步进电机细分驱动电路设计.docx

浙江树人大学设计论文题目：步进电机细分驱动电路设计学院：信息科技学院班级：姓名：学号：摘要：由PIC16F876空制的步进电机细分驱动电路的设计，该电路主要包括单片机控 制电路、斩波电路、 功率驱动电路及温度报警与限流电路等 给出了细分驱动电 路的设计原理及其实现的方法， 提出细分按照线性加正弦规律的方法输出阶梯电 压，经脉宽调制（PWM输出各相驱动信号，实现细分驱动信号波形应用于天文 望远镜的90BF00：步进电机驱动，性能良好关键词 ：步进电机、单片机、细分电路Abstract ：A design of micro — step driving circuit of step motor based onPIC16F876 is presented ．The circuit includeschopping circuit ，the power drive circuit ，temperature measurementcircuit and current — limit circuit ．The design principle isgiven in detail ．This circuit is applied to drive 90BF003step motor for an astronomy telescope ．Key words: step motor,PIC16F876,micro —stepping引言：步进电机是一种感应电机， 它的工作原理是利用电子电路， 将直流电变成分时 供电的， 多相时序控制电流， 用这种电流为步进电机供电， 步进电机才能正常工 作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用， 但步进电机并不能象普通的直流电机， 交流电 机在常规下使用 它必须由双环形脉冲信号、 功率驱动电路等组成控制系统方可 使用因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多 专业知识步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一 , 广泛应用在各种自动 化控制系统中随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用步进电机在实际应用中存在着驱动电路效率低、低频振荡、高频出力不足、频 率特性差等问题基于PIC16F876勺步进电机细分驱动电路将斩波电路和可变细 分控制的方法进行结合，能够使电机的高、低频运行性能和启动性能明显提高步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是将数字电脉冲直接转换为位 移角度勺机电设备 在一般情况下，步进电机各相绕组电流在步进脉冲勺控制下， 轮流切换， 从而使电机勺转子步进旋转 如果每次输入脉冲切换时， 只改变对应 绕组中额定电流勺一部分，那么转子相应勺每步转动也只有原步距角勺一部分 额定电流细分成多少份 （ 即细分数 ），转子就以多少步来完成一个原有勺步距角， 这种把步距角分成若干步来完成勺控制方式称为细分控制。

虽然这种驱动电路勺 结构比较复杂， 但在不改变电机内部结构勺前提下， 使步进电机具有更小勺步距 角、更高勺分辨率；也使电机运行平稳，减小或消除电机振荡，减少噪声1. 系统功能步进电动机的控制系统一般包含步进脉冲产生与方向控制电路、相脉冲逻辑分 配电路和驱动电路其中驱动电路有细分和不细分之分文章以 PIC16F876单片机为核心，将相脉冲逻辑分配电路和细分驱动电路有机结合在一起， 实现了多功能的步进电机的细分驱动电路电路原理框图如图 1所示，整个系统主要分为单片机控制子系统和功率放大驱动电路两大部分，两部分中间由电平转换电路桥 接相选 拍选 细分选 择电路D/A转换 电路脉冲 调制 电路电平”位移脉冲转换输出电路功t电压反馈 放大电路步进脉冲 输入取样电压输入限温/限流报警电路电平位移转换电路相选输出电源电路电机驱动电源图为步进电机细分驱动电路原理框图步 进 电 机单片机控制电路主要包括PIC16F876单片机、产生步进脉冲输出的斩波电路和产 生电机相信号的相控电路以及其他一些相关电路 单片机通过中断接口接收步进 脉冲和方向信号， 根据方向信号和步进脉冲的顺序， 输出阶梯电压细分值和相控 信号。

斩波电路由D7A转换电路、取样电压放大电路和脉宽调制电路 (PWM组 成D/A转换电路将单片机输出的电压细分值转换为模拟量， 作为比较参考电压， 加在脉宽调制电路同相输入端， 与取样电压放大电路的输出值进行比较， 由脉宽 调制电路产生恒频调宽脉冲，作为步进电机的脉冲信号为了防止驱动电路的过流和过热，系统中设计了限温报警电路和限流报警电 路当驱动电路温度超过设定值或电机的相电流超过设定值时， 报警电路产生报 警信号，让单片机关断各相的驱动信号， 暂停输出 为了适应不同相数的电机和 选择不同的细分数， 系统中设计了相选/细分选择电路， 在每次加电之前通过拨 动开关来设置相数和细分数，单片机自动识别功率放大驱动电路采用经典的高低电压功率场效应管对管实现， 附加相电流取 样电路和温度传感电路2. 硬件电路设计PIC介绍PIC系列单片机是美国Microchip公司的产品它系用精简指令集（RISC），哈 佛总线结构、2级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、 低功耗、高速度、体积小、功能强等优点，体现了单片机发展的一种新趋势，深 受用户的欢迎，已逐渐成为8位单片机的新潮流PIC的发送过程1. 初始化波特率与波特率有关的寄存器有两个：TXSTA的BBGH位和SPBRG其中前者为高速波 特率使能位，=1,设置为高速；=0则表示设置为低速。

