步进电机控制电路

1北京工业大学电子课程设计报告（数电部分）题 目： 步进电机2目录一、设计题目-3二、设计任务和设计要求1.设计题目-32.设计技术指标及设计要求-3三、电路设计-41.脉冲发生电路-42.环形脉冲分配电路-53.控制电路-64.驱动电路 -105.步进电机 -11四、电路的组装和调试-121.电路的组装-122.电路的调试-13五、收获和体会-14六、附录-151.列表-152.参考资料-153.部分芯片管脚图-163脉冲发生电路控制电路驱动电路步进电机脉冲显示环行脉冲分配电路一、设计题目步进电机控制电路二、设计任务和设计要求1.设计任务：本课题要求设计一个步进电机的控制电路，该电路能对步进电机的运行状态进行控制。2.设计技术指标及设计要求：基本要求：(1).能控制步进电机正转和反转及运行速度，并由 LED 显示运行状态。 （步进电机工作方式可为单四拍或双四拍） 。A 单四拍方式，通电顺序为 ABCDAB 双四拍方式，通电顺序为 ABBCCDDAAB(2).测量步进电机的步距角。 （通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角） 。扩展要求：设计步进电机的工作方式为四相八拍。C 四相八拍方式，通电顺序为 AABBBCCCDDDAA(3).设计框图(4).参考元器件：步进电机，发光二极管，续流二极管 IN4004，复合三极管TIP122；5（1W）电阻，其它电容、电阻若干。4三、电路设计1.脉冲发生电路脉冲发生电路是由 NE555 及外接阻容元件构成的多谐振荡器产生的，多谐振荡器是一种可以产生周期性的矩形脉冲信号的自己振荡电路。图 3.1根据公式 f=1/ln2(R1+2R2)C 和 q=(R1+R2)/(R1+2R2) 可分别计算出其频率和占空比 实际数据：R 1=1K R2=1K C=1uF 计算数值：f=480.9HZ 实际数值：f=493.42HZ 占空比： q=33.3% 后面为了实现变速，将 R1 替换为一个滑动变阻器。 2.环形脉冲分配电路环形脉冲分配电路是步进电机中一个重要环节，利用环形脉冲分配电路可以产生所需要的脉冲波形，以实现对步进电机的控制。生成题目所要要求的单四拍，双四拍，和四相八拍三种工作模式。5图 3.2上图为 74LS161 的管脚图。74LS161 计数脉冲由单次脉冲源提供，清零端 、置数控制端 、工作状态控制端 CTPCTT、并行数据输入端 D3D0分别接逻辑电平开关，进位信号输出端 CO、计数器状态输出端 Q3Q0均接逻辑电平显示。按如下逐项测试并判断该集成块的功能是否正常。 1、异步清零功能：当 =0 时，这时 Q3Q2Q1Q0=0000，计数器清零。其它输入信号都不起作用，与 CP 无关，故称为异步清零。2、同步并行置数功能：当 =1， =0 时，在 CP 上升沿操作下，并行输入数据 d3 d2 d1 d0置入计数器。3、步二进制加法计数功能：当 =1，若 CTP=CTT=1，则计数器对 CP 信号按照 8421 码进行加法计数。4、保持功能：若 CTPCTT=0，则计数器将保持原来状态不变；若 CTPCTT=1，则计数器将保持正常工作状态，可以正常计数。用 NE555 为 74LS161 提供时钟脉冲，使 74LS161 进行十六进制计数，将 QA、QB、QC 三个输出端的信号作为 74LS138 芯片的输入信号由其进行译码工作。电路图如下：63、控制电路以下为单四拍、双四拍及四项八拍的所要输出地逻辑信号。单四拍：双四拍：四相八拍： 工作方式 励磁方式 D C B AA 1 1 1 0AB 1 1 0 0B 1 1 0 1BC 1 0 0 1C 1 0 1 1CD 0 0 1 1D 0 1 1 1DA 0 1 1 0四项八拍A 1 0 0 0工作方式 励磁方式 D C B AA 1 1 1 0B 1 1 0 1C 1 0 1 1D 0 1 1 1单四拍A 1 1 1 0工作方式 励磁方式 D C B AAB 1 1 0 0BC 1 0 0 1CD 0 0 1 1DA 0 1 1 0双四拍AB 1 1 0 07（1）四项八拍电路根据 74LS138 的工作原理，ABCD 四相即为要求的输出项，我们要求从 74LS161 输出从 000 到 111 的循环逻辑信号，从而可以列出 74LS138 的真值表。