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5 / 16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16、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

2、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 A B C D AB. 双四拍方式，通电顺序为 AB BG-CD-DA-AB（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A AB B BC- C CD-D DA A（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; 5a （ 1W电阻，其它电容、电阻若干。三、电路

3、设计1 .脉冲发生电路多谐振荡器是脉冲发生电路是由 NE555及外接阻容元件构成的多谐振荡器产生的, 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川n2（R 1+2R2）C和q=（R什R2）/（R什2R2）可分别计算出其频率和占空比实际数据：Ri=1K QR2=1K Q C=1uF计算数值：f=480.9 HZ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

4、四拍， 和四相八 拍三种工作模式。Vcc co Qc Qi Q2 Qs CTt LDisq74LS161CR CF DO Dl D2 L3 CTf GIID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 丽、置数控 制端丘）、工作状态控制端 CTpCTT、并行数据输入端 QD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 QQ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 丽=0时，这时QQQQ=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 国=1, |而

5、=0时，在CP上升沿操作下，并行输入数据d3d2did0置入计数器。3、步二进制加法计数功能：当 CR=1,若Ctp=Gt=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CTP - CTT=0,则计数器将保持原来状态不变；若CTP- CTT=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：74LS1&1DE 连scb £174LS13SN3、控制电路以下为单四拍、双四拍及四项八拍的

6、所要输出地逻辑信号。单四拍:工作方式励磁方式DCBA单四拍A1110B1101C1011D0111A1110双四拍:工作方式励磁方式DCBA双四拍AB1100BC1001CD0011DA0110AB1100四相八拍:工作方式励磁方式DCBA四项 八拍A1110AB1100B1101BC1001C1011CD0011D0111DA0110A1000(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3.3 A= Yo Y Y7 B= Y1 Y2 Y3C= Y3

7、 Y4 YD= Y5Y6 Y7Y。Y1Y2Y3Y4YY6，Y7工作项o1111111A10111111AB11011111B11101111BC11110111C11111011CD11111101D11111110DA从图中可以分析出: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：74LSNNzzJEXJI0.5 »C 1J2Q 51

8、MCJ*0 a 5 5«J41 Bl 科 L0 5 M1 mc0 .5 &ec 1 sec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,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= 丫5Y6Y7B'= 丫3Y4丫5 ' ' ' ' 'C'= YiY2Y3D'= YoYiY7四相八拍反转:工作方式励磁方式ABCD四项 八拍D1110CD1100C1101BC1001B1011AB0011A0111DA0110D1000(4)电路简化由于在图3.

9、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U2A山74LSU8N74LSOBN IJ2BTT7T74LS08N71LSC3ri 山口U3A74L5MN U3B rnz>74L50flNU3CC74LS0SNU3D?.n-v2.SV=J?PacoKey 喇pam74LSMN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

10、，我们可以看出 ¥、Y3、Y7、Y5分别控制AR BCDA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3.79 / 163ERM 舞 H3WL.U3归江区T4L m 311UlB4：工门UI匚Ksjr*ficiT 血5MlU10 hz>UM2Do 右删说UM( 工工02_$ v ,* 10 x>f-UL&J* 7人 U OJOZD-oMLW8M2AV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

11、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、Y& 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AR BG 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74LS

12、138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。NE555组成的多谐振荡器的Ri替换为一个可调电阻。(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，也就是对震荡频率进行改变。根据公式f=1川n2(R i+2R2)C,在电路中图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

13、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 流保护作用的5Ohm勺电阻，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I

14、N4004。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

15、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 7.5Ohmi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。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

16、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。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

17、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。五、测量脉冲数步距角（度）单拍3610双拍764.7四项八拍1402.6六、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台数字面包板1块工具：电烙铁1把剥线钳1把尖嘴钳1把一字改锥1把镣子1把元件：步进电机1台NE5551 片74LS082 片74LS1382 片74LS1611 片达林顿三极管（tip122）4个发光二极管4个绪流二极管4个电阻若干电容1uf2个滑动变阻器1个双刀双置开关8个导线若干2、参考资料电路电子实验1指导书-北京工