步进电机驱动电路精选(九篇)

第1篇：步进电机驱动电路范文

概述

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，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，从而达到调速的目的。

目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计选用第三种方案，用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性，步进电机控制框图见图1。

硬件简介

PMM8713原理框图及功能

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器，适用于控制三相或四相步进电机。控制三相或四相步进电机时都可以选择3种励磁方式，每相最小吸入与拉出电流为20mA，它不仅满足后级功率放大器的输入要求，而且在其所有输入端上均内嵌施密特触发电路，抗干扰能力强，其原理框图如图2所示。

在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入发。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法时，CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入时，步进电机的正反转方向由U／D的高、低电位决定。

激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

SI-7300A的结构及功率驱动原理

SI-7300A是日本三青公司生产的高性能步进电机集成功率放大器，该器件为单极性四相驱动，采用SIPI8封装。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路，也是最常用的高性能驱动方式，其中一相的等效电路图如图3所示。

LM331芯片

LM331是美国国家半导体公司生产的双列直插式8脚芯片，只需接入几个外部元件就可以方便地构成电压／频率(V／F)变换电路，电路如图4所示。

LM331的输出频率和输入电压存在如下关系：fo=Vi／(IRtIRL)，其中t,sub>1由外接的定时元件Rt和Ct决定，t1=1.1RtCt，IR由内部精密电流源提供，IR=1.9V／Rs。故fo=ViRs／(2.09RtRLCt)。Rs为可调电阻，它的作用是调整LM331的增益偏差。Ct为滤波电容，一般为0.01～0.1μF，在滤波效果较好的情况下，可使用1μF的电容。为了提高精度和稳定度，组容元件选用低温度系数的器件。

应用举例

用PMM8713步进电机环形分配器与S17300A步进电机功率放大器设计了一个四相步进电机功率驱动电路，PMM8713采取单脉冲输入、1-2相励磁方式，电路如图5所示。图中PD控制端为S17300A的输入电流Io调节端，可悬空或接高电平，接高电平时可适当提高S17300A的输出电流Io，在本应用系统中悬空使用。图中PMM8713的时钟脉冲输入信号由LM33l(V／F)输出，方向控制信号和步进电机的起停信号由窗口比较电路给出。

窗口比较电路为步进电机提供方向控制信号和步进电机的起停控制信号，电路如图6所示。其中，U1、U2为数控等离子切割机弧压的上、下限电压，Ui为检测到的弧压。当Ui＞U1，V3输出为高电平，V4输出为低电平， V5输出为高电平；当U2＜Ui

方向控制信号V3或V4输出端接PMM8713的C／D，控制步进电机的正反转；U5输出端接PMM8713的复位端R，控制步进电机的起停。LMM331(V／F)输出端fo接PMM8713的CK，为步进电机提供脉冲控制信号。由此可见，当U2＜Ui＜U1时，V5输出为低电平，步进电机不运动；当Ui＞U1或者Ui＜U2时，V5输出为高电平，步进电机运动(步进电机的正反转由方向控制信号控制)至U2＜Ui＜U1的范围内，从而保证Ui始终位于U2＜Ui＜Ul范围内。

结束语

该驱动电路被用于数控等离子切割机弧压自动调高系统中，系统中的电机是42BYG009型混合式步进电机，驱动电压为直流24V。通过实践证明该步进电机功率驱动电路控制系统结构简单、性能稳定、效率高、矩频特性好，可广泛应用于小型机电一体化设备中。

参考文献

[1]日本SanKen电子公司网站资料．WWW.sanken-ele.co.jp/en

[2]谭建成．电机控制专用集成电路．北京：机械工业出版社，1997．

第2篇：步进电机驱动电路范文

【关键词】永磁同步电机；驱动；负载试验；ACPL-38JT；IGBT

1.引言

Avago公司的ACPL-38JT是汽车IGBT用栅极驱动光耦器，输出电流2.5A，集成了去饱和(VCE)检测和故障状态反馈，满足汽车电子AEC-Q100 Grade 1标准要求，可驱动IC=150A，VCE=1200V的IGBT，最大开关速度500ns，VCM=1，500V时15kV/μs共模抑制(CMR)能力，IGBT“软关断”，5-30工作电压，工作温度-40℃到+125℃。ACPL-38JT光电耦合器的带滞后欠压锁定(UVLO)保护功能可通过强制降低输出来保护IGBT免受门电压不足的干扰。集成的IGBT门极驱动器专为增加电机驱动的性能和可靠性并且不影响离散设计的成本、尺寸和复杂性而设计。该设备配有小尺寸16引脚(SO-16)表面贴装，符合UL 1577，IEC/EN/DIN EN 60747-5-2和CSA工业安全标准。

ACPL-38JT主要用于绝缘IGBT/MOSFET逆变器栅极驱动，汽车用DC/DC转换器，AC和无刷DC马达驱动以及UPS。

因此，本文针对ACPL-38JT栅极驱动光耦器进行深入研究，设计了应用于英飞凌型号为FS300R12KE3的IGBT驱动电路，并经过了实验验证。

2.逆变器原理框图

图1为基于ACPL-38JT的车用永磁同步电机PMSM驱动系统控制框图。由逆变电路和主控电路组成，逆变电路为电压源逆变器，由膜电容（该膜电容内部集成有吸收电容）、IGBT及其驱动电路组成，由于膜电容集成有吸收电容，因此可以抑制电流纹波和换流过程中产生的母线电压尖峰，IGBT采用英飞凌型号为FS300R12KE3模块，该模块为六合一模块，如图2所示，IGBT的驱动芯片采用ACPL-38JT。主电路由DSP、CPLD、PWM输出驱动电路、选编解码电路、电流电压采样电路、故障保护电路、CAN接口电路组成等组成。

3.基于ACPL-38JT的驱动电路设计

3.1 驱动电路电源设计

ACPL-38JT驱动芯片的引脚定义如图3所示。为保证IGBT的可靠开通和可靠关断，ACPL-38JT的VCC2-VEE之间的电压设计为24V，通过模块电源来实现，IGBT的门驱动电压G-E设计为18V，VEE2-E设计为-6V，其实现通过18V的稳压二极管来实现，电路园路图分别如图4和图5所示。

3.2 滞后欠压锁定电路和输入互锁电路设计

如图6所示，为保证驱动电路的可靠性，在电路中设计有滞后欠压锁定电路，当电源电压低于一定值是输出滞后欠压信号，根据该信号对IGBT进行保护。为保证输入PWM波出现上下管子直通，设计了输入互锁电路，Q44最主要起互锁作用，当两路PWM信号(同一桥臂)都为高电平时，Q44导通，把输入电平拉低，使输出端也为低电平。图6中的互锁信号lock1和lock2分别与另外一个38JT另一桥臂lock2和lock1相连。

