步进电机驱动设计方案.docx
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步进电机驱动设计方案
江西理工大学
电子111班课程设计
课题名称：
步进电机驱动设计
组长：
柯于红
成员：
柯于红、陈峰、吴正源
指导教师：
程铁栋老师
2013年12月30日
第一章：
设计任务与要求
第二章：
设计方案
第三章：
硬件设计
第四章：
硬件测试
第五章：
小结
第一章设计任务与要求
（一）完成3A以下两相/四相/四线/六线步进电机驱动方案设计，要求工作电压在10V-24V，解决高速过程中失步的不足。
（二）设计良好的保护电路，实现自动半流功能，同时实现最大256倍细分。
（三）设计电机加速方案，减小步进电机运行过程中的噪音。
第二章设计方案
原理:
步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
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。
设计思路:
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环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电，控制电机转动
系统框图设计
控
制
器
脉冲信号分配
功率驱动电路
步进电机驱动器
步进电机
方向、脉冲信号
控制器：
产生脉冲。
控制电机的速度和转向。
驱动器：
a.脉冲信号分配：
为步进电机各绕组提供正确的供电顺序。
b.功率驱动电路：
提供电压、电流。
各种保护电路，如果过流、过热等。
步进电机驱动电路常用的芯片有L297和L298组合应用、3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2A左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。
我们芯片THB7128提出了一种步进电机驱动电路设计方案。
THB7128
一、参数及性能
1、单芯片两相正弦细分步进电机驱动
2、直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式
3、双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.53Ω
4、可实现正反转控制
5、通过3位选择8档细分控制（1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128）
6、最高耐压40VDC
7、高输出电流（Iout=3.3A）
8、HZIP19封装
9、有复位和使能管脚
10、芯片内部有过热保护（TSD）和过流检测电路
11、自动半流锁定功能
控制信号隔离电路
驱动电路
THB7128步进驱动电路主电路
逻辑控制电路
自动半流电路
（一）、信号输入端光耦隔离接法
输入信号接口有两种接法：
用户可根据需要采用共阳极接法或共阴极接法。
1、共阳极接法：
分别将CP+，U/D+，EN+连接到控制系统的电源上，如果此电源是+5V则可直接接入，如果此电源大于+5V，则须外部另加限流电阻R，保证给驱动器内部光藕提供8—15mA的驱动电流。
脉冲输入信号通过CP-接入；此时，U/D-，EN-在低电平有效。
2、共阴极接法：
分别将CP-，U/D-，EN-连接到控制系统的地端（SGND，与电源地隔离）；+5V的脉冲输入信号通过CP+加入；此时，U/D+，EN+在高电平有效。
限流电阻R的接法取值与共阳极接法相同。
注：
EN端可不接，EN有效时电机转子处于自由状态（脱机状态），这时可以手动转动电机转轴，做适合您的调节。
手动调节完成后，再将EN设为无效状态，以继续自动控制。
（二）、细分数设定
细分数是以驱动板上的拨盘开关选择设定的，根据细分选择表的数据设定（最好在断电情况下设定）。
细分后步进电机步距角按下列方法计算：
步距角=电机固有步距角/细分数。
如：
一台固有步距角为3.6°的步进电机在16细分下步距角为3.6/16=0.225°
驱动板上拨码开关4、5、6分别对应M1、M2、M3。
具体细分对应情况如下图所示：
（三）、电流大小设定
电流大小由拨码开关S1、S2、S3（分别对应拨码开关上的1、2、3号）选择，电流三档可选。
电流（A）
1.0
2.0
3.0
S1
OFF
OFF
ON
S2
OFF
ON
OFF
S3
ON
OFF
OFF
注：
采用6N137高速光耦，可保证高速不失步。
THB7128驱动器
（五）、接线端子定义说明
信号输入端：
⑴CP+：
脉冲信号输入正端。
⑵CP-：
脉冲信号输入负端。
⑶DIR+：
电机正、反转控制正端。
⑷DIR-：
电机正、反转控制负端。
⑸EN+：
电机脱机控制正端。
⑹EN-：
电机脱机控制负端。
