机，是数字控制系统中的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号转换为相应的角位移或直线位移，且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系。步进电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或线位移的开环控制元件，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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。

以二相步进电机为例，如下表所示，驱动方式为二相四拍方式各线圈通电顺序：

电机正反转控制和速度控制：

当电机绕组通电时序为AB-BA′-A′B′-B′A-AB时为正转，通电时序为AB-B′A-A′B′-BA′-AB时为反转。步进电机的驱动电路，微电脑向步进电机输入端传送1或0信息，则可实现上述操作。通过不同长度的延时来得到不同频率的步进电机输入脉冲，从而得到多种步进速度，也就是改变电机的转动速度。

步进电机由于其本身特点，在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。因此，广泛地应用在众多的领域中并得以不断地发展。虽然步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分的组成步进电机系统。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机网络通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展，国内围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。

在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器，就是由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，不同类型的电机、不同的工作方式就需要有不同的环形分配器，如果更换了电机类型或改变工作模式，则整个硬件电路需要重新设计。国外对步进电机的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制和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，明显提高了整机得性能。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，同时完成正反转等。对于开环适用的步进电机，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。

随着以MCS-51系列为代表的单片机的迅速普及，此类环形分配器仅需要更换不同的软件即可适应各种电机，而无需变更硬件，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大的近似来拟合。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。几十年来，步进电动机的驱动控制技术在不断解决问题、不断提高性能的过程中日益发展。步进电动机开环驱动控制技术已经取得了长足的进步，并在不断完善中趋于成熟。步进电动机闭环伺服驱动控制技术的研究仍在继续，并已经显现出了其优越性。步进电动机驱动控技术的发展，使步进电动机系统存在的失步、震荡、驱动电流过大（效率不高）等问题得到了不同程度的改善或克服，但步进电动机固有的功率密度低的问题依然存在。驱动电路与控制技术的发展，使得利用少极对数电机模拟传统多极对数步进电机的运行特点成为可能。随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得到应用，其驱动系统必将随之发展，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机驱动器下一个阶段的发展趋势。

参考文献：

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［2］王宗培，孙宝奎.论步进电动机产品的格局［J］.电工技术学报，1999，14（4）：5-9.

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［4］高钟毓.机电控制工程［M］.2版.北京：清华大学出版社，2002.

［5］周明安，朱光忠，宋晓华，等.步进电机驱动技术发展及现状［N］.浙江工业大学出版.

［6］沈红卫.智能型环形脉冲分配器的设计［J］.制造技术与机床，1997，（8）：21-43.

步进电机驱动电路篇3

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构、主要优点是定位精度高、无位置累积误差。并且与闭环控制系统相比，其特有的开环运行机制能够降低系统的成本、提高系统的可靠性，因此被广泛应用于对精度要求较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪和机械阀门控制器等。目前，能够对步进电机进行控制的主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器和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、可靠性较低：软件环形分配器运行速度低：专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但适应性差、开发周期长、费用较高。

德国西门子公司的s7―200是一种小型的可编程序控制器，其功能强大，无论在独立运行中还是相连成网络，皆能实现复杂控制功能，具有极高的性价比。本文利用s7，200作为核心控制器件，凭借其产生的脉冲和实时定位系统来实现步进电机的控制。该控制器不但可以改善步进电机在低速运行时振动大、噪声大的缺点，而且可以克服步进电机在自然振荡频率附近运行时易产生共振、以及输出转矩随着步进电机的转速升高而下降等缺点，从而能够显著地提高步进电机的性能，拓宽步进电机的应用领域。

步进电机控制

步进电机是数字控制电机，它区别于其他类型的控制电机的最大特点是：通过输入脉冲信号来进行控制，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。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，便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”)。其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，从而达到调速的目的。步进电机可分为反应式步进电机(vR)、永磁式步进电机(PM)和混合式步进电机(HB)。

步进电机的驱动电路根据控制信号进行工作，控制信号由相应的控制器来产生，控制换相顺序和通电换相。这一过程称为“脉冲分配”。例如：四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B，C―D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断，控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。步进电机接收到一个控制脉冲，便转一步：再接收到一个脉冲，再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机转得越快。调整控制器发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

控制系统完成的功能

步进电机的平稳起动、加速、减速和平稳停止

这是控制系统首先要实现的功能。s7－200中，支持高速输出口PT00／PT01的线性加／减速，通过MicroWin向导程序，非常容易实现。宴际上，以目前的情况，线性加／减速只能使用向导生成的程序，西门子没有公开独立可使用的指令。

定位控制功能

定位控制、调节和控制操作之间存在一些区别。步进电机不需要连续的位置控制，而在控制操作中得到广泛应用。借助于CPU214所产生的集成脉冲输出和定位指令系统，确定相对一根轴的固定参考点，借助于一个输入字节的对偶码(Dual coding)给CPU指定定位角度、在程序中根据该码计算出所需的定位步数，再由CPU输出相关个数的控制脉冲，通过步进电机来实现相对的定位控制。

额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方法的功能实现

步进电机的驱动方式有多种，如恒电压、恒电流等多种形式。而这些方式都存在一定的缺陷，特别是在低速运行时的振动大、噪声大和在步进电机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等缺点。为了改变上述缺陷，本文采用了额定电流可调等角度恒力矩细分驱动方案。该方案最主要的优点是：步距角变小，分辨率高，提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。一般细分驱动只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只是旋转步距角的一部分，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，如图1所示。

其合成的矢量幅值是不断变化的，输出力矩也跟着不断变化，从而会引起滞后角的不断变化。当细分数很大、微步距角非常小时，滞后角变化的差值已大于所要求细分的微步距角，使得细分失去了意义。据此分析，采用建立数学关系同时改变两相电流，以某一数学关系同时变化，保证变化过程中合成矢量幅值始终不变。建立一种“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法，以消除力距不断变化引起滞后角的问题。这种合成矢量幅值保持不变的数学模型为：当I=Icosx，I=si时(式中Im为电流额定值，I为实际的相电流，x由细分数决定)，其合成矢量始终为圆的半径，即恒力距；等角度是指合成的力臂每次旋转的角度一样：额定电流可调是指可满足各种系列电机的要求：细分为对额定电流的细分(如图2a和2b所示)。控制器设计　通常情况下，步进电机驱动系统由控制电路、驱动电路和步进电机三部分构成，如图3a所示。图3b为步进电机驱动控制电路的硬件连接框图。

图中Ii.0、Ii.1和11.5为输入控制信号端：CL0.0和Q0.1为两路高速脉冲，分别负责驱动电机开启定位和停止控制。

控制电路

控制电路用于产生脉冲，以控制电机的速度和转向。本设计中采用SIMATIC$7-200 CPU-214 PLC L6j作为控制核心部件。s7－200PLC的CPU214有两个脉冲输出，可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲，实现控制要求。S7-200CPU含有高速脉冲输出功能，CPU脉冲输出频率达ZOKHz-100KHz，可以用来驱动步进电机或伺服电机，并由电机直接驱动负载主轴旋转，完成控制工艺所要求的动作。

驱动电路

驱动电路由脉冲信号分配和功率细分驱动电路组成。根据控制器输入的脉冲和方向信号，为步进电机各绕组提供正确的通电顺序，以及电机需要的高电压、大电流：同时提供各种保护措施，如过流、过热等保护。功率驱动器将控制脉冲按照设定的模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应同频率的步序列。如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作连续的转动。