3.3 U相下桥臂的驱动电路

根据前面的分析设计了基于ACPL-38JT的六合一的IGBT驱动电路，图7中给出了U相下桥臂的电路原理图，为提高电路的驱动能力，采用推挽电路来实现，输出电压VOUT经过两个快速三极管推挽输出，使驱动电流增大，能够快速驱动1200v、300A的IGBT。同时IGBT的导通和关断电阻可以根据需要进行选择，开通电阻可在5欧和2.5欧之间选择，关断电阻可在5欧、2.5欧和1.6欧之间选择。

4.实验结果

在完成驱动电流的基本测试后，将驱动电路装到IGBT上，带上电机负载进行试验，试验结果如后所述。

4.1 驱动电压波形中开通过程米勒平台考察试验

为了考察母线电压对米勒平台的影响规律，在母线电压分别为100V和400V时静态测试(未转动电机)开通过程的驱动电压波形，分别如图8和图9所示。母线电压升高后，驱动电压开通过程米勒平台开始出现变形。但是从上图对比可以看出，该电压“凹陷”过程并未影响开通时间，而只是在原有应为平台的区段出现变形。

4.2 稳态时母线电压幅值对驱动电压的影响

不同电压下稳态时的A相上管驱动电压Uge如表1所示。因此，稳态情况下，母线电压幅值对驱动电压Uge影响很小。

4.3 稳态时电流大小对驱动电压的影响

在400V母线电压下，测试不同电流下的A相上管和C相下管驱动电压，结果如表2所示。因此，稳态情况下，电流大小对驱动电压Uge影响也很小。并且不同管子的的驱动电压有较大差异。

4.4 电机电流波形

测试的母线电压为300V时，转速为700rpm，当相电流升至360Arms时电流波形如图10所示，图中1通道为驱动电压波形，2通道为电机电路波形，检测电流的过程中，对电流卡钳的量程进行了设计，所以示波器上显示单位为毫伏。

5.结论

本文对ACPL-38JT驱动芯片进行分析，通过对电源电路、滞后欠压锁定电路和输入互锁电路、驱动推挽电路和驱动电阻等电路的设计，最终完成针对英飞凌型号为FS300R12KE3的IGBT驱动电路的设计。经过带电机负载试验，本文所设计的ACPL-38JT驱动电路满足驱动电机负载的需求。

参考文献

[1]/public/art/artinfo/id/80008531.

[2]申翔.IGBT集成驱动模块的研究[J].电源技术应用,2006(9):49-53.

[3]丁浩华,陈辉明.带过流和短路保护的IGBT驱动电路研究[J].电力电子技术,1997(1):30-32.

[4]李宏.电力电子设备器件及集成电路应用指南(第一分册).电力半导体器件及其驱动集成电路[M].北京机械工业出版社,2001.

第3篇：步进电机驱动电路范文

关键词：步进电机；STC89C52；ULN2003；4X4矩阵键盘；TLP521―4光耦

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)24-6017-03

1 绪论

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置分别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，从而达到调速的目的。

步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。基本上涉及到定位的场合都用得到。此外还广泛应用于喷涂设备、医疗仪、ATM机、喷绘机、刻字机、传真机、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

由于步进电机在生活中有着广泛的应用，所以对步进电机的研究是非常有意义的。通过这次设计，在步进电机各项控制功能实现的基础上，希望能对步进电机控制的精度能有一定的提高。

2 步进电机控制系统的整体框架功能概述

本步进电机控制系统的设计方案框图如图1所示，该设计采用了STC89C52单片机作为控制系统的控制器。本设计要完成对步进电机启动停止的控制，设计中用矩阵键盘做控制信号，然后通过单片机发出频率不同的脉冲信号，实现对步进电机相关功能的控制。

ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。

3 步进电机控制系统硬件设计

本系统是基于嵌入式单片机的步进电机控制系统。采用STC89C52作为本系统的处理器。采用外接的+5V直流电源供电。采用ULN2003作为步进电机的驱动芯片。步进电机运行状态采用4位共阳数码管进行实时显示。步进电机的控制命令是通过 矩阵键盘输入的。当步进电机的运行转速超过额定转速时将启动我们的报警电路进行声光报警。该系统还可以通过RS232串行通信接口与PC机进行通信。

本系统共包括5个功能模块，分别是键盘模块、显示模块、驱动电路模块、电源输入模块、串口通信模块。步进电机控制系统硬件结构图如图2所示。

由于本系统的功能模块比较多，不能一一介绍，下面以三个比较重要的功能模块为代表向大家作一个介绍。

3.1 键盘模块

如图3所示为矩阵键盘电路。步进电机的控制命令就是通过矩阵键盘输入的，对步进电机的控制命令有启动、停止、转速加、转速减、正反转切换。矩阵键盘的行线分别与单片机的RC4～RC7端口相连，列线分别与RC0～RC3端口相连。由于PIC单片机端口的特殊性，需要在矩阵键盘的行线和列线上分别接上5.1K的上拉电阻，以确保没有键按下时，单片机读入的是可靠的高电平。本系统键盘识别方法采用的是线反转法。线反转法分为两个操作步骤：①先让行线编程为输入线，列线编程为输出线并使输出线输出全为低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行。②再把行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出为全低电平，则列线中电平由高变低的所在列为按键所在列。最后综合上述两步的结果，可确定按键所在的行和列，从而识别出所按的键。

3.2 驱动模块

步进电机驱动电路如图4所示。步进电机驱动脉冲从单片机输出后送入光电耦合器进行隔离，之后送入ULN2003进行放大，最后就可以驱动步进电机运行了。光电耦合器能有效的将控制电路与负载电路隔开，避免了负载电路对控制电路的干扰。增强了系统的稳定性和抗干扰能力。TLP521-4和ULN2003之间接了4个2K的电阻是限流作用，用于驱动ULN2003。后面的4个10K的上拉电阻，可以增强步进电机的抗干扰能力。

ULN2003介绍：

ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿管最大驱动电压为50V，集电极最大驱动电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此芯片主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器等。

ULN2003内部单元结构示意图如图5所示。ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7kΩ的串联电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置连接。ULN2003采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动步进电机或继电器，也可直接驱动低压灯泡。内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管（见内部单元结构示意图），通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时COM引脚应该悬空或接电源。

