步进电机的驱动电路设计.docx

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步进电机的驱动电路设计

机电一体化系统设计

课程设计说明书

设计题目步进电机的驱动电路设计

一、步进电动机与L298N驱动电路2

二、ProtelDXP2004的学习过程及心得5

三、控制步进电机电路的制作8

四、雕刻电路板9

五、购买及焊接元器件9

六、编写程序10

一、步进电动机与L298N驱动电路

1、步进电机的驱动

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。

说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，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。

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。

步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。

在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。

通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。

如图所示，当A相通正电压时，A相线圈将产生如图（a）所示的磁性，磁体将转至如图（a）所示的位置；当B相通正电压时，同理将迫使磁体转至如图（b）所示的位置，即转过一角度；当A相断电时，A相磁性消失，磁体将转至如图（c）所示的位置；当A相通反电压时，A相线圈将产生如图（d）所示的磁性，磁体将转至如图（d）所示的位置，这样便转过半圈。

周而复始，电机便转动起来。

电机的正反转由脉冲的给的顺序而定。

电压的正反向可由L298n实现，它的电路板电电路如下图所示：

（插针P1可接步进电机的四根引脚，插针P2可接单片机的输出引脚。

）步进电机工作原理图

采用L298N，则两相步进电机正转的控制逻辑如下表所示：

红：

绿：

B-

蓝：

黄：

A-

B→B-→A→A-

0001

0101

0100

0110

0010

1010

1000

0001

电机反转则只需改变控制字给的顺序即可（反过来送），比如采用单片机的P1口控制，其中B（红色线接P1.3）、B-（绿色线接P1.2）、A（蓝色线接P1.1）、A-（黄色线接P1.0）。

正转时给P1口控制字为：

00000001B00000101B00000100B00000110B00000010B00001010B00001000B00001001B，则反转时给P1口控制字为00001001B00001000B00001010B00000010B00000110B00000100B00000101B00000001B。

2、恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动一个两相步进电机，电动机每相克分别接在OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为高一低，电机正或反转起来。

同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

二、ProtelDXP2004的学习过程及心得

1、Protel概述及工作环境

ProtelDXP是Protel的最新版本，它采用了全新的设计浏览器，将PCB图绘制、拓扑布线、仿真及信号等电路板设计技术更好的整合到一起，使用户以更加轻松的设计出复杂而优秀的电路板。