步进电机

控制信号经驱动器放大后驱动步进电机，带动负载。用s7-200PLC Q0.0和Q0.1的输出脉冲触发 步进电机驱动器。当输入端Ii.0发出“START”信号后，控制器将输出固定数目的方波脉冲，使步进电机按对应的步数转动：当输入端I1.1发出“STOP”信号后，步进电机停止转动：接在输入端11.5的方向开关位置决定电机正转或反转。本设计采用带有标准功率驱动器和相关连接电缆的步进电机。

各组成模块的选择和功能

由于“额定电流可调的等角度恒力矩细分”驱动方法的宴质是恒流控制，其关键是电流的精确控制，本设计在器件选择是同时兼顾以下各个条件：D／A转换器输出的电流值与期望值相当接近，而且转换速度要快；SPI口通信，频率高达sO MHz，建立时间快，同时单电压供电，连接简单：检测到的电流可正确地反映此时的相电流，采用的检测方法为霍尔传感器，该方法检测准确、干扰小、连接也较简单：比较器分辨率高、转换速度快：控制功率管开关的逻辑电路有很高的实时性，保证相电流在设定电流上下做很小的波动，避免了引起浪涌而干扰控制电路。

$7-200根据收到的脉冲信号进行脉冲信号分配，确定各相通电顺序，并与电流检测模块里的D触发器相连。同时根据用户设定的电流值和细分数通过SPIH与A／D转换器通信，得到设定的电流值(实际上是电流对应的电压值)。

A／D转换器输出的值为期望的电流对应的电压值，它必须与从功率模块检测得到的电流对应的电压值进行比较，并把比较结果与电流检测模块里面的D触发器相连。

电流检测模块主要由D触发器进行逻辑控制。该模块与电流、细分设定的拨码开关相连，把得到的值通过SPI口传给单片机。以D触发器为核心的控制逻辑，根据单片机的各相通电顺序和比较器的比较结果确定各功率管的开关。功率驱动模块直接与电机相连，驱动电机。可采用8个MOS管IRF740构成2个H桥双极型驱动电路。

软件设计

在程序的编制中，为使步进电机换向时平滑过渡，避免产生错步，应在每一步中设置标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值：在反转时也需做如此处理。这样，当步进电机换向时、以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。步进电机控制系统的软件主要由主控程序、细分驱动程序、键处理程序、显示数据处理及显示驱动程序、通信监控程序等部分组成。细分驱动主控制程序控制整个程序的流程，主要完成程序的初始化、参考点的设置和取消、定位控制和电机的停止／启动等。初始化。在程序的第一个扫描周期，初始化重要参数。选择旋转方向和解除联锁。

设置和取消参考点。如果还没有确定参考点，那么参考点曲线应从按“START”按钮(11.0)开始。CPU有可能输出最大数量的控制脉冲。在所需的参考点，按“设置／取消参考点”开关后，首先调用停止电机的子程序。然后，再把新的操作模式“定位控制激活”显示在输出端Q1.0。如果开关已激活，而且“定位控制”也被激活，则切换到“参考点曲线”，并取消“定位控制激活”(Q1.0=0)。此外，控制还为输出最大数量的控制脉冲做准备。当再次激活开关、便在两个模式之间切换。如果此信号产生的同时电机在运转，那么电机就自动停止。　定位控制。如果确定了一个参考点，而且没有联锁，那么就执行相对的定位控制，控制器从输入字节读出对偶码方式的定位角度。与此角度有关的脉冲数，根据下面的公式计算(式中N表示控制脉冲数，表示旋转角度，s表示每转所需的步数)。

停止电机。按“STOP”(停止)按扭(11.1)，控制端Q0.0输出结束脉冲，可在任何时候停止电机。

步进电机驱动电路篇4

关键词：全向移动；永磁同步；动力学仿真；驱动配置

中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：

传统移动平台按照移动方式一般分为轮式移动平台、导轨式移动平台、履带式移动平台。轮式移动平台的移动机构主要由驱动轮（两轮或四轮）和转向轮组成，驱动轮用来给平台的移动提供动力，转向轮控制平台的移动方向，根据平台轮距及轴距，平台具有不同的转弯半径。运动比较灵活，但是在工作时转弯半径大，因此要求具有较大的空间，使用场合受限。

导轨式移动平台的移动机构是由驱动轮和支撑轮组成，驱动轮给平台移动提供动力，支撑轮支撑整个平台，并随驱动轮的转动而转动，驱动轮和支撑轮都在预先铺设的轨道上转动，平台的移动方向由轨道决定。由于受到所铺设的导轨的限制，只能按照固定的路线移动，仅适用工作路线相对固定的场合。

履带式移动平台的移动机构由主动轮驱动、负重轮、诱导轮、托带轮、履带组成，履带由主动轮驱动。履带式移动平台转向靠两条履带的不同速度来实现，履带与地面的接触面有较大的滑动摩擦，对履带的磨损非常严重。同时传动效率不高。

本文提出的永磁同步电动平台采用三相永磁同步电机作为驱动源对每个车轮进行驱动，并配套变频调速矢量控制器精确控制每台电机的旋转方向和转速，可以实现平面内的任意移动轨迹。此移动平台系统具有很高的灵活性，工作空间要求大大降低，非常适合工厂、港口等空间狭小而复杂的环境。

1全方位移动永磁电动平台系统的结构原理

全方位移动永磁同步电动平台系统的基本结构可分为3个子系统：即主能源子系统、电子驱动子系统和主控制子系统。其中，主能源子系统由充电器、主能源电池和能量管理系统构成，充电器通过充电接口向主能源电池充电，在平台运动时，电池经功率变换器向电机供电；主控制子系统则通过中央控制器从X-Y方向控制台和转向系统控制台接收预动作信号并传递给电子驱动子系统；电子驱动子系统是平台的核心单元，由电机驱动控制器、永磁电机、减速器和麦克纳姆轮组成，电机控制器控制电机的旋转方向及转速，电机的输出经过减速器、支撑轴承座后传递给麦克纳姆轮。全方位移动永磁电动平台系统由四个麦克纳姆轮组成，故分别由四个永磁同步电机驱动。

电机驱动控制器实时精确控制相应永磁同步电机的工作状态，其工作原理是：每台电机上都装有位置传感器，位置传感器信号传给电机控制器，经控制器运算得出当前电机的转子位置，从而可以精确控制每台电机的转速。同时电机控制器与控制杆连接，控制杆的位置信号传递给电机控制器，电机控制器根据控制器杆的位置信号判断平台所需的运动方向，然后控制四台电机以预设定的旋转方向工作，四个电机的旋转速度由与控制器相连接的一个油门控制。

2 全方位移动永磁电动平台系统的驱动配置优化

随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展，以及集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力电子器件的出现，使交流伺服控制更方便、功耗更低、开关时间更短、变频范围更宽、性能更优越[2]。

本平台电机驱动控制器硬件主要由控制电路、电源及驱动电路、IGBT功率模块及吸收电容等部分组成。控制电路中微处理器采集电机运行的位置、电流信号，结合采集的电子油门信号进行处理，输出驱动波形，经电源及驱动电路放大，对IGBT功率模块驱动使其输出三相电流进而驱动电机，完成电机的驱动控制，其硬件结构框图如图1所示。