3.3 显示模块

这一部分由4位LED数码显示管组成，我们采用的是共阳的数码管。主要显示电机的转速和正反转。我们用P0.4―P0.7来控制 4位LED数码显示管的位选功能。由于单片机P0口的驱动能力不够。所以采用PNP型三极管9012来驱动。

位选的工作原理是：9012的发射极用+5V电源拉高，基极接单片机的P0.4―P0.7口，因为P0口加了上拉电阻所以此时单片机输出的是高电平，9012不导通。当程序控制P0.4―P0.7时，单片机输出低电平，基极为低电平，三极管导通，集电极为高电平，位选成功。

我们用P2口作为4位LED数码显示管的数据输出接口，采用定时来循环输出。

显示模块电路见图6。

4 步进电机控制系统软件设计

如图7所示为步进电机控制系统软件结构图。

5 系统指标参数计算公式

本系统采用的时钟为4MHz，那么时钟周期为1μS，由于本系统采用的控制器为PIC16F877A，所以系统的指令周期为4μS。

转速计算：我们采用8拍模式控制：每个脉冲转0.9°，每个周期只需8个脉冲的时间。设频率为f（HZ）转速为N（r/min），则：

（5-1）

单片机定时器定时时间的计算：

方式1工作： 机器周期：（11.095MHz晶振） （5-2）

设T0的初值为X：

（1ms定时） （5-3）

所以X=64536=0×FC18

6 结束语

本文是基于步进电机在生活中的广泛应用，采用STC89C52单片机作为步进电机控制器，ULN2003作为步进电机驱动器，实现了一种基于嵌入式单片机的步进电机控制系统。系统成功实现了对步进电机的启动、停止、正反转、加减速、超速报警等工作状态的有效监控。同时本系统扩展的串口通信电路接口和无线收发模块电路接口对步进电机在工业生产中的推广应用也有积极的意义。

参考文献：

[1] 李学海.PIC单片机实用教程――基础篇[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2] 汤竞南,钱昊,国海欣.PIC单片机基础与应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[3] 陈隆昌,阎治安,刘新正.控制电机[M].3版.陕西:西安电子科技大学,2000.

[4] 赵化启.零基础学PIC单片机[M].北京:机械工业出版社,2010.

[5] 黄法,孔秀华.基于PIC16F873单片机的步进电机控制系统[J].现代电子技术,2009(12):175-178.

[6] 宋景,黄昊晏.基于PICl6F877A单片机软件环分的步进电机控制系统[J].自动化技术与应用,2009(28):128-131.

第4篇：步进电机驱动电路范文

【关键词】步进电机；控制器；信号调制

1.引言

三相混合式步进电机驱动器的主要目标是控制步进电机的旋转位置，在传统的控制中，对于步进电机控制位置角的控制主要由转子齿数以及定子极对数决定，但是随着电力电子控制技术的进步，以及工业控制对于位置控制的精度要求不断地提高，提出了对原有混合式步进电机电流再细分的控制，这样可使得电流空间转角的步进大大减小，达到控制转子转角（位置）的目的。为了完成这项任务，在设计中把整个三相混合式步进电机驱动器分成以下控制器电路、信号调理电路以及三相电机驱动电路三个功能模块组成。

2.控制器电路

控制器电路主要由单片机组成，用于接收上位机发送的旋转脉冲信号、转向信号以及离合器信号（力矩输出或切断功能），控制混合电机细分数，和电流大小，即输出转矩。根据上位机发送信号，发送A、B相电流参考值；断电记忆当前位置；电机过流等故障诊断和处理，在设计中需要用到大约20个I/O口，其中有一些I/O接口需要有外部中断功能，主要用于旋转脉冲相应、故障中断等。控制器电路主要由单片机组成。

接收信号主要是由上位机传递过来的，为了抑制对上位机的电磁干扰，在设计中采用光耦作为电平转换电路。设计中原先采用6N137光耦，它有一个优点就是能够有控制位/掩码（Mask Bit）能够屏蔽信号输入。但是，每片芯片只集成一个光耦，而输入信号共有三路，这样需要三片，电路设计中增加了成本和空间，因此改用TLP521-4，它一片集成了4个光耦，提高集成度，降低了成本。它与6N137相比较只是精简了控制位，这在本设计并不需要。但是，6N137的带宽上兆，而TLP521的带宽只有5KHz左右。本系统的频率带宽理论上应该要小于1KHz。接收信号电路图如图1所示。值得注意的是：光耦输出的上拉电阻需要较大，因为在副边三极管导通时，产生的等效电阻较大，这样会影响低电平电压值。

电流细分控制电路是利用拨码开关输入给单片机，由于单片机的控制I/O受限，所以只有设置2路，共4种细分方法。图2为输入细分数和电机电流设定电路。

电机电流的大小能够决定电机最终输出转矩大小，而要使电机电流改变，则根据中叙述的要调整参考电压值的大小。而在本方案中需要改变D/A参考电压大小，这样可以改变输出正弦电压的幅值，如图3所示。

图3中所用的运放都是TL084芯片，内部集成4片双极性运放，结合图3和和图2，则输入电压大小计算公式为：

这样就可以通过改变开关电阻就能决定输出参考电压。

3.信号调理电路

信号调理电路是根据参考电压以及从电机A、B相处电流传感器得到的电流信号做PID控制输出三相控制信号，三相控制电压与载波信号（三角波调制）产生三路PWM信号。PWM信号再通过非门产生三相低侧信号，这样就产生了六路信号提供给驱动电路。

3.1 三角波发生电路

在电路中一般原理都是使用运放产生载波从而生成PWM波，本电路中使用的是两块运放形成闭环反馈得到的PWM波，调整波形偏置电路如图4所示。

信号起振原理如下：当左侧10脚电平高于9脚电平时，8脚输出电压为高电平。1N4739为12V稳压管输出电压稳在12V，而R49、C24和图右侧运放构成积分电路；当电压下降到-Vout，使得10脚的电平低于9脚这时输出电压为负电平，这时输出电压为在-12V。这时积分电路充电，14脚电平升高，当输出电平到达Vout时，电平又反转。载波实际波形如图5所示。

由于运放本身非线性存在，这样在电路中有两处修改：供电电压要高于12V，本方案中使用了14V；在闭环反馈中加入电阻R53和二极管D3，调整波形偏置。

3.2 信号调制电路

信号调制需要用到比较电路，把调制波形与载波输入到比较电路中输出PWM信号，具体电路如图6所示。

需要注意的是：比较芯片LM339输出端的集电极开路，所以如果不加上拉电阻的话将会电平悬空，具体电路结构参考器件手册。实际电路中有正负14V供电，所以输出为悬空或者-14V两种状态，然而后级芯片为CD40106，输入都为TTL电平，所以要对信号电平转化，当输出悬空时由于有上拉电阻输入信号为5V，当输出为-14V时，有4.7K和10K分压产生0V电平。

