1、第3期20lO年9月机 电 元 件ELECTRoMECHANICAL c0MPONENISVoL 30 No3MaL 2010单片机连接ULN2003驱动步进电机的应用江衍煊。郑振杰。游德智(福建交通职业技术学院，福建福州350007)摘要：介绍了uLN2003的特点与电路结构，采用单片机连接uLN2003组成的驱动系统来驱动步进电机。关键词：单片机；uLN2003；步进电机Doi：103969jissn1000一613320100300r7中图分类号：TM503+5 文献标识码：A 文章编号：10006133(20lO)03一0028一04The Applications about SCM
2、 Connecting ULN2003to DriVe Step MotorJIANG YanX岫n，ZHEN ZhenJie，YoU DeZm(Fujian Communications Technolog)，CoUege，Fuzhou 350007)Abstract：ne paper desc曲es the characteristics肌d circuit of ULN2003，and desigIls tlle system 0f motordrive using the microcomputer combined with tlle ULN2003 to driVe tlle st
3、epper motorKey words：SCM；ULN2003；8tepper瑚Iotor1 引 言单片机AR9C51对四相步进电机进行控制时，需要通过IO口输出具有一定时序的方波作为步进电机的控制信号，但是仅靠该TTL电平却无法直接驱动电机，如果采用74LS373进行驱动电机，必须增加许多寄存器才能驱动。因此提出电机驱动芯片uLN2003来驱动步进电机。2 驱动芯片uLN2003的介绍uLN2003是一种高耐压、大电流的达林顿陈列，由七个NPN达林顿管组成，每一对达林顿都串联一个27K的基极电阻，在5V的工作电压下收稿日期：20lO一726与m和cMOs电路直接相连，可以直接处理需图1 u
4、LN2003部结构万方数据第3期 江衍煊等：单片机连接uLN2003驱动步进电机的应用要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003的内部结构如图1所示，灌电流可达500mA，并且在关态时能够承受50V的电压，可以在高负载电流并3 驱动电机系统电源：5V。，AT89c5l 豚取小C曲P上e，p2ll哪阪2似11)pz3l刁盹u习一z5l哪P2C1分P王7P3冀融P3l，TX瑚p置翊费隋n师p3-九1P，imP，鬲i丹1浓5为砭27行输出运行。其中由单片机A鸭9c51的2528脚作为ULN2003的14口输入端所构成的步进电机驱动电路如图2所示。雕UIN2喇图2单片机控制步进电机线路电机驱动的关键
5、是精确控制电机旋转的角度。程序设计时要根据传感器的信息判断旋转方向，以便启动相应的转动方向子程序。正反控制程序分别按控制脉冲顺序的要求采用相应的控制模型，并判断是否大幅度转向，采用调节脉冲宽度的方式来实现电机调速。程序设计时把步进电机的控制方式建立成控制模型，并以数据表形式存于存储器中，设计程序时就可以直接调用该存储器的数据。以四相电机为例，假设按照四相八拍控制模式进行设置，用单片机A1矽C5l的P24、P25、P26、P27分别控制步进电机的四相，根据表l，将正转模型设计为：AC、A、AD、D、BD、B、BC、C；反转模型设计为：C、BC、B、BD、D、AD、A、AC，并采用寄存器进行计数，
6、达到控制步进电机转动的步数。步进电机的脉冲控制通常由逻辑电路来实现，单片机控制时可以通过编制程序由扩展IO口输出脉冲来决定电机的运行方式、方向及转速。为了能够提高电机转动的精确度，设计减速齿轮的减速比为l：90的传动机械，也就是步迸电机转动90度时，外界所观察到的设备才变化l度。D图3 四相步进电机步进示意图步进电机转动的角位移是通过控制信号的脉冲个数来完成的，通过控制脉冲个数进行控制角位移量，从而达到准确定位的目的。四相电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，其连接方式如图3所示。四相步进电机有双四拍和八拍驱动方式，表l列出了相应步进电机的通电逻辑时序。四相步进电机按照通电顺序的不同，可以采
7、用单四拍、双四拍或者采用八拍三种工作方式。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Ol23，67IH吒lrlf甩弛魁阿陬肿斑l茁蟹瓢盯孵忡胛毋”刁封吣研哪乃盯厅组盯加羽m瞪 阱砌苡一一一一一一一一一一一一一一一m一，敷峨一；怎万方数据机电元件 2010年制精度。步进电机八拍驱动的通电顺序如表1所示，它以半步方式驱动，也就是在某一通电时间，步进角仅前进一半。表1 八拍驱动方式逻辑时序步进 Ol 02 03 04 真值表 通电0 ON OFF ON OFF 1010 ACl ON OFF O
8、FF OFF 1000 A2 ON OFF OFF ON 100l AD3 OFF OFF OFF ON 0001 D4 OFF ON OFF ON 010l BD5 OFF ON OFF OFF 0100 B6 OFF ON ON OFF 0110 BC7 OFF OFF ON OFF 0010 C8 ON OFF ON OFF 1010 AC对四相步进电机驱动的程序设置按八拍工作方式进行设置，按照流程图分别设置各个子程序，然后根据不同情况分别调用。4 电机的对零对零点是电机操作最重要的环节之一。在步进电机进行点位控制之前首先必须确定出一个绝对坐标系，系统就将对零点位置作为第一个绝对坐标系。
