基于proteus的步进电机控制系统仿真设计最终版

基于proteus的步进电机控制系统仿真设计最终版内容摘要：

时序 和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉 冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频 率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象，所以脉冲 频率一定要控制在步进电机允许 的范围内。 （ 2） 89C51 单片机 Atmel公司生产的 89C51单片机是一种低功耗 /低电压‘高性能的 8位单片机， 它采用 CMOS 和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS51 兼容；片内的 Flash ROM 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程 器来编程，内部除 CPU 外，还包括 256 字节 RAM， 4 个 8 位并行 I/O 口，5 个中 断源， 2个中断优先级， 2个 16位可编程定时计数器， 89C51单片机是一种功能强、 灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设 计需要。 （ 3） L297 介绍 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，其 引脚 见图 1，内部方框见图 2。 8 图 1 L297芯片引脚图 L297各 引脚 功 能说明 1脚 (SYNG)—— 斩波器输出端。 如多个 297同步控制，所有的 SYNC端都要连在一起，共用一套振荡元件。 如果使用外部时钟源，则时钟信号接到此 引脚 上。 2脚 (GND)—— 接地端。 3脚 (HOME)—— 集电极开路输出端。 当 L297在初始状态 (ABCD=0101)时，此端有指示。 当此 引脚 有效时，晶体管开路。 4脚 (A)—— A相驱动信号。 5脚 (INH1)—— 控制 A相和 B相的驱动极。 当此 引脚 为低电平时， A相、 B相驱动控制被禁止；当线圈级断电时，双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。 若CONTROL端输入是低电平时，用斩波器调节负载电流。 6脚 (B)—— B相驱动信号。 7脚 (C)—— C相驱动信号。 8脚 (INH2)—— 控制 C相和 D相的驱动级。 作用同 INH1相同。 9脚 (D)—— D相驱动信号。 10脚 (ENABLE)—— L297的使能输入端。 当它为低电平时， INH1， INH2， A， B，C， D都为低电平。 当系统被复位时用来阻止电机驱动。 11脚 (CONTROL)—— 斩波器功能控制端。 低电平时使 INH1和 INH2起作用，高电平时使 A， B， C， D起作用。 12脚 (Vcc)—— +5V电源输入端。 9 13脚 (SENS2)—— C相、 D相绕组电流检测电压反馈输入端。 14脚 (SENS1)—— A相、 B相绕组电流检测电压反馈输入端。 15脚 (Vref )—— 斩波器基准电压输入端。 加到此 引脚 的电压决定绕组电流的峰值。 16脚 (OSC)—— 斩波器频率输入端。 一个 RC网络接至此引角以决定斩波器频率，在多个 L297同步工作时其中一个接到 RC网络，其余的此引角接地，各个器件的脚 I (SYNC)应连接到一起这样可杂波的引入问题如图 5所示。 17脚 (CW/CCW)— 方向控制端。 步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。 当改变此 引脚 的电平状态时，步进电机反向旋转。 18脚 (CLOCK)—— 步进时钟输入端。 该 引脚 输入负脉冲时步 进电机向前步进一个增量，该步进是在信号 的上升沿产生。 19脚 (HALF/FULL)—— 半步、全步方式 选择端。 此 引脚 输入高电平时为半步方式 (四相八拍 )，低电平时为全步方式。 如选择全步方式时变换器在奇数状态，会得到单相工作方式 (单四拍 )。 20脚 (RESET)—— 复位输入端。 此 引脚 输入负脉冲时，变换器恢复初始状态 (ABCD=0101)。 图 2 L297内部方框电路图 10 图 3 L297变换器换出的八步雷格码（顺 时针旋转） 图 4 斩波器线路 在图 2所示的 L297的内部方框图中。 变换器是一个重要组成部分。 变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本的八格雷码 (顺序如图 3所示 )。 由变换器产生 4个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。 为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过 2个 PWM斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图 4所示，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。 每个斩波器的触发器由振荡器的 脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压达到 Uref时 (Uref是根据峰值负载电流而定的 )，将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出 (即触发器 Q输出 )是一恒定速率的 PWM信号， L297的 CONTROL端的输入决定斩波器对相位线 A， B， C， D或抑制线 INH1和 INH2起作用。 CONTROL为高电平时，对 A， B， C， D有抑制作用；为低电平时，则对抑制线 INH1和 INH2有抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制 L297驱动相序的产生 L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。 3种方式的驱动相序都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四八拍 (半步方式 )相符合 ，只要在脚 19输入一高电平即可得到。 其波形图如图 5所示。 11 图 5 四相八拍 模式波形图 通过交替跳过在八步顺序中的状态就可以得到全步工作方式，此时需在脚 19接一低电平，前已述及根据变换器的状态可得到四拍或双四拍 2种工作模式，如图 6， 7所示 图 6 单四拍模式波形图 图 7 双四拍模式波形图 （ 4） L298 简介 L298N 为 SGSTHOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，内部包含 4信道逻辑驱动电路，是一种 12 二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2个二相或 1个四相步进 电机，内含二个 HBridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号，可驱动 46V、 2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用 L297 来提供时序信号 ，节省了单片机 IO 端口的使用。 L298N 之接脚如图 8 所示， Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路； OUTl、 OUT2 和 OUT OUT4 之间分别接 2 个步进电机； input1~input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停。 13 图 8 L298引脚 图 三、方案论证 从该系统的设计要求可知，该系统的输入 量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要 2根口线，再加上一根方向线盒，一根启动信号线共需要 4根输入线。 系统的输出线与步进电机的绕组数有关。 这里选四相步进电机。 14 该电机共有四相绕组，工作电压为 +5V，。