4.三相电机驱动电路

三相驱动电路主要驱动桥芯片和六个IGBT芯片组成。驱动芯片选用IRF公司的ir2130驱动芯片，高侧驱动信号的最高输出电压为600V，带有死区时间为3us。当前使用的IGBT功率管为IRG4BC30KD，参数类似的IGBT还有像ST，Fairchild，IXYS，Infineon公司的，其电路图7所示。

当IR2130驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则IR2130输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。Ir2130芯片内部有过流与欠压保护电路，以及集成一块运放电路，可以做信号放大用。设计中在三桥臂下侧串接一采样电阻，这样三相总电流可以得到输出电流可以得到。IGBT门极电路都需要加下拉电阻，防止扰动电压使IGBT误打开。

5.结束

本系统成本不高，应用了高速单片机和高细分技术，且设计半电流保持功能之后，使三相混合式的性能得到了很大的提高，高低频正反转均能平稳运行精确定位，达到了一般伺服系统的运行性能。

参考文献

[1]刘宝廷，程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[2]史敬灼.步进电动机伺服控制技术[M].北京：科学出版社，2006.

[3]钟德刚，李爱芹，罗筱宏.高跟踪频率高细分混合式步进电动机驱动器设计[J].2007，40（2）.

第5篇：步进电机驱动电路范文

关键词:单片机 步进电机 控制及驱动

步进电机是一种将脉冲信号转化成直线或角位移的执行单元,转子角位移的大小和转速分别与电脉冲的个数及其频率成正比。由于步进电机具有定位精度较高,无位置累积误差,易于实现开环控制等优点,特别是在机器人,工业自动控制,仪表等等中得到广泛应用。本系统采用当前流行的AT90CAN128单片机为核心组成控制器部分,精确度高,可同时控制2路步进电机;驱动部分采用混合式步进电机驱动芯片L297+L298,结构简单,使用方便。并且步进电机旋转方向,频率,均可通过CAN总线设定。脉冲信号输出支持步进电机匀加速,匀减速,过流,过温保护等优点,可带动2.0A一下所有39BYG,42BYG,57BYG系列二相或四相混合式步进电机。其综合性能优于传统步进电机控制器。

2 步进电机控制系统硬件设计

步进电机控制系统由AVR单片机,驱动器部分,步进电机,过流、过温保护装置等组成。如图1所示。

2.1 控制器部分设计

采用ATMEL公司的AT90CAN128来实现步进电机控制脉冲的产生。AT90CAN128是一功能强大的,低功耗的的具有RISC内核的单片机。具有128K的系统内可编程FLASH,4K EEPROM和4K SRAM,53个通用I/O口,4个具有比较模式的定时器/计数器,1个8通道10位A/D转化器,1个可编程看门狗定时器,1个JTAG测试接口等。运动控制中由AT90CAN128单片机发出脉冲信号CP,启/停状态信号POS以及方向信号DIR给脉冲分配器L297,从而控制步进电机运动状态。

此外,AT90CAN128芯片内部集成了CAN控制器,与CAN标准帧2.0A和扩展帧2.0B完全兼容,使电路大大简化了复杂性,使用户把更多精力放在软件的设计上。

单片机通过TJA1050 CAN总线收发器将报文发送到CAN的物理总线上,达到与CAN网络通讯的目的。同时单片机通过光耦P113与TJA1050 CAN总线收发器相连,以保护单片机;由于步进电机驱动器的负载功率较大,所以需要将单片机脉冲信号CP,启/停状态POS以及方向控制信号DIR通过光耦817C与驱动器部分L297+L298的强电流隔离开来。使得外部电路的干扰不至于影响和损坏单片机为核心的控制器部分,从而提高系统的可靠性,增强抗干扰能力。

2.2 驱动器部分设计

驱动器部分采用L297+L298集成电路芯片组成两相双极性的步进电机驱动电路。L297是步进电机控制器芯片,其核心是脉冲分配器。L297还设有两个PWM斩波器来控制线绕组电流,实现恒流斩波控制,以获得良好的转矩频率特性。可有半部,整部和波状三种驱动模式。H/F悬空表示整部工作方式。该器件的一个显著特点是仅需要脉冲CP,方向DIR以及启/停状态POS信号,步进电机所需相位由电路内部产生,大大减轻了CPU的负担。接线时启/停状态POS接L297的enable管脚。L297的基准电压输入端ref 用于确定电机绕组电流的稳定值。sen1,sen2引脚接电流检测电阻,用来跟ref比较确定是否斩波。inht1,inht2引脚输出斩波控制信号,而由 A、B、C、D端来控制绕组的通断与极性。如图2所示。

L298是双H桥高电压大电流功率集成电路,它接受标准 TTL逻辑电平信号,可以用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。D1到D8是由8个MOSFET功率开关管IRF540组成两个H桥电路。由于电机是感性负载,容易产生反向电动势,易烧坏芯片,这时需要功率开关管用消除反向电动势,保护芯片。W1A+,W1A-,接电机线A相;W1B+,W1B-接电机线B相。L297+L298组成完整驱动系统,驱动两相步进电动机,最高电压为46 V,每相电流达2 A。

3 电源设计

由于系统包含强电弱电两部分需要分别提供5V和18～32V两种电源,弱电给单片机供电,强电给步进电机驱动供电,且两电源不共地。

4 系统程序设计

主程序设计流程图如图3所示。程序在初始化时,由于本系统定时器设置成比较匹配清0模式,所以初始化时需要把两台电机发出脉冲CP对应的端口B和端口E的OC1A口和OC3A口设置成0,否则无法产生触发脉冲。状态信号POS1,POS2和方向信号DIR1,DIR2均设置成0,用于初始化的基态设置,表示电机停止,正方向。同理设置成1逻辑相反。采用16位定时/计数器工作于相位修正,匹配清0产生正向PWM。例如电机1对应的定时器1设置中,由ICR1输入捕获单元决定TOP值,ICR1最大值为65535。比较数据为OCR1A,当计数器往TOP计数时,若ICR1与OCR1A发生匹配,OC1A将清0为低电频。时钟频率为内部8M,预分频为8。

电机控制子程序设计:如果电机停止则可以重新设定电机方向和转速,再启动运行。步进电机的转速可以通过改变PWM波的占空比来调节,也就是改变定时器的OCR1A的比较值,OCR1A设定值越大,步进电机频率就越大,但是由于步进电机的物理限制,实际电机工作频率应设定在启动频率和最大运行频率之间。否则会产生失步和堵转现象。从而给工程项目和步进电机本身带来较大影响。

5 结语

用AT90CAN128,L297及L298集成电路组成的步进电机控制系统,具有步角距小、转矩恒定、体积小、成本低等优点。并且通过CAN口可实现和CAN网络的连接,在实际应用当中对两相、四相混合式步进电机控制和驱动效果良好,工作可靠。

参考文献

[1] 李继英.基于AT90CAN128单片机CAN总线实验方案研究.兰州交通大学学报,2007.2.

