专利名称：一种步进电机的控制装置的制作方法
技术领域：
一种步进电机的控制装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种步进电机的控制装置，它由电子元件构成，用于控制步进电机的转动。
背景技术：
[0002]在液相色谱分析系统中使用步进电机来驱动恒流泵，该场合对步进电机的角度控制精度要求不高，出于对步进电机的控制装置制造成本的考虑，通常采用如图3电路所示控制装置，它主要包括一驱动步进电机的功率放大器和一控制功率放大器的信号发生器，所述的信号发生器为一单片机IC1，单片机内设有程序可使单片机上的四个端口输出与二进制数码相对应的电平；所述的功率放大器包括四个三极管T1-T4，所述的三极管的集电极分别与步进电机的绕组a、绕组b的端头A、/A、B、/B连接，绕组a和绕组b的中心抽头接电源VE，三极管T1-T4的基极分别通过电阻R10、R13、R25、R28与信号发生器的输出端对应连接，三极管T1-T4的发射极接地，信号发生器输出的电平使三极管T1-T4导通或截止，当三极管Tl导通而三极管T2截止时绕组a中流过正向电流，当三极管T2导通而时三极管Tl截止时绕组a中流过反向电流，从而使绕组a产生的磁场方向互为相反，当三极管T3、T4互为导通、截止时绕组b产生磁场的过程与绕组a相似；信号发生器按一定的规律输出二进制数码电平，每输出一个二进制数码电平，使绕组a、b的合成磁场的方向偏转一角度，由此形成旋转磁场带动步进电机的转子转动；改变信号发生器输出电平的频率，可使步进电机的转速变化。[0003]这种控制装置结构简单、使用可靠、制造成本低，但是在控制步进电机转动时，步进电机的步距最低为0.9度，每步的时间间隔较大使得步进电机的转动不连续，同时在绕组a、b形成合成磁场时，磁场强度有一最大值，使步进电机产生较大的加速度导致转速不平稳，使得恒流泵输出的液体产生脉动，使分析结果不准确，使得步进电机产生较大的震动噪音，影响工作环境。实用新型内容[0004]本实用新型要解决的技术问题是，对现有技术的信号发生器进行改进，提供一种新的步进电机的控制装置，该控制装置在增加少许成本的基础上可使步进电机的转动平稳、震动噪音降低。[0005]为解决上述技术问题，本实用新型的步进电机的控制装置包括驱动步进电机的功率放大器和向功率放大器输出控制信号的信号发生器，其特征是，所述的信号发生器包括可产生不同电压值的第一电压生成电路1、第二电压生成电路2和第一电压输出切换电路3、第二电压输出切换电路4 ；[0006]所述的第一电压生成电路I主要由单片机ICl的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3，电阻R1-R9，二极管D1-D4，运算放大器IC2、IC3构成；端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3分别接电阻Rl、R2、R3、R4的一端，电阻Rl、R2、R3、R4的另一端分别与二极管D1、D2、D3、D4的阳极相连接，二极管D1-D4的阴极与运算放大器IC2的反相输入端连接，运算放大器IC2的反相输入端、输出端之间接有电阻R5，运算放大器IC2的同相输入端通过电阻R6接地；运算放大器IC2的输出端通过电阻R7与运算放大器IC3的反相输入端连接，运算放大器IC3的反相输入端、输出端之间接有电阻R8，运算放大器IC3的同相输入端通过电阻R9接地；[0007]所述的第一电压输出切换电路3由单片机ICl的端口 P3.2、P3.3，模拟开关IC6、IC7构成，模拟开关IC6、IC7的控制端分别与端口 P3.2、P3.3连接，模拟开关IC6、IC7的输入端与运算放大器IC3的输出端连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻RIO、R13与功率放大器的三极管T1、T2的基极连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻R11、R14接地；[0008]所述的第二电压生成电路2由单片机ICl的端口 Pl.4、Pl.5、Pl.6、Pl.7，电阻R16-R24，二极管D5-D8，运算放大器IC4、IC5构成；第二电压生成电路2中各元件的连接关系与第一电压生成电路I中各元件的连接关系相对应；[0009]所述的第二电压输出切换电路4由单片机ICl的端口 P3.4、P3.5，模拟开关IC8、IC9构成，模拟开关IC8、IC9的控制端分别与端口 P3.4、P3.5连接，模拟开关IC8、IC9的输入端与运算放大器IC5的输出端连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R25、R28与功率放大器的三极管T3、T4的基极连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R26、R29接地。