步进电机控制驱动电路设计.

1、询南理於腕课程实习报告实习名称：电子设计制作与工艺实习学生姓名：周文生学 号：201216020134专业班级：T-1201指导教师：李文圣完成时间：2014年6月13日扌报告成绩：评阅意见：评阅教师日期步进电机控制驱动电路设计摘要：本设计在根据已有模电、物电知识的基础上，用具有置位，清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对 555定时器产生的脉冲进 行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常 情况可以按复位键来重新工作。关键字：555定时器脉冲源环行分配器功率放大电路一

2、、方案论证与比较:（一）脉冲源的方案论证及选择：方案一：采用555定时器产生脉冲，它工作频率易于改变从而可以控制步进电 机的速度并且工作可靠，简单易行。VCC5VR1D2R34.7kohmD11BH621BH62R2lOOkOhmKey = a 50%R54.7kohmC1円卜0.01uF8 U1VCCRSTO UTDISTHRT RICO NGND1LM555CHC210uF50%T100kOhmKey = aC3C.1uF图一 555定时器产生的方法方案二:采用晶振电路来实现，晶振的频率较大，不利于电机的工作，易失步, 我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小， 可以使电机工作稳定，但分频电

3、路 较复杂，并且晶振起振需要一定的条件，不好实现。X1C3图二晶振产生脉冲源电路综上所述，我们采用方案一来设计脉冲源。（二）环形分配器的设计：方案一：采用74IS194通过送入不同的初值来进行移位依此产生正确的值使 步进电机进行转动。但此方案的操作较复杂，需要每次工作时都要进行置位， 反转的操作较复杂，这里很早的将此方案放弃。方案二：使用单独的JK触发器来分别实现单独的功能。U1AU2AU1B1CL R74LS 76D图三243-JQ2 1PR1K1Q1PR1J1Q>1K1Q1CLR74LS76D2PR2J2Q>2K2Q2CLR74LS76DR11.0ohmVCC5V双三拍正转1P

4、R1J>1Q1K1Q1CLRU1A74LS 76D1PR1J>1Q1K1Q1CLRU2A74LS 76D2PR2J2Q2K2Q2CLR74LS76DU1BVCC1.0ohm5V图四单三拍正转U1A-1PR1J1Q>1K-1Q-1CLR74LS76D4U2A1PR1J1Q1K-1Q1CLR74LS76D9U1B15414142PR2J2Q>2K-2Q2CLR74LS76D128VCCR11.0ohm5V图五三相六拍正转利用单独的做，电路图较简单，单具体操作时不方便，并且不利于工程设计 块分的较零散，无法统一。方案三：利用JK触发器的自己运动时序特性设计，利用卡诺图来进行画

5、简。VCCR34.7kohmRST2D1 1BH62CO N1,<<XSC1GT.7kohm7DIS6THRTRIU16AC174LS 11D10uFU9A74LS 107N74LS 107NU19A74LS 04D74LS 11D74LS 11D74LS 11D74LS 11D3 rU21A74LS 11D12U8A74LSU10AU31AU3A U6AU30A11D U13A74LS 04D74LS 27DGNDU22A4LS 11D 74LS702D 27D 74LS 27D1 LM555CH0.1uF2A2 31U1Lt O.OluFJKey = a100K LINIF1J

6、1Q>1K 1Q 1CLRU15A74LS 11D 74LS 11D1J1Q32 1QI1CLR74LS 04DU2A74LS 11DU28A174LS 32N612A X"U26AVCC5VR70kohmU17AU29AL U28A 74LS 32N2 LU23A74lS 21N 74LS 21N245 1 I" 245 11J1Q:-1K 1Q1CL74LS 107NU27A74LS 32N6674LS 21NU24A- -74LS 21NU25A74LS 21NR4z*10kohmVCC 5VVCC5VR6VA-10kohm图六单，双三拍的电路图S1s200单三

7、拍正转01 单三拍反转10双三拍正转11双三拍反转08D图七六拍正反转的实现U11A174LS 11DS10六拍正转1六拍反转注：这里所提供的电路图虽然我们做试验时没有采用，但它们都是我们仿真通过的电路图。此方案较上一个方案有较大提高， 但还是电路较复杂，操作不方面，这里并不采 用。方案四：我们采用具有置位，清零功能的 JK触发器74LS76作为主要器件来设 计环行分配器，在这里综合前三个方案的优点，设计出了各个方面性能都比较好 的方案。它集合了方案一的置位的功能， 综合了方案三的操作方面的功能， 并且 又在此基础上增加了复位的功能，使此更加具有实用性，更加具有批量生产性。 方案四：使用单片机