第6篇：步进电机驱动电路范文

关键词:步进电机;单片机;调速系统;Proteus

中图分类号:TP27文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-104-03

Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer

YANG Hong,LI Guohui

(Xi′an University of Post and Telecommunications,Xi′an,710061,China)

Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer,and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA,and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus,and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce system′s developing costs and cycle,and has a certain promoting value.

Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus

0 引 言

步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机则有定位和运转两种基本状态,当有脉冲输入时步进电机一步一步地转动,每给它一个脉冲信号,它就转动一定的角度[1]。步进电机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入脉冲同步,因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时,在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态,因此非常适合于单片机控制。步进电机作为一种高可控性的特种电机,利用其没有误差积累(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

英国Labcenter electronics公司推出了嵌入式设计仿真与开发平台Proteus,用户可以根据需要搭建开发平台,将编译好的目标代码加载到芯片中。目前支持的编译器有Keil,GNU以及IAR等。在Proteus软件中还可以查看多种调试信息,如源代码执行情况、CPU寄存器信息、变量值以及FLASH与RAM中的信息等。大量的元件库支持大型设计,而且在仿真中还可以观察各元件的状态。先通过Proteus仿真,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小系统开发开支和周期,值得推广。

1 系统的总体方案

该设计如图1所示,将单片机AT89C52产生的驱动脉冲通过功率放大器放大,从而驱动步进电机。通过4个按键,实现步进电机的正转、反转、加速、减速等功能,通过软件与硬件相结合的控制方法,实现了运用单片机对步进电机的稳定控制,实现grade 0~grade 9十级变速,转速分别是3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min,变速范围较广,并采用LCD1602显示屏即时显示控制电动机的转动信息。系统软件编写遵循模块化设计的原则,代码具有良好的易维护性和可移植性。本系统操作方便,可靠性高,其设计精度可以满足一般工业控制的要求,能满足现代化生产的需要,实现了对步进电机的良好控制。

图1 系统原理图

2 硬件设计

本系统的硬件设计主要包括单片机最小系统、步进电机驱动电路、LCD显示电路、键盘电路等,系统电路图如图2所示。

图2 系统电路图

2.1 驱动电路的设计

步进电机不能直接采用直流或者普通交流来供电,必须采用专门的步进电机驱动控制器,其驱动控制器一般包括脉冲发生与分配单元、功率驱动单元,闭环控制电路中还将加入反馈和保护单元。大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下,因为成本较低,并无须反馈,故本设计采用了开环控制方式。

(1) 脉冲分配器

脉冲分配器又称环形分配器。步进电机正常工作需要按照步进电机的励磁状态表所规定的状态和顺序依次对各相绕组进行通电或者断电控制,各相驱动信号来源于脉冲分配器。脉冲分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机驱动器的各相输入端,控制励磁绕组的导通或者截止。脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器,只是这种计数器的输出不是一般的编码,而是步进电机激励磁状态要求的特殊编码。

由于单片机的硬件资源完全够用,采取软件实现环形脉冲分配器的功能,使得硬件设计更为简洁。

(2) 激励方式

二相六线永磁式步进电机的激励方式有一相、┒相、一至二相三种。一相激励方式是指每一时刻四相中只有一相接通,步进电机以此方式工作时,温升较高,电源功率功耗小,但是当速度较高时容易产生失步;┒相激励方式是指每一个时刻四相中有两相导通,然后按四相的顺序循环;一至二相激励方式使步进电机工作在半步状态,与整步工作状态相比较,半步状态振动较小,且控制更准确。本设计中选用一至二相激励方式驱动步进电机。

第7篇：步进电机驱动电路范文

关键词:步进电机 光电传感器

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0110-01

随着现代社会的发展,自动控制栏杆的运用范围是越来越广泛。由于社会公共交通运输等问题的增多,人们普遍盼望一种省时省力、节约资源的自动栏杆出现。自动控制栏杆主要用于铁路道口、公路收费站、停车场及门卫等地方,通过控制器来控制步进电机运转,从而带动栏杆上升和下降,借此实现对过往车辆的拦挡和放行。

1 方案的选择与论证

本设计由硬件部分和软件部分两大部分组成。硬件系统采用STC89C52单片机作为中央处理器,采用了多路电源供电,结合步进电机驱动电路,达到过往车辆数量检测,并结合数码管显示等功能。而软件系统则采用模块化设计,包括车辆数量记录模块,距离电机驱动模块、数码管显示模块等。

1.1 电机驱动模块

电机驱动模块中所使用的是步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在步进电机运转非超载的情况下,步进电机的转速、停止的位置只取决于输入脉冲信号的频率和脉冲数,而且不受负载变化的影响,当步进电机驱动器接收到了一个脉冲信号,它就会驱动步进电机按预先设定的方向转动一个固定的角度,此角度被称为“步距角”,步进电机的旋转是以固定的角度一步一步逐渐运行的。我们可以通过控制脉冲产生个数来控制角位移量,从而可以达到准确定位位移大小的目的。当红外传感器检测到车辆通过时,单片机就会产生脉冲控制步进电机转动固定的角度,从而实现电动栏杆的起降。

1.2 过往车辆检测模块

对于过往车辆的检测则采用红外蔽障传感器,这是一种集发射与接收于一体的一体化光电传感器,检测距离是在一定范围内可以调节的,能够满足我们设计的要求。而且这种传感器易于安装,价格便宜,使用方便,应用范围广,可以广泛用于机器人蔽障,流水线计件等众多场合。