[0010]所述的功率放大器包括三极管T1-T4，所述的三极管的集电极分别与步进电机绕组a、b的端头A、/A、B、/B连接，步进电机绕组a、b的中心抽头接电源VE，三极管T1-T4的集电极与电源VE之间分别跨接有用于续流的二极管D9-D12，三极管T1-T4的发射极分别通过电阻 R12、R15、R27、R30 接地。[0011]所述的单片机ICl的型号为AT89C2051，端口 Pl.0、Pl.1分别通过电阻R31、R32与电源V+相连接。[0012]所述的模拟开关IC6、IC7、IC8、IC9的型号为CD4066。[0013]本实用新型与现有技术相比，增加了第一电压生成电路1、第二电压生成电路2，该电压生成电路可在单片机的控制下分别输出具有对应关系的两组电压信号，该电压信号通过功率放大器放大后输送至步进电机的绕组，使绕组产生恒定的磁场，同时可对磁场偏转的角度进行细分，使步进电机的转动平稳，转动噪音降低，本实用新型以新增少量的成本大大提高了步进电机控制装置性能。
[0014]图1为本实用新型的电气原理方框图。[0015]图2为本实用新型的电气原理图。[0016]图3为现有技术的电气原理图。
具体实施方式
[0017]现结合附图说明本实用新型的具体实施方式
。[0018]本实用新型的步进电机控制装置包括驱动步进电机的功率放大器，向功率放大器输出控制信号的信号发生器。[0019]所述的功率放大器将信号发生器输送的电压按一定的比例变换成电流，使步进电机的绕组产生磁场，它包括三极管T1-T4，所述的三极管的集电极分别与步进电机绕组a、b的端头A、/A、B、/B连接，步进电机绕组a、b的中心抽头接电源VE，三极管T1-T4的集电极与电源VE之间分别跨接有用于续流的二极管D9-D12，三极管T1-T4的基极通过电阻R10、R13、R25、R28分别与模拟开关IC6、IC7、IC8、IC9的输出端相连接， 三极管T1-T4的发射极分别通过电阻R12、R15、R27、R30接地；与现有技术相比三极管T1-T4的发射极分别串联有电阻R12、R15、R27、R30，可使三极管集电极电流只随输入的基极电压变化而不受电源VE电压波动的影响。所述的信号发生器包括可输出不同电压值的第一电压生成电路1、第二电压生成电路2和第一电压输出切换电路3、第二电压输出切换电路4。所述的第一电压生成电路I主要由单片机ICl (型号为AT89C2051或AT89C51)的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3，电阻R1-R9，二极管D1-D4，运算放大器IC2、IC3构成；各元件之间的连接关系已在实用新型内容部分叙述；这里需要说明的是，如单片机ICl的型号为AT89C2051，则所述的端口 P1.0、P1.1要分别通过电阻R31、R32与电源V+相连接。所述的第一电压输出切换电路3由单片机ICl的端口 P3.2、P3.3，模拟开关IC6、IC7 (型号为⑶4066)，电阻R11、R14构成，模拟开关IC6、IC7的控制端分别与端口 P3.2、P3.3连接，模拟开关IC6、IC7的输入端与运算放大器IC3的输出端连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻R10、R13与三极管Tl、T2的基极连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻R11、R14接地。所述的第二电压生成电路2由单片机ICl的端口 Pl.4、Pl.5、Pl.6、Pl.7 (对应于单片机ICl的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3)，电阻R16-R24 (对应于电阻R1-R9)，二极管D5-D8 (对应于二极管D1-D4)，运算放大器IC4、IC5 (对应于运算放大器IC2、IC3)构成；第二电压生成电路2中各元件的连接关系与第一电压生成电路I中各元件的连接关系相对应。所述的第二电压输出切换电路4由单片机ICl的端口 P3.4、P3.5，模拟开关IC8、IC9 (型号为⑶4066)，电阻R26、R29构成，模拟开关IC8、IC9的控制端分别与端口 P3.4、P3.5连接，模拟开关IC8、IC9的输入端与运算放大器IC5的输出端连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R25、R28与三极管T3、T4的基极连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R26、R29接地。电源V+的电压为正5伏、电源V-的电压为负5伏，作为所述的运算放大器的工作电源，电源V+也作为所述的单片机的工作电源，电源V+接单片机ICl的VCC端。