图1 全方位移动平台电机驱动控制器硬件结构框图

系统的控制采用矢量控制算法[3]。该控制方法对面装式永磁同步电动机达到力矩电流比最大控制，具有相应的优良特性，因此使得电机的调速更容易实现。同时电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，通过控制电机定子电流即可获得与此成线性比例关系的电磁转矩，这样就实现了对永磁同步电机的严格控制。从而，很好地实现全方位移动永磁电动平台的技术要求和应用指标：

1．快速响应操作员对油门操纵的变化，快速准确完成对电机转速的调节。

2．采集与电机控制相关的信号和检测电动汽车运行的相关参数。包括：电机转速，蓄电池组电压，蓄电池组电流，电机端电压，电机电枢电流，电机温度，油门信号，控制杆信号等。

3．能和外部设备进行数据通讯功能，完成相关监测信号的显示。包括：电机转速，蓄电池组电压，蓄电池组电流，电机端电压，电机电枢电流，车速，电机温度等。

4．坚固。在振动条件下，零部件无松脱，工作正常；能在高、低温条件下正常工作；能抗电磁干扰。

5．安全保护。在发生过流、过电压和电机温度超过所设最大值时等情况下，控制器能自动切断主控制回路，并发出报警信号。

4 结论

本文提出的永磁同步电动平台采用三相永磁同步电机作为驱动源对每个车轮进行驱动，并配套变频调速矢量控制器精确控制每台电机的旋转方向和转速，可以实现平面内的任意移动轨迹。对电机驱动硬件进行配置优化，并采用矢量控制算法，对驱动电机进行实时转速控制，响应速度快，系统稳定性强。

参考文献

[1] 张晋西等. 基于SolidWorks与COSMOS Motion的汽车转向及行驶运动仿真[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版)，2010，24(4):13-16

步进电机驱动电路篇5

关键词：AT89S52单片机；步进电动机；控制

引言

步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机由多相方波脉冲驱动，在经功率放大后分别送入步进电动机各相绕组。当向脉冲分配器输入一个脉冲时，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会转过一定的角度（称为步距角）。在非超载的情况下，电动机的转速、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，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电动机只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电动机来控制变得非常简单。

本研究利用AT89S52单片机的四路I/O通道实现环形脉冲的分配，控制步进电动机匀速、连续的按固定方向转动，通过按键控制步进电动机的旋转角度。

1 系统设计

用AT89S52单片机来作为整个步进电动机控制系统的核心部件，其系统设计总框图如图1所示。真个系统包括单片机最小系统、电机驱动模块、独立按键模块等。

图1 系统设计总体框图

1.1 单片机最小系统

单片机最小系统主要负责产生控制步进电动机转动的脉冲，通过单片机的软件编程代替环形脉冲分配器输出控制步进电机的脉冲信号，步进电机转动的角度大小与单片机输出的脉冲数成正比，步进电机转动的速度与输出的脉冲频率成正比，而步进电机转动的方向与输出的脉冲顺序有关。

1.2 电机驱动模块

电机驱动模块负责将单片机发给步进电机的信号功率放大 ，从而驱动电机工作。步进电机驱动方法主要有恒电压驱动方式、恒电流斩波驱动方式、细分驱动和集成电路驱动。设计中采用集成驱动芯片ULN2003A构成整个驱动电路，它是由七对达林顿管组成的，是集电极开路输出的功率反相器，并且每个输出端都有一个连接到共同端（COM）的二极管，为断电后的电机绕组提供一个放电回路，起放电保护作用。因此，ULN2003A 非常适合驱动小功率的步进电机。

单片机的P2.0-P2.3输出的脉冲信号送到ULN2003A的1B-4B 输入端，经ULN2003A 放大和倒相后的输出脉冲信号来驱动步进电机作相应的动作。ULN2003A的 COM 端和步进电机的 COM1、COM2 连接到 VCC。ULN2003A驱动步进电机模块原理图如图2所示。

1.3 按键控制模块

键盘主要用来提供人机接口，电路如图3所示，采用独立式按键电路 ，各按键开关均采用了上拉电阻，保证在按键断开时，各I/O 有确定的高电平。二极管IN4148作为高频信号高速开关，当按下键盘时最大反向恢复时间小，保证在按键断开时，各I/O 有确定的低电平。

1.4 串口通信模块

串口通信模块主要负责计算机与单片机之间的通信，将在计算机里面编好的程序下载到单片机芯片当中，通过RS232串口进行连接，实现计算机与单片机的良好通讯。

2 控制方法

本设计中的步进电动机采用的是2相6线式，其励磁方式为半步励磁（又称1～2相励磁），1相与2相轮流交替导通，每送一励磁信号可走90。若以1相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如表1所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。

表1 正转励磁顺序：AABBBCCCDDDAA

单片机控制电路如图3所示，用两个按键非别控制步进电动机正传和反转，当“正转”（Positive）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按正向励磁顺序AABBBCCCDDDAA输出电脉冲，电动机正转；当“反转”（Negative）键按下时，单片机的P1.3到P1.0口按反向励磁顺序ADADCDCBCBABA输出电脉冲，电动机反转。

3 系统程序设计

系统程序设计为C语言，主要包括脉冲信号发生、键盘的识别处理等。主程序流程图如图4所示。

3 系统仿真

使用Proteus的波形分析功能，可以分析按下一个键以后单片机的驱动信号输出，这里仿真按下正转按钮的波形，分析如图5所示。从波形可以看出，步进电动机的驱动序列为：0010、0110、1100、1000、1001、0001、0011、0010…与设计思想吻合。

4 结束语

基于AT89S52单片机的步进电动机控制模块具有电路简单可靠、控制方便、成本低等有点。实现了可程序设定步进方向、步进角，该设计灵活度高、有较强的编程性。

参考文献

[1]周润景.徐宏伟.丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]胡启明.葛祥磊.Proteus从入门到精通100例[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]陈桂顺.包晔峰.单明东.蒋永锋.基于PIC单片机的步进电机运动控制器[J].电焊机，2011，41（4）53-56.

[4]赵晓光.李建初.基于AT89C52单片机的步进电机控制系统研究[J].高科技产品研发，2013，（3）：80-81.

步进电机驱动电路篇6

【关键词】LPC2114；DMOS LMD18245；智能检测；同步控制

1.引言

随着计算机技术的日益普及，计算机辅助评片系统愈来愈受检测人的青睐。针对胶片的气孔缺陷，做计算机辅助评片，并进行自动分级。为了保证缺陷智能检测中线阵CCD相机对胶片的数字化处理准确无失真，本文设计采用ARM处理器LPC2114为核心，光电编码器接入电路，电机驱动选用LMD18245芯片，驱动步进电机控制扫描机构的运动速度与线阵CCD线频率的匹配，从而确保工业胶片数字化和同步只能检测的准确无误，为未来工业射线检测提供重要保障和技术支持。

2.系统总体设计

本设计采用LPC2114作为集成控制芯片，增量式光电编码器作为采集启动信号，接收到由增量式编码器发出的A、B相信号，再由LPC2114对步进电机驱动器发脉冲信号，利用脉冲计数方式控制电机驱动器，再用电机驱动器带动电机进行加工。增量式编码器在转动时，可连续输出与旋转角度对应的脉冲数，静止状态不输出脉冲。计算其步进电机的转速，利用步进电机细分驱动和PID控制算法调整传动机构的速度，最终实现对步进电机的精确控制，电机同步系统框图如图1所示。