1.3 显示模块

采用四位LED七段数码管。数码管具有:低损耗、低能耗、寿命长、低压、对外界耐老化,环境要求很低。

1.4 系统各模块最终方案

根据以上分析,结合器件和设备等因素,确定了如下方案。

(1)采用STC89C52单片机作为中央控制器,分别对步进电机驱动、车辆检测、数码管液晶显示进行控制。采用单片机编程来实现,方法简单易行,利用红外传感器作为发射和接收装置。当车辆通过时,光电传感器没有接收到发射端持续发射的信号,就会产生一个高电平输入到单片机。在单片机内部采用不断寻址,单片机采用查询方式,一旦接收到高电平,则单片机就会产生脉冲输出,同时控制电机的转动,以便使栏杆抬升,使行人或者车辆能够通过。该系统容易操纵,且简单实用。

(2)显示采用数码管。数码管是一类通过显示屏对其不同管脚输入相对的电流,使其发亮,从而显示出数字。它能够显示时间、日期、温度等所有可以用数字来表达的参数。而且价格便宜,使用简单,应用十分广泛。

2 硬件的设计与实现

2.1 系统硬件模块

系统总体可以分为:电源模块电路,中央控制芯片,红外传感器检测电路,步进电机驱动电路,显示电路等部分。系统总体方框如图1所示。

2.2 步进电机驱动电路

步进电机驱动采用ULN2003A,这是一种高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅NPN复合晶体管组合而成。

2.3 红外传感器检测电路

红外传感器检测电路是用来检测过往车辆的状态及数量的,该电路采用E18-D80NK红外避障传感器,这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节,3～80cm可调。这种传感器有3根管脚,红色正极,黄色信号,黑色负极,当传感器被障碍物挡住时,就会在信号端输出一个高电平,并输出到单片机对应的引脚。

3 软件的设计与实现

系统的软件设计采用C语言,基于模块化思想,在编写过程中,通过主程序调用各模块子程序,使主程序比较简单,可读性强,结构清晰,层次明确。

4 结论

该设计操作简易,设计的移植性好,具有精度高,智能化,可靠性高,实际应用性强和价格低等优点。

参考文献

[1]邓兴成.单片机原理与实践指导[M].机械工业出版社,2009,6.

第8篇：步进电机驱动电路范文

随着技术的进步，成分分析仪器已呈现出使用门槛降低、适用范围扩大、检测能力增强的趋势，原本对实验条件有着苛刻要求的微量样品分析检测现在已经能够轻松实现，如质谱仪能够在常压下对痕量样品直接进行定量分析。而针对微量样品，大多数分析仪器并未配备专用的进样装置，进样操作或依靠实验人员手动实现，或依赖于体积庞大的三维位移平台，这对微量样品的检测带来很大不便。因此，设计一种小型的自动化微量进样装置具有重要意义。

本文以LabVIEW设计的上位机控制单片机、驱动步进电机，带动进样模块实现取样—进样，能够有效提高微量样品检测的可操作性，并可实现通量进样，具有结构简单、成本低廉、使用方便的特点。

2 系统总体设计

如图1所示，整个系统由六部分组成：上位机软件用LabVIEW编写，实现人机交互；以STC12C5410AD单片机为核心的主控模块，负责实现产生控制信号及各模块间通信；电机及驱动模块包括步进电机及其驱动电路，用以实现系统的受控运动；微量进样模块包括进样器及其支持结构，用来实现取样和进样；回零模块通过对射式光电传感器来对系统进行回零动作；清洁模块通过振动电机带动毛刷对完成检测后的进样器进行清洁。

3 系统硬件电路设计

主控模块设计 主控模块由供电电路、单片机最小系统及串口通信电路构成。供电电路采用220 V转12 V的开关电源，可直接向电机驱动器供电，通过LM2596降压电路处理后向单片机及对射式光电传感器供电。单片机最小系统采用STC12C5410AD为核心，该型单片机针对电机控制设计，内置四路PWM和MAX810专用复位电路，具有高速、低功耗、抗干扰的特性，体积小、价格低廉，符合小型化和成本控制的要求[1]。串口通信电路以MAX232A芯片为主，实现单片机与PC之间的通信。

电机及驱动模块设计 电机及驱动模块实现电能到机械能的转化，包括步进电机及其驱动电路。步进电机属于数字执行单元，每接收到一个脉冲信号转动一个固定的角度。选取步进电机是由于其具有精度高、无累积误差、不受负载变化影响、能瞬间启动和急速停止的优越特性。但步进电机不能直接通电启动，需要专门的驱动电路提供脉冲方可正常运转。

本设计中采用两相四线制混合式步进电机，内部包含两对绕组，步距角为1.8°，精度可观。驱动电路以THB7128高细分、大功率两相步进电机专用驱动芯片为核心，整个电路可分为供电部分、芯片配置部分、信号隔离部分、细分调节部分和输出电流调节部分[2]，如图2所示。驱动电流输出范围在0～2 A内连续可调，通过拨码开关可实现最高128步细分。

回零模块设计 回零模块由对射式光电传感器及其放大电路组成，实现回零动作。由于运动系统存在惯性、摩擦，步进电机可能出现失步等误差，可能导致进样针的定位出现偏差。通过回零动作，在每次系统上电后对进样针的位置进行标定，能够有效消除误差影响。回零模块位置可通过手动调节至进样位置后通过螺丝锁紧，当系统上电后自动运行，至标定位置处，传感器受到遮挡，输出电平翻转，运动停止，标定完成。其中，由于传感器的输出信号较弱，需经三极管放大后才能由单片机的IO口检测到。

清洁模块设计 在通量进样时，需要对沾有样品的进样器进行清洁，方便再次进样。清洁模块由软毛刷、空心杯振动电机及其控制电路组成，为可拆卸设计，安装在进样模块一侧，具体位置需根据运动方向而定。系统上电但处于静止状态时，单片机通过继电器控制清洁模块开始工作。在进样过程中，直径约1 cm的羊毛材质的软毛刷固定于电机顶端，空心杯振动电机带动软毛刷振动来清洁进样针上沾染的样品。电机供电电压为3 V，通过LM317三端稳压器获得，继电器控制电路在接受到单片机的信号时吸合，控制电机启动。

4 微量进样模块结构设计

传统的进样系统大多采用直线步进电机配合滚珠丝杠，体积庞大，且一次操作只能完成一次进样。本设计采用履带式转动结构，大大缩小了装置体积，降低了成本，并能够实现通量进样。微量进样模块由进样器、传动履带及其支架构成，如图3所示。微量进样的方法中，最为常用、经济的是采用针状结构的装置进行取样、持样、进样，根据文献[3]报道，采用钢针制作的进样针持样量最小可达纳升级，完全可满足大多数实验的要求。