所述的第一电压生成电路I的电气原理是，电阻R1-R5、二极管D1-D4和运算放大器IC2构成一加法运算电路，单片机内设置程序可使端口 Pl.0,PL UPl.2,Pl.3各自输出的电平组合成10种状态(最多可有16种状态)，所述的电平的电压分别施加在电阻R1-R4上，电阻R1-R4中产生的电流在运算放大器IC2的反相输入端相加后，可得出10个不同的电流值，该电流流过电阻R5形成的电压由运算放大器IC2的输出端输出；二极管D1-D4的作用是当端口 Ρ1.0、Ρ1.1、Ρ1.2、Ρ1.3当中的一个或多个出现低电平时，阻止电流向该端口流动；分别选择电阻R1-R4的阻值可使运算放大器IC2的有10个不同的输出电压，该输出电压可用一余弦函数表达，表达式为:[0027]Uscl=Um cos α，式中 Um 为一设定的电压值，α 分别为 0°、10°、20°、30°...90。。第一电压生成电路I中的电阻R7-R9和运算放大器IC3构成一放大电路，该电路对运算放大器IC2输出端的电压进行反相放大。所述的第二电压生成电路2的电气原理与第一电压生成电路I大体相同，区别在于第二电压生成电路2中运算放大器IC3的输出电压的表达式为usc2=Um sin α ,该输出电压由端口 Pl.4、Pl.5、Pl.6、Pl.7各自输出的电平组合状态来控制。所述的第一电压输出切换电路3的作用是，单片机ICl的端口 Ρ3.2、Ρ3.3分别控制模拟开关IC6、IC7的通或断,将第一电压生成电路I输出的电压择一地输送给功率放大器的三极管Tl或Τ2的基极；所述的第二电压输出切换电路4的作用是，单片机ICl的端口Ρ3.4、Ρ3.5分别控制模拟开关IC8、IC9的通或断，将电压生成电路2输出的电压择一地输送给功率放大器的三极管Τ3或Τ4的基极。本实用新型的步进电机控制装置的工作过程是:第一步，单片机ICl内置的程序令单片机ICl的端口 Ρ3.2、Ρ3.3、Ρ3.4、Ρ3.5并行输出一组电平，使模拟开关IC6、IC8接通、模拟开关IC7、IC9断开，功率放大器的三极管Tl的基极与第一电压生成电路I的输出端连通、功率放大器的三极管T3的基极与电压生成电路2的输出端连通；每隔At时间令单片机ICl的端口 Pl.0,PL UPl.2,Pl.3 Pl.4,Pl.5、Pl.6、Pl.7并行输出一组电平,使第一电压生成电路I输出电压为Umcos α、第二电压生成电路2输出电压为Umsina，所述的端口 Pl.0-Ρ1.7输出的各组电平可使角度α发生变化，角度α的变化按10°的增量从0°递增至90°，使步进电机转动一个步距角。第二步，单片机ICl内置的程序令单片机ICl的端口 P3.2、P3.3、P3.4、P3.5并行输出一组电平，使模拟开关IC8、IC7接通、模拟开关IC6、IC9断开，功率放大器的三极管T2的基极与电压生成电路I的输出端连通、功率放大器的三极管T3的基极与电压生成电路2的输出端连通；每隔At时间令单片机ICl的端口 Pl.0,PL UPl.2,Pl.3 Pl.4,Pl.5、Pl.6、Pl.7并行输出一组电平,使第一电压生成电路I输出电压为Umcos α、第二电压生成电路2输出电压为Umsin α，所述的端口 Pl.0-P1.7输出的各组电平可使角度α发生变化，角度α的变化按10°的增量从90°递减至0°。第三步，单片机ICl内置的程序令单片机ICl的端口 P3.2、P3.3、P3.4、P3.5并行输出一组电平，使模拟开关IC9、IC7接通、模拟开关IC6、IC8断开，功率放大器的三极管T2的基极与第一电压生成电路I的输出端连通、功率放大器的三极管T4的基极与第二电压生成电路2的输出端连通；每隔At时间令单片机ICl的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3 Pl.4、P1.5、P1.6、P1.7并行输出一组电平，使第一电压生成电路I输出电压为Umcos α、第二电压生成电路2输出电压为Umsin α，所述的端口 Pl.0-P1.7输出的各组电平可使角度α发生变化，角度α的变化按10°的增量从0°递增至90°。第四步，单片机ICl内置的程序令单片机ICl的端口 P3.2、P3.3、P3.4、P3.5并行输出一组电平，使模拟开关IC9、IC6接通、模拟开关IC7、IC8断开，功率放大器的三极管Tl的基极与第一电压生成电路I的输出端连通、功率放大器的三极管T4的基极与第二电压生成电路2的输出端连通；每隔At时间令单片机ICl的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3 Pl.4、P1.5、P1.6、P1.7并行输出一组电平，第一使电压生成电路I输出电压为Umcos α、第二电压生成电路2输出电压为Umsina，所述的端口 PL O-Pl.7输出的各组电平可使角度α发生变化，角度α的变化按10°的增量从90°递增至0°。然后转到第一步反复循环，使步进电机转动。通过改变时间Λ t的大小可改变步进电机的转速，时间Λ t的改变可由单片机ICl的用于通信的端口 RXD、TXD接受外部指令来完成。由于第一电压生成电路I输出电压为Umcos α、第二电压生成电路2输出电压为Umsin a，通过功率放大器进行功率放大后，使步进电机绕组产生的合成磁场有一恒定的磁场强度，同时通过磁场的合成使得步进电机的步距角能够细分。