图1 电机同步系统框图

Fig.1 Motor synchronization system block diagram

3.硬件电路设计

步进电机总体控制设计采用两相四线的步进电机，ARM控制器给步进电机驱动器一个脉冲信号和方向信号，并利用驱动电路中的细分功能，经过功率放大和环形分配器，驱使步进电机绕组精确运转，采用细分控制电路，能够降低工作噪音，减少震动，消除步进电机的低频共振，改善步进电机工作的旋转位移分辨率。

3.1 光电编码器

光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法。

设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：

3.2 步进电机驱动及细分电路

驱动电路选用两片LMD18245作为步进电机驱动芯片，用来驱动两相四线步进电机，它与LPC2114主要硬件控制连接图如图2所示：

图2 LMD18245与LPC2114硬件连接图

Fig.2 LMD18245 and LPC2114

hardware connection diagram

步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作，驱动器的作用是对控制脉冲进行功率放大，环形分配，为了更加精确有效的控制步进电机，改善步进电机工作的旋转位移分辨率，步进电机驱动采用细分功能，LMD18245采用TO-220封装，电源电压12V供电，固有步距脚1.8°，电机齿数50W，DIRECTION为方向逻辑输入引脚。逻辑控制功能，BRAKE为急停信号，为D/A转换器的参考电压，设置为5V，M1-M4为D/A转换器的二进制数字输入端，可以改变细分数，此设计采用4细分驱动，因此细分后步距角=电机固有步距角/细分数，其步距角为1.8o/4=0.45o，也就相当于每来一个脉冲走0.45o，当细分等级大于1/4后，电机的定位精度并不能提高，只是电机转动更平稳。通过对步进电机的精确，平稳控制，可以使其和线阵CCD相机的采集频率表相互匹配最终达到精确检测的目的。

4.软件设计

控制系统软件主要由六部分，分别为主控程序，增量式PID速度控制程序，串口收发程序，外部中断程序，位移，速度计算程序，步进电机正反控制程序。设计流程图如图3所示。

图3 同步检测设计系统设计流程图

步进电机上电初始化后，对胶片位移和速度进行测量和计算，并利用增量式PID控制步进电机的移动速度，串口进行对电机方向，目标位置，PID参数的设定，当胶片开始移动后，控制器将对编码器进行计数进行位移计算和速度计算，并调用PID算法：

?PreU=Ka×[（Derror+beta×Kb×e_k+Kc×PreDerror） ]

计算误差，更新电机转速的输出值，为了使线阵CCD线频率与扫描机构的运动速度相匹配，已知步进电机步距角T，细分数N，频率f，可以计算得到步进电机的转速：

进而转化为，线阵CCD的线频率，其中L为每个CCD像素的成像代表物面上的尺寸。从而更新胶片相对于CCD镜头的位置进行成像，最终实现对X胶片的数字化精确采集。

5.结束语

本文基于钢管焊缝缺陷智能检测技术，设计了基于ARM7的底片数字化仪电机同步系统，通过利用驱动细分技术对步进电机转速的控制，使线阵CCD相机的扫描速率和胶片传动机构速率相匹配，实践证明，采用以上设计方法可以更加精细的调整CCD镜头，最终可以获得更加准确，清晰的数字化图像。

参考文献

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[2]姜平，周根荣.线阵CCD图像采集与电气传动的数字同步时序[J].电气传动，2008，38（11）.

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[7]魏福利，邱孟通，袁媛等.数字化线阵CCD扫描X射线成像系统[J].核电子学和探测技术，2006，26（9）：958-962.

[8]朱灿焰.增量式光电编码器克服抖动干扰的方法[J].华东交通大学学报，1997，14（1）：3-7.

[9]郭振义，邓宽林.智能集成功放电路LMD18245的应用[D].十堰职业技术学院电子工程系.

[10]费伟中，沈建新，周勇.增量式光电编码器计数与接口电路的设计[J].微特电机，2007，35（1）：1372140.

步进电机驱动电路篇7

【关键词】步进电机 控制系统 芯片

1 单片机AT89C51简介

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K字节可系统编程的Flash只读程序存储器。该器件采用ATMEL公司高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。它集Flash程序存储器可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯中，ATMEL公司的功能强大，低价位的AT89S51单片机可为你提供许多应用场合高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要特性：

・与MCS-51 兼容

・4K字节在系统可编程（ISP）FLASH闪存存储器

・寿命：1000写/擦循环

・数据保留时间：10年

・全静态工作：0Hz-33MHz

・三级程序存储器锁定

・128*8位内部RAM

・32可编程I/O线

・两个16位定时器/计数器

・6个中断源

・可编程全双工串行通道

・低功耗的闲置和掉电模式

・片内振荡器和时钟电路

看门（WDT）及双数据指针

2 AT89C51控制系统硬件设计

给AT89S51加上复位电路和震荡电路，如图1，即为AT89S51工作最小系统。其中Y1晶振采用11.0592MHZ，以完全配对9600比特率的串口通信要求。

本设计中对PX243电机实行四拍控制，选用P0.0-P0.3口作为控制脉冲输出引脚。又考虑到P0内部硬件结构为漏极开路，驱动能力很差（不能正常驱动TLP521光电耦合器），因此采用了R1-R4上拉电阻的形式。并采用TLP521光电耦合器，使得输入端与输出端完全实现了电气隔离，实现输出信号对输入端无影响，增强了整个系统的抗干扰能力。

3 脉冲控制软件设计

3.1 控制脉冲的设计

根据PX243四拍驱动时序图，得P0.0-P0.3引脚输出控制脉冲时序图。任一连续四个脉冲组成一个周期时间为T，其中一个脉冲的时间为ts，步进电机转过1.8度。改变脉冲输出顺序即可改变电机的转向，改变ts即可改变其转速。

本次设计是利用AT89C51内部的定时器0来对ts实现精确控制，并且采用中断方式提高了单片机的工作效率。该设计为循环中断过程，每进入一次中断：

P0赋值一次，即可改变脉冲一次；TH0，TL0赋值，即可改变ts值，从而精确控制电机转速；这边引入变量i，可看成是脉冲数。200个脉冲为一圈，给i赋值即可控制电机转的圈数；判断dir的值，给P0赋不同的值，可控制电机转向。

3.2 定时中断子程序编写

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

针对本次设计电路中，控制端P0口输出高电平则相对应驱动端为低电平。其中Thigh变量是给定时器0的高八位计数器赋值，dir变量是控制电机的正反转，Thigh与dir都将会在串口中断中被重新赋值。

4 L298N驱动电路

步进电机是一种数控元件，易于同数字电路接口。但是，一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机。如必须有与之匹配的驱动电路来驱动步进电机，为步进电机驱动过程。多年来，随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机同络通信技术的发展，步进电机系统尤其是其中的驱动电路部，也不断地发展。

步进控制器产生相应的脉冲，功率放大器则是将脉冲信号放大，使其能够驱动步进电机运动。本次设计采用了L298N驱动芯片，L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装。

参考文献

[1]敬岚，朱海君，张硕成.步进电机控制系统的设计及其应用[J].核技术，2005（6）：479-482

[2]丁伟雄，杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].煤矿机械，2005 ，26（6）：127-129.