启动ProtelDXP，在其界面里左右两侧有两个面板标签，在左边的面板标签里面有以下四个选项：

filter、Projects（项目选项，用于显示文件组成结构）、PCBlibrary、Nivagator（导航选项）。

在右侧包括：

库元件标签（选择、添加、删除元件）。

面板标签有锁定显示方式、自动隐藏方式、浮动显示方式等三种显示方式。

设置默认显示方式：

View/DesktopLayouts/Default。

新建一个项目设计文件（.prjpcb）：

file/new/Project/PCBProject,单击右键保存。

新建一个原理图设计文件：

file/new/Schematic，单击右键保存。

新建一个PCB设计文件：

file/new/PCB，单击右键保存。

新建一个PCB库文件：

file/new/Library/PCBLibrary，单击右键保存。

新建一个原理图库文件：

file/new/Library/SchematicLibrary，单击右键保存。

2、原理图编辑器的使用

图纸参数设置：

Design/DocumentOptions

栅格可分为：

捕捉栅格、可视栅格、电气栅格。

通过ChangeSystemFont可以改变字体格式。

StandardStyle设置图纸大小（默认A4）。

滚动滚轮可以上下移动原理图，按住右键不动可以移动原理图（99SE不具有的功能）。

单击PageUp键可以放大一倍，单击PageDown则缩小一倍。

通过View菜单可以设置更多的视图显示大小。

选中元器件：

单击左键，出现绿色虚方框。

用窗口拉出方框，可选中多个元器件。

选中元器件后，按Ctrl+C键进行复制操作，在空白处再按Ctrl+V键进行操作，按Delete键，进行删除。

移动元器件：

按住左键并拖动。

旋转元器件：

按住左键，同时按一次空格键。

左右对称：

按住左键，同时按一次X键。

上下对称：

按住左键，同时按一次Y键。

单击左侧的库文件Schlib.SchLib，找到相应元件后点击Place,单击鼠标左键放置，跳出右侧对话框，选择“Yes”,否则在PCB中不能显示出。

可重复放置，单击右键退出，双击跳出属性对话框。

单击工具栏上的连接导线快捷按钮

，可以进行元器件之间的连接导线，单击右键退出连线状态。

当需要连接导线的两元器件相隔较远时，可以用网络标号进行连接导线，单击工具栏上放置网络标号快捷按钮

，单击要连接的导线接头，双击它可以编辑其属性（注意：

连接的导线网络标号要一致）。

单击工具栏上的接地符号的快捷按钮

，可以画接地符号。

单击工具栏上的电源符号的快捷按钮

，可以画电源符号，可以用“VCC5V”标志5V的电源。

使用“Search”时，Scope的第二个选项打勾，如图所示。

3、PCB编辑器的使用

新建一个PCB设计文件有三种方法：

file/new/PCB；使用向导；使用模板生成。

PCB印制电路板概述：

一般可分为单层板、双层板、多层板（铜膜、玻璃纤维）。

层数的设置：

Design/layerStackManager/Menu/ExamplelayerStacks

PCB编辑器环境参数设定：

Design/BoardOptions，如图所示。

PCB编辑器系统参数设定：

Tools/preferences，如图所示。

选取、移动、删除等操作跟原理图编辑方法一致。

双击元器件，编辑所要改变属性的元器件的属性,如右图所示,其中Text代表元器件的标号，图中电阻值为1K，并且将下方的Hide的打勾去掉，单击“OK”即可。

测量管脚之间的距离：

Place/Dimension/Linear

锁定元器件：

将属性的Locked打勾，如下图所示。

未锁定元器件锁定元器件

连接导线

时，按住Shift+空格键，可以改变拐弯形式，由45度变为圆弧形式。

双击导线，可以编辑导线宽度等属性。

在导线末端按“*”，导线由上层连到下层。

4、PCB印制电路板设计实例学习

在原理图中，Design/UpdatePCBDocumentPCB1.PCBDOC,更新PCB编辑器。

布局可分为：

自动布局、手动布局。

自动布局:

在PCB1.PCBDOC中，Tools/ComponentPlacement/AutoPlacer

如下图所示，有成组放置和统计放置（后者适合元器件比较多的场合）。

在自动布局之前，应该通过“Place/line”,画出自动布局限制范围的矩形区域。

自动布局

布线规则设置：

Design/Rules,一般采用默认设置即可。

布线方式：

自动布线、手动布线。

自动布线：

AutoRoute/All，采用默认设置，单击“RouteAll”确定。

一般采用自动布线和手动布线相结合的方式。

AutoRoute/Net进行局部元器件自动布线。

手动布线：

单击工具栏上的快捷按钮

，进行手动布线。

敷铜操作：

单击工具栏上的快捷按钮

，跳出下图对话框，进行敷铜。

敷铜对话框

单击“OK”，画出矩形区域，则在其内部完成敷铜操作。

5、创建元器件封装

元器件封装是元器件在电路板上的外形与引脚之间的关系图。

它是Protel中的元器件跟实际的元器件对应的纽带，它要依据实际元器件的尺寸和焊盘间距来制作，它是以PCB库文件的形式保存的。

，依次是放置直线、防止焊盘、放置过孔快捷按钮。

三、控制步进电机电路的制作

1、原理图的绘制

电路基本功能：

以上电路负责将PC机上的MACH3软件送出的控制信号分别传送至X，Y轴的驱动器，根据控制信号控制电机的转速、位置和方向。

并把X，Y轴上限位开关的信号转换成EStop信号和原点信号反馈给MACH3软件进行控制。