电机绕组连接：
⑴A+：
连接电机绕组A+相。
⑵A-：
连接电机绕组A-相。
⑶B+：
连接电机绕组B+相。
⑷B-：
连接电机绕组B-相。
工作电压的连接：
⑴VCC：
连接直流电源正（注意：
10V＜VCC＜32V）。
⑵GND：
连接直流电源负。
（六）、驱动板特色
采用THB7128作为驱动芯片：
低功耗，多种细分，高细分（最高128细分），电机运行稳定，无噪音，不失步。
采用两片6N137高速光耦隔离输入，在保护您的控制器的同时，更高的传输速率让您的步进电机工作更稳定准确。
半流控制功能，使电机停止的时候电流降为最低。
最高达3A的大电流驱动。
采用6N137高速光藕，保证高速不失步。
采用6N137高速光藕，保证高速不失步。
采用6N137高速光藕，保证高速不失步。
第三章硬件设计
信号隔离电路
步进电机控制信号有3个（CLK、CWW、ENABLE），分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。
光耦的作用有两个：
首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。
对CIK、CWW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。
细分及电流调节电路
驱动板上拨码开关4、5、6分别对应M1、M2、M3。
具体细分对应情况如下图所示：
工作电流设定。
VREF为电流设定端，调
整此端电压即可设定驱动电流值。
I0=VREF×（1／5）×（1／Rs）
式中：
Rs为0.167
电流大小由拨码开关S1、S2、S3（分别对应拨码开关上的1、2、3号）选择，电流三档可选。
电流（A）
1.0
2.0
3.0
S1
OFF
OFF
ON
S2
OFF
ON
OFF
S3
ON
OFF
OFF
稳压电路
LM317工作原理：
LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。
LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。
输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻（200左右）在输出引脚,另一个接可调电阻（几K）接于地.输入和输出引脚对地要接滤波
1、单芯片两相正弦细分步进电机驱动
2、直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式
3、双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.53Ω
4、可实现正反转控制
5、通过3位选择8档细分控制（1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128）
6、最高耐压40VDC
7、高输出电流（Iout=3.3A）
8、HZIP19封装
9、有复位和使能管脚
10、芯片内部有过热保护（TSD）和过流检测电路
11、自动半流锁定功能
PCB
第四章硬件测试
当输入端输入脉冲信号时A、B、C输出端的输出波形。
A端口输出波形
B端口输出波形
C端口输出波形
由于控制D输出端的芯片引脚损坏，故而没有输出波形。
由上面三个图可以看出B比A延迟1/4周期，C比B延迟1/4周期。
按照原理，D应比C延迟1/4周期。
这样就差不多可以驱动步进电机。
实验室没有可用的步进电机，因而无法对驱动器的细分、电流调节功能进行调试。
由于高速光耦损坏，因此输出波形有干扰。
第五章小结
通过这次课程设计，我们学会了电路板的制作流程。
我们这个课题是《步进电机驱动设计》，就是做一个步进电机驱动器，首先要了解步进电机转动的原理，然后根据原理按照任务要求来设计驱动器，在这过程中要解决一些问题，比如说，细分设置，自动半流，减小噪音等，在这些方面我们都一起讨论过该怎么解决，刚开始的时候我们不知怎么下手，但大致的方案框架出来的时候，我们就更有目的性和方向性了，按照框架流程，一步一步的解决，最后把产品做出来。
因为这是我们第一次做设计，没有什么经验，最后产品出来效果不是那么完美，但是我们没有放弃，还在根据原理继续调试，以达到最好的效果。
这次课程设计从资料收集到方案设计，再到原理图及PCB板的绘制，我们基本掌握了Altium.Designer软件的操作，在这个过程中我们组员都积极参与到其中，尽管中途有遇到问题的地方，但是我们都会一起讨论该如何解决，不懂得地方向知道的同学请教，极大的发挥了团结合作的精神。
参考文献
[1]童师白，华成英.模拟电子技术基础，第三版.北京:
高等教育版社，2001
[2]阎石.数字电子技术基础，第四版.北京：
高等教育版社，1998
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