步进电机驱动电路篇8

关键词：液晶显示器；驱动器；薄膜晶体管

“LCD Driver”是一个范畴相当广的话题，LCD 的驱动类型大体可区分成TN(Twisted Nerrtatic)、STN(Super-TwistedNematic)以及TFT(Thin-Fikn Transistors)等三类，其中TN LCD多使用在仪器仪表等简单的对图像品质要求不高的数字显示屏上，／ffiTFT LCD则适用于小至数码相机的显示屏，大至数十英寸的液晶平板电视。

仪器仪表需要LCD驱动IC，大尺寸液晶显示也需要驱动IC，然而不同类型、不同尺寸的LCD却必须搭配不同的驱动IC，没有一种LCD驱动IC可以满足各种类型、各种尺寸的驱动需求，因此在谈论LCD驱动Ic时必须有更明确、更具体的范畴定义，才能够完整说明与讨论。

如今，有关TN、STN之类的LCD驱动IC其技术已相当成熟，技术发展与市场成长都达到一定程度，国内的IC设计业者逐步跨入此领域，这就迫使日本、韩国、台湾的驱动IC设计业者朝更高技术性的LCD驱动IC发展，从TN、STN转向TFT，从小寸数转向大尺寸。本文侧重介绍LCD TFT驱动技术。

LCD显示原理

TN型液晶显示原理

TN型的液晶显示技术是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也是在TN型基础上加以改良。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE(twisted nematic fieldeffect)。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。

STN液晶显示原理

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180～270度。

在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(color filter)，并将单色显示矩阵之任一像素(pixel)分成三个子像素(sub-pixel)，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

TFT液晶显示原理

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是荧光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

LCD驱动芯片的作用与分类

通常在个人电脑等电子设备中都集成了液晶显示器和对应的驱动芯片。液晶面板上的图像显示是通过驱动芯片提供的模拟电压来实现的。LCD驱动芯片通过模拟电压输出直接驱动显示面板，因而它的性能将直接决定LCD器件的显示效果，另外由于它具有大量高电压模拟输出引脚、高速低振幅数字信号输入等特点而成为了当今的技术热点。

目前比较常用的是STN和TFT的LCD显示器件。由于TFT是发展的趋势和主流，后文中我们将主要针对TFT的LCD驱动芯片来谈谈此类IC。驱动TFT的液晶显示器需要使用Gate Driver和Source Driver两种驱动芯片，其中Source Driver负责提供列上各色素点的驱动电压，而GateDriver控制每一行像素的选通状态。另外，从应用的角度来看，工业产品或便携式产品的LCD显示设备的应用主要分为大屏幕(大于9英寸)和小屏幕(小于9英寸)的应用领域。通常情况下，小屏幕应用时通常会选择Source Driver和Gate Driver复合在一起的Controller Driver来驱动，而大屏幕设备通常使用二者分离的驱动方式。

LCD控制驱动器的设计与开发

在多路驱动方式中，像素可分为选择点、半选择点和非选择点。为了提高显示的对比度和降低串扰，应合理选择占空比(duty)和偏压(bias)。施加在LCD上所表示的ON和OFF时的电压有效值与占空比和偏压的关系如下：

Vo：LCD驱动电压

N：占空比(1／N)

a：偏压(1／a)

多路驱动方式可分为点反转驱动和帧反转驱动。点反转驱动适合于低占空比应用，它在各段数据输出时，将数据反转。帧反转驱动适合于高占空比应用，它在各帧输出时，将数据反转。

对于多灰度和彩色显示的控制方法，通常采用帧频控制(FRC)和脉宽调制(PWM)方法。帧频控制是通过减少帧输出次数，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。而脉宽调制是通过改变段输出信号脉宽，控制输出信号的有效值，来实现多灰度和彩色控制。

显示方式从简单的段式、点字符式到复杂的点阵式、阶调式的变化。显示颜色从黑白逐步变化到彩色。显示屏从小到大，响应时间逐步缩短，目前STN显示器在成本及消费电流方面有优势。TFT显示器在对比度和动画对应速度方面有优势。作为LCD驱动器标准电路生产厂主要有NEC、EPSON、三星等公司。

LCD驱动器基本构成由以下部分构成：

控制部分：

TopDown(自顶向下)逻辑电路

RAM部分：

手工设计　异步2PortRAIvl

I／O口　输出专用口

模拟部分：

手工设计　DC／DC转换器

D／A转换器　升压放大器

电压跟随器　稳压电路

温度补偿电路　振荡电路

I／O部分：手工设计

LCD驱动设计流程

1．确定LCD驱动电路规格书。根据市场需求及发展趋势，确定LCD驱动电路的规格书。

2．建立完整的设计环境。由于LCD控制驱动电路涉及到数字、模拟和高压电路。SPICE参数的提取和验证是其中重要的一项任务。因此，设计和工艺人员应制作测试用的TEG片，并对TEG片进行测试，提取和验证SPICE参数，建立完整的设计环境。

3．LCD控制驱动电路设计。电路设计包

括确定电路设计方案、逻辑综合、电路仿真和物理实现。

如采用低功耗技术，需选择低功耗电源，内置存储器和降低振荡频率，采用OSO(OneShot Operation)电路技术和MLS(Multi LineSelection多线选择)驱动法。

・电路描述与仿真

数字电路可采用HDL语言描述，HDL仿真。模拟电路可采用原理图输入，SPICE仿真。对于整体电路仿真需采用数模混合仿真技术，还要解决显示图象的验证技术。

・版图物理实现

为了保证设计效率，数字电路部分的版图可利用SE，进行自动布局布线。为获得高性能，对模拟电路版图及I／O部分版图应采用手工布图。由于全芯片采用不同的方法分块制作，因此需利用全芯片合成、布局布线技术和部分电路版图和全芯片版图的DRC技术。

4．LCD控制／驱动电路测试技术。例如，多引脚对应能力；高速数据传送；高精度测试；高电压对应。表1为LCD控制器驱动常见引脚配置情况。

LCD DriVet设计需要考虑的问题

节约能耗

我们先来谈谈小尺寸LCD的发展趋势。手机最初的应用只是单纯的打电话，之后才发展出短信需求。到GPRS的功能开始普及后，手机也成了上网的工具之一，甚至有很多手机拥有了数码相机的功能。近年来GPS功能也渐渐成为手机的必要功能，除此之外还有以游戏、看电视为取向的其他机种。从这些进展我们可以知道手机逐渐走向高画质，高分辨率(由QVGA的128×180到现在WVGA854×480)。目前日本市场上超过50％以上的机种已经升级到WVGA的显示器。但是高分辨率的产品，手机的处理速度必须加快，这将导致能耗的增加。

LCD模块究竟有多耗电呢?我们以2007年的手机市场为例。假设2007年手机销售量约有11亿，其中35％为QVGA以上的显示等级。一般来说QVGA的显示器需要4颗背光，加上LCD驱动约可造成0.6瓦的耗电量。假设每天使用半个小时，这样一来年总耗电量约48.18GWh。这样的耗电量可以供给2700个一般家庭1年的用电，由此我们可以看到LCD模块的耗电情形。

那么，如何省电就成为技术的焦点，背光省电技术进入人们视线。背光省电的技术目前可以分为LABC和CABC两类。

LABC的L指的就是Lightsensor，这个概念衍生自欧美学者的研究。他们发现当人眼长期观看LCD屏幕时由于其背光太亮，导致人眼瞳孔维持缩小状态，使得眼睛容易感到疲劳。而当外在环境变暗时，我们若能调整降低背光亮度，不仅可以保护眼睛，还能达到省电目标。例如说在白天阳光下，由于外在光线很亮，我们可以使用100％的背光。但当到了阴影处，光线减少，我们就可以减少背光至80％。甚至到了晚上，环境光的干扰减少，背光能够进一步减少至70％。这就是LABC的基本概念。