如图 3.3图 3.3Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 工作项0 1 1 1 1 1 1 1 A1 0 1 1 1 1 1 1 AB1 1 0 1 1 1 1 1 B1 1 1 0 1 1 1 1 BC1 1 1 1 0 1 1 1 C1 1 1 1 1 0 1 1 CD1 1 1 1 1 1 0 1 D1 1 1 1 1 1 1 0 DA从图中可以分析出：A= Y0Y1Y7 B= Y1Y2Y3 C= Y3Y4Y5 D= Y5Y6Y7可以得出结论：步进电机的每个相都由 75LS138 的 3 个输出端控制，只要 3 个输出端有一个端输出为 0 时该端所控制的相工作。由此可以画出步进电机控制电路部分的电路图。图 3.48图 3.4 电路只能实现四项八拍（单向）的工作方式，不能实现正转、反转切换的工作方式，为实现正转和反转能够同时在一个电路完成的目的，将对此电路进行改进。（3）控制电机正反转的电路为实现反转，只需将原有的输出信号按相反顺序输入给步进电机的四个相即可。根据这个思路，我将实验电路的控制电路部分作如下改动：图 3.5在这个电路中我加入了八个单刀双掷开关，在开关切换的时候从而将输入顺序改变，此时步进电机的四个相的工作顺序倒转，74LS138 的输出端对应的相也发生改变。A= Y5Y6Y7 B= Y3Y4Y5C= Y1Y2Y3 D= Y0Y1Y7四相八拍反转： 工作方式 励磁方式 A B C DD 1 1 1 0CD 1 1 0 0C 1 1 0 1四项八拍BC 1 0 0 19B 1 0 1 1AB 0 0 1 1A 0 1 1 1DA 0 1 1 0D 1 0 0 0(4)电路简化由于在图 3.5 所示电路中，涉及八个单刀双掷开关，过于繁杂，为去掉不必要的开关，电路作如下调整图 3.6这个电路图的原理是将控制电路输出信号在输入步进电机前反向，而不是在图 3.5 中那样改变控制电路的逻辑关系从而实现反向。这种方式相对与上一组的优点是减少了开关的使用量，简化了电路。但在实际中由于进度原因并未使用这种方法。（5）单拍、四项八拍切换回到图 3.374LS138 的真值表，我们可以看出 Y1、Y 3、Y 7、Y 5分别控制AB、BC、CD、DA 要实现单拍只需将这几个状态去掉即可。为此我用开关来实现去掉状态的功能。图 3.710电路原理：上图电路可以实现单拍、四项八拍转换，正传、反转转换。图中重新加入了一个74LS138 芯片，目的是为了控制步进电机反转，替代了图 3.6 中开关的作用。新加入了一个开关 J1 用于切换两个 74LS138 芯片，分别供电给两个芯片，当一个芯片工作时另一个停止。74LS138-n2 芯片的输出端连接和-n1 是完全相反的，输出信号的顺序与原来相反，这样就可以实现反转。开关 J2J5 的用方法为“两输入一输出” ，这样就有两个输入状态，其中一个分别接 74LS138 的 Y1、Y3、Y5、Y7，另一端接高电平 5V。当开关接 5V 时，相当于Y1、Y3、Y5、Y7 输出一直是高电平，而步进电机的相是低电平工作，所以说AB、BC、CD、DA 几个状态被去掉，实现了单拍的工作方式。开关切换到另一端时，进行四项八拍工作方式。优点：连线简单，看起来线不少，但实际上连线及其容易，尤其是开关和两片74LS138 之间的连线。相比图 3.6 而言，不但功能上更加完善，而且电路更加简化（实现同样功能下） 。个人认为开关的接法是这个电路的得到优化的关键。四个单刀双掷开关并没有像图 3.6 中的那样是为了改变输出方向，而是改变了输入，其中一个输入直接接 5v 电源，相当于抹掉了 74LS138 芯片的四个输出状态。（6）变速实现实现变速主要是将电路的时钟脉冲的频率进行改变，也就是对 NE555 组成的多谐振荡器的震荡频率进行改变。根据公式 f=1/ln2(R1+2R2)C，在电路中 R1 替换为一个可调电阻。图 3.84.驱动电路功率放大是驱动系统中最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流。而由门电路输出的电流远远不能满足对电机的驱动，所以要真正使电机动起来就必须连接一个功率放大电路。