9、上电后首先进行归零操作，电机一开始以顺时针(或者逆时针)方向任意旋转，一旦接收到主控制台传来的信号就立刻控制电机停止运动，并等待接收旋转的数据，然后开始控制电机的运行。5 速度控制不但要求电机能够精确定位，而且还要求快速地到达预定的位置，也就是要求准确地控制步进电机的转动速率。步进电机的速率控制的方法主要是通过改变每个脉冲的时间间隔，可以采用设置定时器的初始时间来获得延时时间，也可以采用改变程序中的延时时间来满足。假如转动方向变化比较大时，如果电机还是以恒定的转速进行工作，那么转动的时间就要求比较长。因为步进电机的响应频率必比较低(100步秒一250步秒)，而电机的启动频率还得低于最高空载启动
10、频率，当步进电机启动后，进入稳态时工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机是不可能马上到达较高的稳定工作频率，而是要求在启动的瞬间采取加速措施来完成，一般情况下，在起步的时候采用升频方式，其时间范围约为01秒1秒；反之，从高速运行到停止也有减速的措施，而且减速时的加速度绝对值常比加速时的加速度还要大，也就是时间会更短。所以当要求步进电机走过的度数比较大时，为了解决快速而不失步，对步进电机就提出了相应要求：低速启动，接着高速运转，然后降低速度，最后停止。这种三段运行频率方式可以利用程序的延时来完成，要求在升频时脉冲延时时间逐渐变小，在降频时延时时间逐渐变大，而恒速运行阶段使用固定延
11、时时间不变。假设匀速运行段的频率是1 000Hz，则2秒能产生2 000个脉冲信号，则电机运转的最大度数为：2 00075=15 000度根据减速比为90：1，则2秒内电机能够转动度数为：15 00090=1667度根据串口传来的数据进行判断，首先要和原来的度数进行比较，如果数值变小则要调用逆转程序，如果数值变大则要调用正转程序。其次，如果在短时间的积累上发现由串口送来的度数改变太大，就需要变速程序来完成，具体流程如图4所示。 甲图4速度控制流程图6 结论利用高耐压、大电流的达林顿陈列ULN2003可以直接与负载电机相连接，并驱动步进电机，电机的转动精度可以由机械设计与单片机的程序进行控制。由
12、该芯片在5V的工作电压下与TTL和万方数据第3期 江衍煊等：单片机连接uLN2003驱动步进电机的应用 3lCMOS电路直接相连，可以保证负载电流的供给，同时也减少其他驱动芯片容易被烧毁的事故。该设计能够保证控制电机转动的精度达到001度，而且连续运行一周误差不发生积累。参考文献1江衍煊步进电机变频技术的应用J伺服控制2008年第3期60612江衍煊基于灵敏度设计GPS接收机J船海工程20lO年第3期P1551583陆畹青8098单片机原理与应用M同济大学出版社4Robert cravotta DsP锄d uln2003A ctml st印啪torJEDN 20lO年第3期4648(上接27页
13、)在实际生产中，发现零件采用图1的工艺规范处理不易合格，于是制订了磁性热处理工艺规范2，如图2所示。图2的工艺规范适用于小批量生产，零件装载量小，般一次处理样件矫顽力即可达到肼4E Hc64Arm，IyI牝Hc锅JV啪，满足设汁技术要求。图2磁性热处理工艺规范253磁性热处理方法3在实际生产中，发现零件采用图1的工艺规范处理不易合格，且由于零件批量大，采用图2的工艺规范又不能满足生产进度，为了保证零件一次处理合格，制订磁性热处理工艺规范3，如图3所示。该磁性热处理不适合结构复杂的零件。图3的工艺规范适用于大批量生产，一般一次处理样件矫顽力即可达到DT4E Hc64Amm，DT4C Hc48Am
14、IIi；满足设计技术要求。以上介绍的三种磁性热处理方法是针对箱式电阻炉制订的，对电脑控制的气氛保护链式热处理炉，也有很好的效果。图3磁性热处理工艺规范36 结论(1)为了降低生产成本，简化工人操作，优先采用工艺规范1，样件矫顽力即可达到吣E Hc64A砌，DT4C Hc48A舢，满足产品技术要求。(2)实际生产过程中，有时会遇到不易合格的纯铁材料，实践证明：小批量生产时，采用工艺规范2，样件矫顽力即可达到DT4E Hc64Amm，DWC Hc48Amm，满足产品技术要求；大批量生产时，采用工艺规范3，样件矫顽力即可达到DT4E Hc64Amm，DT4C Hc48Amm，满足产品技术要求。(3)
15、为了提高磁性热处理合格率，并得到表面光亮的零件，尽量采用气氛保护隧道炉进行磁性热处理，气氛保护不仅可以为电工纯铁脱碳和除杂，还能大大降低后续表面处理成本。万方数据单片机连接ULN2003驱动步进电机的应用作者： 江衍煊， 郑振杰， 游德智， JIANG Yan-Xuan， ZHEN Zhen-Jie， YOU De-Zhi作者单位： 福建交通职业技术学院,福建,福州,350007刊名： 机电元件英文刊名： ELECTROMECHANICAL COMPONENTS年，卷(期)： 2010,30(3)参考文献(4条)1.Robert Cravotta DSP and uln2003A control step motor 2010(03)2.陆畹青 8098单片机原理与应用3.江衍煊 基于灵敏度设计GPS接收机期刊论文-船海工程 2010(03)4.江衍煊 步进电机变频技术的应用 2008(03)本文链接：http:/