权利要求1.一种步进电机的控制装置包括驱动步进电机的功率放大器和向功率放大器输出控制信号的信号发生器，其特征是，所述的信号发生器包括可产生不同电压值的第一电压生成电路(I)、第二电压生成电路(2)和第一电压输出切换电路(3)、第二电压输出切换电路(4)； 所述的第一电压生成电路(I)主要由单片机ICl的端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3，电阻R1-R9，二极管D1-D4，运算放大器IC2、IC3构成；端口 Pl.0、Pl.1、Pl.2、Pl.3分别接电阻RU R2、R3、R4的一端，电阻Rl、R2、R3、R4的另一端分别与二极管Dl、D2、D3、D4的阳极相连接，二极管D1-D4的阴极与运算放大器IC2的反相输入端连接，运算放大器IC2的反相输入端、输出端之间接有电阻R5，运算放大器IC2的同相输入端通过电阻R6接地；运算放大器IC2的输出端通过电阻R7与运算放大器IC3的反相输入端连接，运算放大器IC3的反相输入端、输出端之间接有电阻R8，运算放大器IC3的同相输入端通过电阻R9接地； 所述的第一电压输出切换电路(3)由单片机ICl的端口 P3.2、P3.3，模拟开关IC6、IC7构成，模拟开关IC6、IC7的控制端分别与端口 P3.2、P3.3连接，模拟开关IC6、IC7的输入端与运算放大器IC3的输出端连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻R10、R13与功率放大器的三极管Tl、T2的基极连接，模拟开关IC6、IC7的输出端分别通过电阻R11、R14接地； 所述的第二电压生成电路(2)由单片机ICl的端口 Pl.4、Pl.5、Pl.6、Pl.7，电阻R16-R24，二极管D5-D8，运算放大器IC4、IC5构成；第二电压生成电路(2)中各元件的连接关系与第一电压生成电路(I)中各元件的连接关系相对应； 所述的第二电压输出切换电路(4)由单片机ICl的端口 P3.4、P3.5，模拟开关IC8、IC9构成，模拟开关IC8、IC9的控制端分别与端口 P3.4、P3.5连接，模拟开关IC8、IC9的输入端与运算放大器IC5的输出端连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R25、R28与功率放大器的三极管T3、T4的基极连接，模拟开关IC8、IC9的输出端分别通过电阻R26、R29接地。
2.根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征是，所述的功率放大器包括三极管T1-T4，所述的三极管的集电极分别与步进电机绕组a、b的端头A、/A、B、/B连接，步进电机绕组a、b的中心抽头接电源VE，三极管T1-T4的集电极与电源VE之间分别跨接有用于续流的二极管D9-D12，三极管T1-T4的发射极分别通过电阻R12、R15、R27、R30接地。
3.根据权利要求1或2所述的步进电机的控制装置，其特征是，所述的单片机ICl的型号为AT89C2051，单片机ICl的端口 P1.0、P1.1分别通过电阻R31、R32与电源V+相连接。
4.根据权利要求1或2所述的步进电机的控制装置，其特征是，所述的模拟开关IC6、IC7、IC8、IC9 的型号为 CD4066。
专利摘要本实用新型涉及一种步进电机的控制装置，用于控制步进电机的转动。它包括驱动步进电机的功率放大器和向功率放大器输出控制信号的信号发生器，其特征是，所述的信号发生器包括可产生不同电压值的第一电压生成电路(1)、第二电压生成电路(2)和第一电压输出切换电路(3)、第二电压输出切换电路(4)；第一电压生成电路(1)、第二电压生成电路(2)为受控于单片机的电流加法运算电路可分别输出电压Umcosα和Umsinα，通过功率放大器进行功率放大后，使步进电机绕组产生的合成磁场有一恒定的磁场强度，同时通过磁场的合成使得步进电机的步距角能够细分。该控制装置制造成本低、结构简单、使用可靠。
文档编号H02P8/22GK202978801SQ20122064852
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者高玉琴 申请人:高玉琴