CABC的C指的是content，也就是内容分析。他的概念是在LCD驱动内新增一个内容分析器，假设当把图片资料传输进来时，先将其亮度提高24％(此时图片变亮)，再来我们可以将背光降低24％(此时图片变暗)。由于事先已经将图片经过分析器处理亮度，因此可以得到和原本图片相差无几的显示效果。但是却减少了24％的背光功耗。这就是CABC的技术。LABC和CABC的差异在于：LABC希望跟随环境光的改变，调整背光效果。CABC则是透过内容分析器，随时提供省电功能。

据分析，整个LCD模块中主要耗电部分是LED背光和LCD驱动。LED背光其实花费了90％的电力，因此如何有效节省背光的功耗是未来的驱动技术的重点。但是驱动Ic本身是十分复杂的。它包含了各式各样的模拟电路，例如Gate驱动、Source驱动、存储、计时控制等等。为了导入背光省电技术，应尝试整合画面解析电路、背光调整电路、高画质电路。透过这三个电路的整合，可以达到背光省电技术。

高分辨率．广视角的显示画质

未来消费者对显示屏将追求更大尺寸、更高清晰的品质，因为分辨率越高，画面显示更鲜艳、逼真。这就驱使显示屏的生产商，努力开发更高画质的产品，以满足终端客户的需求。

更快的信息传输速度，提高刷屏速度，避免出现拖影现象

众所周知，LCD与其他的显示技术相比，在响应速度上存在明显缺陷，造成图像拖影现象，但这种不足已随着技术的改良逐步改善。其中驱动技术的改良在其中又将起重要作用。

绿色环保

在过去这几年有许多节能环保的概念被讨论，如何能在LCD模块上达到更进一步的节能环保?目前全球关心的环保话题之一，就是温室效应的问题。温室效应会造成温度上升，进而引发更多方面的问题。当温度上升之后，会造成南北极或格陵兰等地的冰山融化。海岸线上升的结果可能会淹没地球上最肥沃的土地，如欧洲、美国、甚至北京、上海等人口众多之地。那么，LCD产业界如何达到绿色环保是非常重要的。构思更省电、环保的驱动IC是LCD行业可持续发展的关键。

TFT LCD Driver未来发展趋势

步进电机驱动电路篇9

【关键词】全电动注塑机交流伺服驱动器；TMS320F2812；智能功率模块；矢量控制；开关电源

1.引言

传统液压型注塑机存在功耗大、噪音大、污染较大及控制精度不够精确等问题，开发节能环保、高速高效、低噪声以及高度自动化的全电动注塑机成为注塑行业的趋势和热点。

全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，因此好的动态响应性、大扭矩输出、高精度闭环控制、良好的制动性能等是设计控制系统方案时需要考虑的因素。全电动注塑机是高端注塑机绿色技术的代表，目前已被广泛应用于精密光学、生物医药、汽车电子、精密齿轮、数码电子、食品包装和微型连接器等中高端注塑行业中[1]。

永磁同步电动机（PMSM）具有动态响应性好、输出扭矩大、闭环控制精度高、制动性能好等性能特点[2]，能够很好地满足全电动注塑机的性能需求。为此，全电动注塑机的注射、锁模、计量和顶针部分的驱动控制通常都采用了交流伺服驱动器。

本文介绍基于DSP的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计，并给出了实验结果。

2.全电动注塑机伺服驱动器的应用结构

全电动注塑机伺服电动控制系统主要是在注塑机的注射、锁模、计量和顶针等四个单元采用交流伺服驱动器控制[3]，其结构如图1所示。

各个驱动单元通过串行数据方式将位置信号反馈到注塑机控制系统，同时通过模拟量输出接口将转矩和速度信息反馈到注塑机控制系统；注塑机控制系统根据驱动单元的反馈信息和注塑工艺的需求，进行位置和压力控制得到速度和转矩指令，通过模拟量输出接口输出到具体的驱动单元，驱动单元将按照给定指令实现电机的实时控制。同时各个驱动单元还将电源和驱动单元故障信息反馈给注塑机系统，实现系统的可靠控制。

3.永磁同步电机的控制原理

永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，为了对其进行深入了解，需要引入坐标变换[4]，通过永磁同步电机的数学模型经过坐标变换，我们可以得到以下在坐标系的数学模型：

定子电压方程为：

（1）

定子磁链方程为：

（2）

电磁转矩表达式改写为：

（3）

式中、为坐标系下的两相电压；、为坐标系下的两相电流；、为坐标系下的定子磁链；为电磁转矩；为定子电阻；、为两相定子电感；为两相电流、合成的电流矢量；为两相电流、合成的电流矢量；为电流矢量与轴的夹角；为永磁体的磁链；为电机磁极对数。

永磁同步电机矢量控制方案如图2所示，速度指令与实际速度的偏差经过速度调节器产生相应的轴电流给定，电机相电流经坐标变换后转换到坐标系上，坐标系上的给定电流和实际电流分别进行电流调节器的结果经过PARK逆变换后得到相应的参考电压，再通过SVPWM调制产生PWM信号驱动智能功率模块（IPM），从而控制电机的转矩、速度。位置检测采用17位绝对式编码器，根据位置变化算出电机的实际速度。

4.伺服控制器的硬件系统实现

硬件电路主要包括主电源电路、控制板电路和功率板电路三部分，主电源主要提供稳定的直流母线电压，控制板电路主要包括DSP和FPGA，功率板电路主要包括IPM和开关电源，其原理框图见图3。

4.1 主电源电路硬件设计

主电源单元的输入电源分为控制电源和功率电源，控制电源使用220V，功率电源使用380V。主电源电路在自检正常后，由注塑机系统控制380V输入功率电源的断开和吸合。输入功率电源经整流滤波后得到直流母线电压，直流母线电压作为后级各个功率电路的母线电压输入。主电源的报警检测电路对输入功率电源进行欠压、过压和缺相实时检测，同时对直流母线电压进行欠压、过压制动实时检测，一旦检测到异常状况，将产生报警，同时控制电路的报警检测电路将能检测到主电源电路异常。

4.2 控制电路硬件设计

控制电路硬件设计采用DSP+FPGA的架构。DSP是整个伺服控制系统的核心，实现电机控制的矢量控制算法。DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812芯片，该芯片最高时钟频率可达到150MHz，具有丰富的外设接口：捕捉单元CAP、光电编码盘接口QEP、12位的模数ADC，脉宽信号输出PWM、串行通信接口SCI、串行外设接口SPI、增强型局域网络控制器eCAN等，这些特点使得这款芯片非常适合于伺服驱动器的设计[5]。

电机相电流检测是通过采用采样电阻将功率电路中的霍尔电流传感器感应到的电流信号转换为电压信号，再经过调理运放电路的处理后，得到一个0～3V的电压值，然后由DSP的ADC模拟输入口进行电流检测。

对于外部输入开关信号，采用光耦进行隔离处理，然后进行电平转换，再输入到DSP的IO端口。

为了让DSP有更多的时间资源来实现电机控制算法，设计中采用了FPGA来做相应的数据通信和数据采集。在FPGA内部实现了双口RAM，用来与DSP之间通过总线实现数据传输。

FPGA主要完成转速和转矩指令输入检测，实际转速和转矩反馈输出、17位绝对式编码器位置数据读取和存储，LED按键显示控制，主电源和功率电路报警检测处理，同时还通过串行总线将位置信号反馈给系统。