图 3.9 为驱动电路，达林顿管 TIP122 为步进电机提供了一个大电流，通过一个起限11Q1MJ122LED_blueLED1D11N4004R11.0kohm5VVCCL11mHR25ohm流保护作用的 5Ohm 的电阻，电流从电击相线圈流过，从而达到了放大功率的作用。在电路中加入了发光二极管是为了可以直接的看到工作现象。在这里特别要提的是电路中的续流二极管 IN4004。当控制信号为高电平时，达林顿管导通正常工作，但当控制信号为低电平时，达林顿顿管截止，电机相线圈中没有大电流通过而此时线圈可以看作是电感，电感会储存一部分电量，如果没有回路释放，就会在瞬间产生一个电流，可能造成电机的毁坏所以我们在此处加了续流二极管 IN4004。电感中储存的电量通过续流二极管放电。 图 3.95.步进电机步 进 电 机 是 一 种 感 应 电 机 ， 它 的 工 作 原 理 是 利 用 电 子 电 路 ， 将 直 流 电 变 成 分 时 供电 的 ， 多 相 时 序 控 制 电 流 ， 用 这 种 电 流 为 步 进 电 机 供 电 ， 步 进 电 机 才 能 正 常 工 作 ， 驱 动器 就 是 为 步 进 电 机 分 时 供 电 的 ， 多 相 时 序 控 制 器 虽 然 步 进 电 机 已 被 广 泛 地 应 用 ， 但 步 进 电 机 并 不 能 像 普 通 的 直 流 电 机 ， 交 流 电机 在 常 规 下 使 用 。 它 必 须 由 双 环 形 脉 冲 信 号 、 功 率 驱 动 电 路 等 组 成 控 制 系 统 方 可 使 用 。因 此 用 好 步 进 电 机 却 非 易 事 ， 它 涉 及 到 机 械 、 电 机 、 电 子 及 计 算 机 等 许 多 专 业 知 识 。 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 ， 是 机 电 一 体 化 的 关 键 产 品 之 一 , 广 泛 应 用 在 各 种 自 动 化 控 制系 统 中 。 随 着 微 电 子 和 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 步 进 电 机 的 需 求 量 与 日 俱 增 ， 在 各 个 国 民 经济 领 域 都 有 应 用 。本实验提供的是四相步进电机,它对外有六条引线,其中两条为公共端,另四条分别为 A 相.B 相.C 相.D 相,但引线具体排序未知,故在使用前需对步进电机进行。测量每两根引线之间的电阻，不同绕组之间的电阻为无穷大。同一绕组中，中心引线到两边的电阻约为 7.5Ohm。判断出两组绕组的中心引线后，剩下的四根即为 A,B,C,D 四个项。中心引线即为公共端，接+5V。12图 3.10四、电路的组装和调试1.电路的组装从仿真图上看来，整个电路图不是很复杂，但是在实际插线的过程中，发现在排线时 74LS08 与门的周围线十分密集，造成了连线错误，有些地方的线也有虚接的地方。整个电路基本就是可以分成脉冲发生电路，环形分配电路和驱动电路。我们也是按照这个顺序进行接线，检验的。图 4.1蓝色部分是由 NE555 组成的多谐振荡器，红色部分是 74LS161 计数器，黄色部分是74LS138 译码器，紫色部分是 74LS08 与门。 13图 4.2（完成图）2.电路的调试最先完成的脉冲发生电路，可以在示波器上看到完美的方波，占空比近于 40%，理论值约为 33.3%。环形分配电路安装完毕后，我们进行调试，发现部分的 LED 灯并没有灭只是暗了。于是我们开始向前查线，发现时 74LS138 的输出端的电压在没给输入时电压并不是 0，而是一个低电压，导致 LED 灯并没有完全暗下去，但实际原因并不清楚，只能重新连线，排除故障。 再次调试，单四拍双四拍都可以进行了，正传反转似乎也可以了。于是开始接入步进电机。再接入电机前，我对电机的四个相进行了测量，用的比较土的办法。就是用学生电源正极（5V）分别接电源的四个相，负极接公共端，观察步进电机的转动情况，进行排列组合，如果接第二个端时电机反转了，说明这个端比较上一个端应先通电，以此类推，找出电机的四个相的顺序，连接电路。上电工作，经过调试，电机运转正常，正反转单拍四项八拍均能实现。转速也可以发生明显变化。14五、测量工作方式 脉冲数 步距角(度)单拍 36 10双拍 76 4.7四项八拍 140 2.6六、附录1、列表仪器：直流流稳压电源（双路） 1 台万用表 1 块双踪示波器 1 台数