后者为波特率的值，其计算方式为：FOSC/(64 (x+1))……低速波特率=-FOSC—(16 (x+1))……高速其中FOSC为晶振频率，x为填入SPBRG寄存器中的值模块使能首先选择通讯方式=0为异步方式，=1为同步方式然后将 设置为1,从而 使能串行通讯模块3. 若用到TXIF中断，贝U需要置1使能，TXIF中断是PIC16F87X单片机14个 中断源之一，当TXREG寄存器的内容为空时或是数据被转移到 TSR寄存器之后，这个中断位会被设置为1，只有在当数据写入TXREG寄存器，而还未 转移到TSR寄存器的情况下，这个TXIF位才会被消除为04. 位数设置：这一步骤决定数据的发送是采用 8 位还是 9 位的格式 =0 为8 位，=1 为 9 位5. 发送使能将 置1 ，使能发送模块6. 送数据若设置8位数据，则将数据写入TXREG寄存器；若设置的9位数据，则还要 将9位写入 位7. 检测缓冲器状态，发下一个数据检测，若为0,则说明TXREG被写入且没有转 到TSR此时不能写下一个数据；若为1,则说明TXREG为空，或已转移到TSR 中, 此时可以写入下一个数据PIC 的接收过程1. 使能接收模块将 位置1，使能接收模块。

2. 使能 RCIF 中断将 位置1)同TXIF类似，RCIF也是PIC16F87X勺中断源之一当接收位移寄存 器( Receive ShiftRegister,RSR ) , 接收到串行通讯的数据的停止位后，会自动 将寄存器的数据部分移到RCRE衍，同时将RCIF中断位置13. 读取接收到的数据循环检测RCIF中断位，当其为1时，就可读取RCREG中的数据，读取数据后, RCIF 位被自动清零4. 出错处理如果接收过程中有错误发生，则 位会被置之不理，此时RSR中的数据的转移 无法完成，要清除这个位的唯一方法是复位接收逻辑电路，在软件上可以先将 CREN位清除为0,然后再置1,便可复位接收模块PIC的接收过程1. 使能接收模块将 位置1，使能接收模块2. 使能 RCIF 中断将 位置1)同TXIF类似，RCIF也是PIC16F87X勺中断源之一当接收位移寄存 器( Receive ShiftRegister,RSR ) , 接收到串行通讯的数据的停止位后，会自动 将寄存器的数据部分移到RCREG中，同时将RCIF中断位置13. 读取接收到的数据循环检测RCIF中断位，当其为1时，就可读取RCREG中的数据，读取数据后， RCIF 位被自动清零。

4. 出错处理如果接收过程中有错误发生，则 位会被置之不理，此时RSR中的数据的转移无法完成， 要清除这个位的唯一方法是复位接收逻辑电路， 在软件上可 以先将CREN位清除为0,然后再置1,便可复位接收模块单片机电路采用单片机实现步进电机细分控制系统中，其响应频率一直受单片机的速度影 响，PIC系列单片机具有精简指令集RISC吉构，仅30几条单字节指令，除跳转指 用指令线与数据线分离的哈佛结构，两级流水线指令取数与执行，这使得 PIC在代码压缩与执行速度方面和同类8位单片机相比，具有较大的优势PIC16F876单片机是美国Microchip公司中档产品，采用 CMO工艺制造，带有 FIASH工艺特性，功耗低，I /O端口有较大的驱动能力，扇出电流可达 25 mA可 简化外围电路；易于编程，执行速度高，内部具有看门狗 WD防止程序跑飞，另具有程序加密性好、价位低廉等优点在PIC16F876中 共有3个I /C端口：端口 A 端口 B、端口 C,都是双向I /O 口 系统中，PIC16F876勺端口功能如表1所示表一 PIC16F876的端口功能端口功能端口功能RA0-1相选输入RB1步进电机方向信 号RA1拍选输入RB474HC373寻址RA2是否细分输入RB5TLC7226寻址RA3是否加电至电机RB6TLC7226的 A1RA4WR言号RB7TLC7226的 A0RA5温度、限流报警输 入RC0-RC7数据总线RB0外部中断步进脉冲信号从PIC16F876勺中断引脚RB0/INT输入，选择上升沿触发，单片 机一旦检测到引脚上出现有效边沿，就把INTF位（INTC/爪的D1）置1,向CP申 请中断，在中断服务时间内， 单片机将完成输出相选控制信号和阶梯电压细分值。

为了防止错误的死循环执行同一个中断， 在重新开放这个中断之前必须在中断服 务程序中用软件对INTF位清零中断现场保护是中断技术一个很重要的组成部分， 由于中断服务程序会改变主 要寄存器， 在返回时可能影响主程序， 必须对这些寄存器进行现场保护 在中断 返回之前必须恢复主要寄存器的原值 而在该程序中， 主程序在等待中断时， 行 空操作，即使主要寄存器改变也没关系为了防止在受到干扰时程序跑飞，一般在系统设置看门狗电路在 PIC16F876 中自带了自振式（RC振荡）看门狗电路，不需要外加电路，简化了外围电路斩波电路斩波电路由D/A转换电路、电压反馈放大电路和脉宽调制电路（PWM组成，根 据单片机输出的细分值和取样电压的反馈值， 产生宽度受调制的脉冲输出，具电 路如图2所CUB ILCniG-E118%151AUA1KDISIP—