4.3 功率电路硬件设计

根据不同的功率需求选择不同的功率模块，这里以三菱公司的第5代智能功率模块IPM（PM50RLA120）为例。模块PM50RLA120内部采用1200V、50A的IGBT功率管，将7只IGBT功率管封装在一起，组成三相逆变电路，及制动电路，同时内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路。控制电路输出的6路PWM信号经过快速光耦隔离驱动IPM模块。

功率电路设计了IPM故障保护环节，故障保护信号由硬件实时检测，一旦出现控制板的DSP检测到故障保护信号，将在DSP中通过报警信号软件程序处理，DSP立刻禁止PWM驱动信号输出，同时伺服驱动器将发出报警信息。电流采样电路采用霍尔电流传感器，实时检测电机UW两相电流的瞬时值，然后将检测到电流值传送到控制电路处理，接入到DSP的A/D模拟通道。

控制电源采用开关电源方案，选用PI公司的TOP255功率开关器件，这样的电源电路可以满足体积小，可靠性高，交流输入范围宽，同时电源纹波小的要求。

5.伺服控制器的软件实现

伺服控制器软件采用C语言编写，每个算法都采用模块化的设计思想，使得整个软件结构紧凑、模块接口清晰。伺服软件包括主程序、PWM中断服务程序。

主程序主要完成初始化工作，其中DSP外设（系统时钟、SPI、ADC、CAN、SCI、IO、事件管理器）及中断设置的初始化、伺服参数计算，同时在主循环中还负责完成实时性要求不高的系统处理任务。

PWM中断服务程序完成实时性要求比较高的电机矢量控制算法，控制周期为100us。它主要完成通过总线读取从FPGA发送过来的数据（绝对式编码器数据、转速和转矩指令）、Iu和Iw两相电流采样及电流环PID调节、Clark变换、Park变换、Park逆变换、SVPWM空间矢量算法，PWM信号生成。同时每10次PWM定时中断后，完成一次速度计算、速度环PID调节等。其控制流程如图4所示。

6.实验结果

为了验证设计的可行性和有效性，对基于上述设计方案的伺服驱动器进行了实验验证。采用了广州数控设备有限公司生产的130SJT型电机进行了实验研究，电机参数如表1所示。

采用转矩测试平台进行实验，电机通过联轴器和磁粉振荡器给电机进行加载，它们的转动惯量和为4.05*10-3kg・m2。信号采集采用的是泰克TDS2024示波器，对伺服驱动器输出的速度模拟输出信号进行采集得到速度波形，同时对UW两相电流进行检测。

本实验采用空载进行实验，得到了速度阶越响应和两相电流响应曲线，图5是电机从静止到额定转速1500rpm的速度响应，图6是两相电流的阶跃响应波形，上半部曲线是U相电流响应曲线，下半部曲线是W相电流响应曲线。

实验结果表明系统具有较好的动态响应、控制精度高，能够较好地满足对全电动注塑机控制精度和稳定性的要求。

7.结论

介绍了一种基于DSP的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计。设计方案采用TMS32F2812+FPGA的控制电路方案，设计中FPGA完成相应的数据通信和数据采集，因而DSP有更多的时间资源来实现电机控制算法。软件算法都采用模块化的设计思想，使得整个软件结构紧凑、模块接口清晰，充分优化软件结构，提高软件算法的可靠性。

相比液压或混合驱动的注塑机，使用交流伺服驱动器的全电动注塑机具有更加优越的控制精度和重复定位精度，从而大大提高了产品的质量，同时具有节能环保的作用。基于该设计思路的全电动注塑机交流驱动器已经应用到实际生产中。

参考文献

[1]张友根.全电动注塑机伺服动力驱动系统的运动学和力学的计算理论及应用的研究（上）[J].橡塑技术与装备，2012（5）：1-13.

[2]宁建荣，朱成实，鄢利群.基于永磁同步电动机的全电动注塑机控制系统设计[J].工程塑料应用，2008（1）：65-68.

[3]杜旭，姜重然，张明强，李丽.注塑机伺服电动控制系统的研究与设计.佳木斯大学学报（自然科学版）[J].2012（2）：229-231.

[4]李崇坚.交流同步电机调速系统[M].北京：科学出版社，2006.

步进电机驱动电路篇10

关键词：焊点缺陷；标记；STM32F103VET6；步进电机

随着现代电子工业的不断发展，电路板朝着小面积、小元件、高密度的方向发展。但从成本、工艺以及技术要求等方面考虑，在不需要小型化的产品中仍有大量电路板采用通孔插装技术，因此一般需要采用波峰焊来完成元件引脚与焊盘之间的连接[1]。但由于技术上的瓶颈，波峰焊的工艺流程容易引起焊点质量问题，主要表现为焊点短路、焊点漏焊、焊点不饱满或表面有针孔等。为了解决上述焊点缺陷问题，企业一般采用传统的人工目测来检查并修补。此方法虽然方便实用、适应性强，预先成本最低，但人工目测主观性较强，而且由于人的视觉疲劳以及劳动强度的影响，不可避免的会有焊点缺陷的漏检和误检[2]。

因此，针对上述问题，文章以某企业的电路板装配生产流水线为改造对象，设计出一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统，通过接收机器视觉检测设备的检测结果，在电路板有缺陷焊点的地方进行自动标记。

1 系统方案设计

1.1 电路板装配流水线改造

某企业的电路板装配线以流水线方式对已经完成机器插件的电路板进行装配和检测，其生产工序包括手工插件、元件插后质量检测、波峰焊机焊接、剪脚分板、执锡、焊后质量检测、打胶、ICT测试、贴标签、装箱。本方案以尽量减少对原装配线的改动，满足原生产工艺规范为原则，对其流水线改造如图1所示。

电路板缺陷焊点实体自动标识装置安装在波峰焊机和传送带之间，工人把经过波峰焊机焊接完毕的电路板进行剪脚、分板和执锡后，放入电路板推送装置中的等待区。原来的焊后质量检测工位分为检测工位以及标识工位，以满足原生产流水线的生产节拍。其中，检测工位安装缺陷焊点检测设备，标识工位安装缺陷焊点自动标记装置。

1.2 控制系统总体设计

电路板缺陷焊点实体自动标记装置由电路板推送装置和标记装置组成。推送装置负责在每个生产周期开始时，将三块电路板推送至下一工位，其主要由一台步进电机和三个电动直线推杆驱动。标记装置负责实现电路板缺陷焊点的实体标记识别，主要由两台步进电机和三个电磁铁驱动。整个系统的控制核心是微处理器，作为下位机，与运行缺陷焊点检测软件的工控机进行通信，包括发送指令和接收参数、检测结果。当系统开始运行时，微处理器首先通过串口，接收工控机的参数，控制推送装置的推送距离，然后在完成了推送电路板工作后，发送指令给工控机，命令工控机开始进行电路板焊点检测工作，最后根据检测结果，控制由步进电机带动的标记装置进行焊点实体标记。为了保证装置运行安全可靠，在控制系统中加入多个开关模块。控制系统框图如图2所示。

2 系统硬件设计

硬件部分主要包括：微处理器控制模块、步进电机控制模块、电动直线推杆控制模块、电磁铁控制模块以及开关模块等五部分。

2.1 微处理器选型

系统选用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6微处理器作为主控芯片。该微处理器采用Cortex-M3内核，最高工作频率可达72MHz，内置512KB闪存和64KB SRAM；拥有80个GPIO，并多达11个定时器和13个通信接口，为控制设备和与设备进行通信提供了丰富的资源[3，4]。