本设计中的进样器由钢针及其夹持结构组成，钢针长度约为5 cm，针尖部分经过在稀盐酸中约半小时的浸泡，可获得纤细而不均匀的尖端，方便收集微量样品。传动履带采用内置钢丝的聚氨酯材质同步带，强度高，无挥发性气味，耐磨耐温性能好，并能抗多种酸碱和有机溶剂腐蚀。同步带内侧有梯形齿槽，与配套的同步轮啮合以保证转动的稳定性。传动履带外侧等距安装固定四个进样器，转动时进样器依次在三个位置之间循环：进样位—清洁位—取样位—进样位。转动方向可根据需要改变，但需同时调整清洁模块的安装位置。

5 系统软件设计

下位机设计 下位机完成四个功能：

1）系统的初始化；

2）系统上电后自动执行回零动作；

3）串口通信；

4）清洁模块控制。

主程序流程如图4所示。

上位机设计 LabVIEW上位机软件实现最顶层的控制：

1）配置串口通信[4]；

2）电机运行速度及运行方向设定；

3）电机启动和停止控制。

在LabVIEW2013平台上编写的上位机程序负责将用户的命令传达至单片机[5]，可方便地控制单片机发出不同频率的脉冲进行10档调速、通过。经过安装后的校准，粗调可使进样器直接转动至下一个工作位置。考虑到不同环境下的需求不同，进样器停止时间不作限制。细调一次使单片机向步进电机发送一个脉冲，用于对进样器位置进行微调。将VI程序封装成为可执行文件后，能够方便地在其他PC上安装并使用。基于LabVIEW编写的上位机程序界面如图5所示。

6 结语

本文设计了一种小型自动化微量进样系统，系统由上位机软件、主控模块、电机及驱动模块、微量进样模块、回零模块和清洁模块六部分组成，能够实现通量进样，体积小、成本低，结构简单，操作方便，控制精度高，在运用分析仪器进行微量样品分析的场合能够广泛应用，大大提高对微量样品检测实验的可操作性。   [提供， 第 一论文 网专业写作教育教学论文和本科毕业 论文以及服务，欢迎光临DYlw.nET]

参考文献

[1]朱兆优.单片机原理与应用：基于STC系列增强型8051单片机[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.

[2]陈学军.步进电机细分驱动控制系统的研究与实现[J].电机与控制应用，2006，33（6）：48-50.

第9篇：步进电机驱动电路范文

中药智能配药系统（Intelligent Dispense System for Chinese Medicine）是随着中医院流程系统管理向电子化、网络化的方向发展而产生的。该系统工作的过程是：首先通过医院内部局域网将在终端电脑上开出的处方传至药房配药主控计算机，然后由主控计算机在查询药品数据库的基础上形成配药指令并下达给配药机器，完成配药过程。同时，主控计算机在配药机器终端的液晶显示屏上显示患者信息，并驱动打印机输出处方的综合信息，将处方综合信息连同配药机器输出的配好的分帖包装中药一起交付患者使用。中药智能配药系统的控制系统可分为机电控制系统和上位机软件控制系统，其结构框图如图1所示。

1 机电控制系统

机电控制系统为分层分布式结构，采用上位机＋下位机＋集成电路板的技术进行综合控制。其电路系统结构框图如图2所示。具体介绍如下：

（1）上位机使用PC机，负责管理级和监控调度级的控制。上位机不采用工控机的原因是因系统对于界面、数据库处理及网络联系等均有较高的要求。上位机的主要功能是将人机界面输入的二进制编码信息通过RS－232串口传送给下位机，并对下位机的工作状况进行实时监控，完成药方打印和液晶显示。另外，它与药品管理信息系统之间的信息交互，是通过医院内部的局域网来进行并采用TCP／IP协议实现的。

（2）下位机负责设备级控制。其功能是接收并解码上位机发送的二进制配药信息，然后根据配药信息选定所需药品，驱动相应集成电路板进行下药控制，并驱动机械手进行定位、取出药品、包装成袋，连同打印药方一起交付患者。下位机之所以采用PLC而没有选择价格相对低廉的单片机，原因之一是为了满足中药配药机对高速运作的要求，X轴导轨和Y轴导轨均采用伺服电机驱动，而单片机对伺服电机的控制能力相对较差，很难做到精确控制；原因之二是中药智能配药系统对可靠性的要求很高，而单片机的稳定性与PLC相比要差一些，且容易受到外界电磁的干扰。

（3）下药直流电动机的控制采用以ALTERA

公司的ACEX1K芯片为核心的集成电路板来完成。在该芯片中集成了在Max＋plus II开发系统中用VHDL语言编写的控制、计数和定时功能。该电路板的功能是接收从PLC发来的命令和药品质量数，控制电动机的转数，在0．07g／转的精度下完成规定重量的下药。由于本系统使用了多达420个下药直流电机，因此采用可减少I／O点数及PLC布线的集成电路板。该系统的所有下药电机由28块集成电路板分别控制，每块集成电路板控制的下药部分相对独立。这样，检查和维修不受位置限制，具有较高的可靠性和性价比。

1．1 PLC控制

1．1．1 PLC配置

本系统PLC配置采用OMRON公司的C200HE型PLC，并在其基础上扩展了一个16点继电器型开关量输出模块C200H－OC225、一个32点晶体管型开关量输出模块C200H－OD215、两个16点开关量输入模块C200H－ID212和一个四轴位置控制模块C200HE－NC413。各模块的作用为：

（1）两个输入模块用来接收配药机器中各种接触器的位置反馈或动作的故障反馈，对其配置无特别要求；

（2）两个输出模块发出指令，用来操作配药机器。继电器型开关量输出模块驱动电流大，但不能频繁动作，因此用来控制所有电磁阀和各种直流电机、步进电机；晶体管型开关量输出模块则正好相反，且其输出为TTL电平，具有可以与其它集成电路接口的优点，用来驱动集成电路完成下药操作。

图3 伺服电机控制电路

（3）四轴位置控制模块用来控制四轴（X、Y、Z、U）互相独立的两个伺服电机和三个步进电机。在X、Y轴上分别配置了两个伺服电机，而三个步进电机由于工作时间互相错开，全部配置在U轴上。另外，X、Y轴上各有左右限位开关和原点接近开关3个，Z轴有原点接近开关1个，这样，共7个接近开关接到C200HENC413上。该模块以不超过10ms的响应时间从PLC内存取得命令，在500kp／s的高频脉冲下与PLC内存数据建立映射关系，完成通过修改内存数据定位伺服电机和步进电机的位置以及通过内存数据反馈伺服电机和步进电机的位置情况的功能。

