医用步进电机驱动实验.docx

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医用步进电机驱动实验

《医用电子综合实验报告》

学院：

药学与生物工程学院

专业：

生物医学工程

学号：

XXXXXXXXX

姓名：

XXX

指导老师：

XXXX

实验一：

医用步进电机驱动实验

1、实验目标或要求

实验目标：

学习步进电机基本原理，了解相关器件的相关原理，设计步进电机硬件电路，编写步进电机上、下位机程序实现电机正转、反转、加速、减速、匀速、急停等功能。

实验要求：

1.利用上位机经由单片机控制步进电机实现加速、匀速、减速、正反转、急停等功能。

2.步进电机8拍驱动。

3.自己焊接电路板，编写上、下位机软件。

4.独立完成，独立答辩。

5.实验报告按统一格式。

2、实验原理

1.步进电机：

1.1步进电机定义：

步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置质取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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。

图1步进电机内部构造图2步进电机驱动码

四相八拍运行方式

1.2步进电机的工作原理

　　本实验为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图3四相步进电机步进示意图

　　开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

　　当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

　　四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

　　单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2.a、b、c所示：

a.单四拍b.双四拍c.八拍

图4步进电机工作时序波形图

2.驱动模块：

2.1系统原理图如下：

图5驱动模块原理图

JP1：

逻辑输入端，为IN1\IN2\IN3\IN4，其中IN1、IN2控制电机M1；IN3、IN4控制电机M2。

例如IN1输入高电平1,IN2输入低电平0，对应电机M1正转；IN1输入低电平0,IN2输入高电平1，对应电机M1反转，调速就是改变高电平的占空比。

U1A-U1D：

为TLP521-4光隔，作用是光电隔离，保护因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。

PWMA、PWMB：

L298N使能端（高电平有效，常态下用跳线帽接于VCC），可通过这两个端口实现PWM调速（使用PWM调速时取下跳线帽），具体参考L298N芯片手册。

VIN：

电机供电电源接口，如果电机采用9V供电，那么电源正极接VIN，负极接GND即可。

VCC：

L298N芯片供电5V，此模块需要外接（最好取逻辑部分的电压供电）

（ps:

电机类似于电感的性质，有可能会发生自感，为了防止电源关闭时自感电压击穿开关元件，所以设置了这些续流保护二极管作为自感能量的释放途经。

同时也是防止电机受外力作用运转时发电造成芯片损坏。

）

2.2H桥

图6H桥式电机驱动电路

如上图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。

该流向的电流将驱动电机顺时针转动（如图7）。

当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，该流向的电流将驱动电机逆时针转动（如图8）。

图7顺时针图8逆时针

2.3L298N内部原理图

2.4稳压电路（12V到5V芯片LM78L05）

2.4.178L05输入输出加电容的作用：

a.输入端加电容是相当于平滑电容，起到一个滤波的作用，提高IC工作的稳定性。

输出端加电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。

b.滤波作用，78L05是线性稳压，所以其输出波形杂波比较严重，而且输出会复制输入的波形出来。

所以前后都要滤波。

3、系统构成框图

（ps:

L298N芯片供电VCC接AT89S52单片机的电源。

L298N供电的5V如果是用另外电源供电的话，（即不是和单片机的电源共用），那么需要将单片机的GND和模块上的GND连接在一起，只有这样单片机上过来的逻辑信号才有个参考0点。

）

4、实验电路原理图

5、程序流程图及关键代码

程序流程图：

关键代码：

6、仿真图及其结果

7、实验硬件照片

8、调试

9、实验的结果

成功实现了12v稳压到5v，成功实现了步进电机的正转，反转，加速，减速，匀速，急停。

10、结论

成功设计了步进电机电路，并焊接，调试成功。

实现了下位机控制步进电机的正转，反转，加速，减速，匀速，急停。

了解了步进电机原理，知道了L298N内部原理（H桥），并成功设计了稳压电路。

参考文献

XX文库\专业资料\工程科技\电子/电路《2相四线,四相五线,四相六线步进电机接线及驱动方法》

电子发烧友网\电子技术应用\电子技术\电路图\电动机控制电路图《四相步进电机原理图》

XX文库\专业资料\工程科技\信息与通信《L298N模块原理图及使用说明》

XX文库\专业资料\工程科技\电子/电路《78L05电路说明》

《单片机原理及应用（C语言版）》周国运鲁庆宾著

附录：

程序清单（含注释）