2.2 微处理器核心控制模块

微处理器核心控制模块的设计内容主要是处理器的最小系统设计以及GPIO的规划配置。STM32F102VET6使用型号为AMS1117-3.3的电源芯片供电，并且使用振荡频率为8MHz的晶振，通过倍频设置，使芯片工作在72MHz。本设计主要使用的PE口作为信号控制端，与外部设备相连，并工作在推挽输出模式；PA9和PA10是串口通信端，通过串口通信模块与工控机相连。同时，由于系统需要接收多种外部信号，通过外部中断触发，根据硬件设计，将需要中断输入的GPIO配置为上拉输入模式。

2.3 步进电机控制模块

步进电机的正常运行需要驱动器提供电流和微处理器提供信号。为了满足设计的精度要求，本控制系统选用型号为2M542的步进电机驱动器。该驱动器主要用于驱动2相4线的步进电机，能够提供1.00A-4.20A的驱动电流，并且细分驱动最高可达25000步。为了防止由于长时间运行而烧毁步进电机，因此驱动器的工作电流设定为1.46A。微处理器主要提供脉冲信号和方向信号。步进电机驱动器与微处理器连接如图3所示。PE5连接步进电机驱动器的脉冲输入端，PE6连接步进电机驱动器的转向控制端。其余两台步进电机控制方式一样，不再叙述。

2.4 电动直线推杆控制模块

电动直线推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。在本装置的电路板推送机构中需要使用三个电动直线推杆，分别控制推送支架的上升下降和电路板档杆的往复运动。本控制系统中选用直流电机作驱动的电动直线推杆。由于该直流电机属于小容量电机，所以采取直接启动方式[5]，通过控制电机电流方向来控制推杆的往复运动，其控制电路如图4所示。

2.5 电磁铁控制模块

由于要针对三种不同的缺陷焊点做实体标记，因此使用三种不同颜色并可擦除的PCB专用标记笔对电路板上的缺陷焊点进行标记。标记方法为通过导通推拉式电磁铁，由推杆推动标记笔向下运动，在缺陷焊点旁打点标记。电磁铁控制电路如图5所示。

2.6 开关模块

为了保证系统运行准确和安全可靠，需要在装置中分别安装3个光电开关和6个限位开关。3个光电开关分别固定在3个电动滑台导轨的原点处，保证推送电路板距离和标记装置定位符合程序要求；6个限位开关则分别固定在3个电动滑台导轨的两端，防止由于程序出错引起步进电机带动的滑台碰撞导轨两端，设定安全距离。开关模块的控制电路图如图6所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括微处理器的硬件配置，装置工作状态初始化和中断服务程序。硬件配置主要根据控制系统的需要，分别配置时钟频率、GPIO工作模式、中断源和中断优先级等。装置工作状态初始化确保装置标记准确。中断服务包括外部中断、定时器中断和串口中断。

3.1 主程序设计

当系统开始运行时，微处理器对硬件进行配置，配置的内容包括系统时钟配置、GPIO工作模式、定时器配置、中断配置、串口配置。然后微处理器正式开始主任务，主程序流程如图7所示。首先进行参数接收确定推送距离，然后初始化装置工作状态，输出脉冲控制三台步进电机，使得标识机构和推架都位于设定的原点位置。完成初始化后，生产节拍开始计时，电路板推送装置的推架上升，分别把三块电路板推送至传送带、标记工位以及检测工位后，与上升档杆共同固定电路板，然后发送指令给工控机，开始缺陷焊点检测。待检测完毕，微处理器根据接收处理的结果，等待XY方向步进电机带动标记机构完成定位，然后对缺陷焊点进行标记。直到当前电路板所有缺陷焊点标记结束后，推架和标识机构回到原点，等待下个生产节拍。

3.2 中断服务程序

3.2.1 外部中断程序。控制系统用到多个外部中断，来源主要是开关模块以及步进电机脉冲。当系统接收到光电开关的信号时，改变程序中原点标记变量，告知主程序该方向上的步进电机已经到达原点处。若接收到限位开关的信号，则发送“error”给工控机，并停止运行。将步进电机的脉冲发送到外部中断，用于脉冲数量的计数，控制步进电机转动步数。

3.2.2 定时器中断程序。设计中使用了系统滴答定时器和通用定时器。系统滴答定时器主要用于生产节拍的计时，控制生产节拍的周期。在每个生产节拍开始时，启动电路板推送装置的步进电机，将电路板推送至下一工位。通用定时器则主要用于控制输出步进电机脉冲的频率。由于步进电机在工作时，频率不能突变，否则将会失步或过冲。因此每次改变频率时，应该保持电机在该频率下持续运行一定的时间。本系统使用的是指数型调速，根据公式

f（t）=f0+（fm-f0）×（1-e-t/T） （1）

可得出每个频率下步进电机转动的步数[6]。当步进电机走完当前频率下的步数时，定时器输出下一个频率的脉冲。

3.2.3 串口中断程序。系统的微处理器与工控机采用串口方式通信。微处理器在接收工控机的检测结果时，采用中断接收处理，然后根据结果，分别确定XY方向步进电机的转向和步数。系统的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxN”。“+/-”表示步进电机的转向，“xxxx”表示步进电机需要转动的步数，且前5位表示X方向的步进电机，第6-10位表示Y方向的步进电机。最后一位“N”表示当前电路板所有缺陷焊点已经完成标记，若未完成，则为空格字符。

4 系统测试

完成了组装后，在实验室对控制系统进行了测试。当系统通电启动后，本装置按照设定流程工作：推架和标识机构回到原点；推架推送电路板；工控机显示屏显示接收到的指令；标记机构根据检测结果，移动到缺陷焊点旁；电磁铁动作，PCB标记笔向下做标记；电路板缺陷焊点标记完毕后，推架和标记机构回到原点处。为了进一步测试步进电机的精度是否满足设计要求，对其进行了测量。步进电机通过联轴器，采用直连方式与电动滑台导轨相连。当步进电机转动一圈时，滑台对应的直线移动距离为75mm，步进电机细分驱动选择1600步/转，采用游标卡尺测量数据如表1所示。

从表1可知，滑台实际移动距离与理论值存在一定的误差，但不足影响工人对标记的判定，工人仍可以通过记号锁定区域，快速寻找缺陷焊点并进行修补。

5 结束语

文章以某企业的电路板生产流水线为改造对象，以解放劳动力为主要目的，设计了一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统。该系统主要通过接收工控机的检测结果，控制多种机构协调工作，实现缺陷焊点的实体标记。在实验室的运行测试表明，该系统能达到预期效果，本装置已申请发明专利和软件著作权各一件。

参考文献

[1]方明.波峰焊工艺技术研究[D].广东：华南理工大学，2012.

[2]马灿.PCB缺陷智能视觉检测系统研究与设计[D].湖南：湖南大学，2012.

[3]陈福彬，伍毅，王铁流.基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J].自动化与仪表，2010，25（1）：45-48.

[4]李晶，李东泽，石坚.基于STM32的时间压力采集系统[J].自动化与仪表，2013，28（12）：42-45.

[5]贺昱曜.运动控制系统[M].西安：西安电子科技大学，2009.16.

[6]李大成，高金吉.基于可编程控制器的转速测量及步进电机升降速控制研究[J].北京化工大学学报，2011，38（4）：119-123.