1．1．2 伺服电机控制电路

在本系统中，配置了两个OMRON公司的SMARTSTEP A伺服系统，对X、Y轴完成定位操作，具体控制电路如图3所示。其中包括四轴位置控制模块C200HE－NC413、通用控制电缆R88A－CPU002S、伺服驱动器R7D－AP04H、伺服电机R7M－A40030－BS1（为带制动器的带键直轴圆柱形电机）。图中，CN1代表伺服驱动器，CN2代表与伺服电机同轴的分辨率为2000脉冲／转的光学增量型编码器用连接器，它可以完成从驱动器到伺服电机的具有位置反馈和速度反馈的闭环控制。在伺服电机中，M代表电机本身，E代表编码器，B代表动力制动器。由于固定脉冲代表固定距离，因此当伺服电机接收到控制系统发出的若干条脉冲指令后，就可以完成预定的定位。在本系统中，设置电机的分辨率为5000脉冲／转（0．072度／步），伺服电机连接的同轴减速器比例为31，其带动导轨移动的速率为60mm／转。因此，伺服电机带动导轨移动的速率为20mm／5000脉冲。伺服电机控制电路的控制原理为：位置控制单元从设备处得到各种控制信号，并根据不同药罐间的距离与20mm／5000脉冲的数据大致算出映射到四轴位置控制模块NC413在PLC中的脉冲数据；然后通过通用控制电缆输出高速脉冲给伺服驱动器，由其驱动伺服电机，使之根据误差反馈自动微调该数据，最终达到精确定位的目的。

图4 步进电机控制电路

1．1．3 步进电机控制电路

步进电机驱动器与C200HE－NC413的连线类似于图3中伺服电机驱动器与C200HE－NC413的连线，而步进电机驱动器与步进电机间的连线则如图4所示。本系统中控制机械手摆动的步进电机采用STONE公司的86BYG250B，驱动器采用STONE公司的混合式步进电机驱动器SH20806C；控制送袋与推袋的两个步进电机采用SANYO公司的103H548，驱动器采用STEP公司的四相混合式步进电机细分驱动器ST4HB03X。步进电机的控制类型为不具有位置反馈功能的开环控制，控制方法为在确定运动起点与终点的基础上，将位移或角度改变

以200脉冲／转（0．18度／步）为分辨率转变为脉冲数，写入映射在NC413中的内存位置，从而控制步进电机完成定位。1．2 系统工作步骤

系统中有各种电机、限位、定位用传感器以及与真空气泵连接的电磁阀，可以完成取空药袋、打开空药袋及封装、输送药袋等功能，其工作时序见图5。

图5 系统工作时序图

1．3 PLC程序实现

利用OMRON的编程软件CX－Programmer完成梯形图的编写，程序包括如下六个模块：

（1）初始化模块，其功能是将PLC的内存单元初始化，进行电气部分的归零操作，目的是为配药系统进行运转做好准备，防止误操作对系统造成不可挽回的破坏；

（2）接收模块，其功能是接收上位机界面中输入的二进制编码的信息（包括药品种类、数量、贴数等），存入预先定义的内存单元；

（3）发送模块，其功能是将药品种类、数量等按照数据库与伺服电机结构中已定义的方式分别转变为下药直流电机位置和转动圈数，并发送到集成电路板，完成下药操作；

（4）反馈模块，其功能是接收来自集成电路板的直流电机转动停止（即规定重量下药动作完成）的反馈信号；

（5）控制模块，其功能是在确定下药过程完成后，驱动机械手完成取空药袋、打开空药袋、定位及集药等任务，并驱动药袋封口装置动作，触发直流电动机带动皮带转动，送出药品；

（6）故障处理模块，其功能是接收各处传感器反馈的接近或故障信号，随时停止系统的配药动作，以进行故障处理。

此外，在发送模块和控制模块中建立时间联系，使得在一次多贴药配药过程中，下一贴药的下药、取空药袋动作与上一贴药的封口、传输动作并行进行，缩短了配药时间。

2 上位机软件控制系统

上位机软件控制系统包括药品信息数据库和人机对话界面，前者主要存储医院的药品信息，包括名称、数量、价格、药性、有效期等；后者则与数据库建立连接，可以实现查询、开处方、药品管理、处方管理、打印、液晶显示等功能。其流程图如图6所示。

2．1 工控组态软件FIX32

FIX32是美国 Intellution公司开发的基于视窗的大型应用软件，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件。在本系统中，应用FIX32编写了主界面和系统运行的动态模拟显示程序。

（1）主界面是上位机与下位机之间的连接桥梁，其功能是与VB编写的界面建立联系，激活配药控制界面和药品管理界面。

（2）系统运行动态模拟显示的实现方式是首先在

FIX32的DRAW模式下画出整个配药系统的模拟图，包括静止物体及各种动作显示，设定限位与故障反馈警报；然后在FIX32中对I／O点进行组态，并在数据库中建立各药罐、各动作I／O类型及其在下位机PLC中的地址。这样，当PLC中的程序开始运行时，相应地址中的模拟量或开关量便发生变化。这种变化可在配药系统动作的同时显示到动态模拟界面，使动态模拟同步进行。在配药系统封闭运行的情况下，其作用之一是可以从动态模拟画面中实时观察到系统的运作情况，之二是可在系统发生可反馈性故障时在第一时间得到提示，快速完成对故障的调整。

该部分软件包括取药与加药两个模块，均具有权限控制功能，用户需输入密码，可保证系统的安全性。VB界面框架图如图7所示。

取药模块的主要任务是与ACCESS数据库取得联系，将需要的药品名、数量、贴数等通过FIX32传入下位机中，完成取药操作。其中，在数据库中的药品名采用拼音查询，数量与贴数则可多次修改。同时，VB还要向液晶屏输出患者及处方信息，并完成处方打印。

在取药模块中进行了取药任务优化处理算法的设计，其目的是在医生开药顺序任意的情况下完成最短时间的配药过程。由于机械手在X、Y轴伺服电机的控制下的匀速行走速度为1m／s，因此时间最短即为行走路线最短，这个问题等价于典型的旅行商（TSP）问题。在本系统中，420个药罐分为前后两面各14行等距排列，每一面中又分左右两侧各7行，每行15个。此外，药罐位置每单位Y轴坐标与三个单位X轴坐标相同，且机械手对前后两面的取药由步进电机摆动控制。经过简单计算可以确定本系统中实际节点应为66个。采用新的禁忌遗传算法在VB中编程，该算法对多节点系统设置禁忌步长和松弛步长。引入张弛效应，与传统遗传算法相比，减小了可行解空间，提高了收敛速度。