8、作为脉冲源和环形分配器可以通过从单片机的引脚送出不同的信号来驱动电机， 同时此方案有很好的人机 交换的功能，在扩展功能的方面很好的空间，可以在其他引脚中送出信号来驱动七段数码管进而来显示不同的工作状态，也可以用单片机内部的定时器来计算速 度的大小，进而显示出来，同时也可以增加按键的多少来扩展其他的功能。单片机控制电路下面的为对应的程序部分:ORG OOOOhLJMP MAINMAIN: MOV P1,#0FFHMOV SP,#30HKEY: MOV A,#88HMOV P0,AMOV A,#00HMOV P2,AMOV A,#0FFHMOV P3,AJB P3.O,STOPJNB P3.1,F

9、OR3JB P3.1,FOR6JMP KEYFOR3: JNB P3.2,FOR31JB P32FOR32JMP FOR3FOR31: JB P3.3,PLU31JNB P3.3,REV31JMP FOR31FOR32: JB P3.3,PLU32JNB P3.3,REV320 JMP FOR32FOR6: JB P3.3,PLU60JNB P3.3,REV61JMP FOR6STOP: MOV A,#77HMOV P0,AMOV A,#0EEHMOV P2,A MOV P1,#0FFHJB P3.0,$CALL DELAYJMP KEYPLU31: MOV R0,#00HP31: MOV A

10、,0B1H MOV P0,A MOV A,62H MOV P2,A MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ PLU31MOV P1,AJNB P3.0,STOPJNB P3.3,REV31 CALL DELAY INC R0JMP P31REV320:JMP REV32PLU60:JMP PLU6REV31: MOV R0,#04HRE31: MOV A,#0B7HMOV P0,AMOV A,#6EHMOV P2,AMOV A,R0MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ REV31MOV P1,AJB P3.0,STOPJB

11、 P3.3,PLU31CALL DELAY INC R0JMP RE31PLU32: MOV R0,#08HP32: MOV A,#0B1HMOV P0,AMOV A,#73HMOV P2,AMOV A,R0MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ PLU31MOV P1,AJNB P3.0,STOPJNB P3.3,REV32 CALL DELAY INC R0JMP P32REV61: JMP REV6 STOP1: JMP STOPREV32 : MOV R0,#0CHRE32: MOV A,#0B7HMOV P0,AMOV A,#07FHMOV P2,AMOV

12、A,R0MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ REV32MOV P1,AJNB P3.0,STOP1JB P3.3,PLU32 CALL DELAY INC R0JMP RE32PLU6: MOV R0,#10HP6: MOV A,#0E1HMOV P0,AMOV A,#62HMOV P2,AMOV A,R0MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ PLU6MOV P1,AJNB P3.0,STOP1JNB P3.3,REV6 CALL DELAY INC AJMP P6REV6: MOV R0,#17HRE6: MOV A,#0E7H MO

13、V P0,A MOV A,#6EH MOV P2,A MOV A,R0MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ REV6MOV P1,AJNB P3.0,STOP1JB P3.3,PLU6 CALL DELAYINC A JMP RE6DELAY: PUSH ACCPUSH PSWMOV R1,#40D1:MOV R2,#248 DJNZ R2,$ DJNZ R1,D1POP PSWPOP ACC RETTABLE: DB 01H,02H,04HDB 00HDB 04H,02H,01HDB 00HDB 03H,06H,05HDB 00HDB 05H,06H,03HDB

14、00HDB 01H,03H,02H,06H,04H,05HDB 00HDB 05H,04H,06H,02H,03H,01HDB 00HEND综上所述，我们采用方案四，具有很强的实用性。(三)功率放大器方案一:直接采用ULN2003进行驱动。它的内部结构是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做 了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA， 饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可 根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器 或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。但

15、我们这里用的 步进电机的电流为400毫安，所以在此用此驱动不了。但此方案具有连接简单的 优点。Jog ic diagramlog ic symboltt This symbol is in accordance wilh ANSI/IEEE Std 91-1984 and I EC Publication 617-12.图八ULN2003内部结构方案二：达林顿管IC可以直接对步进电机进行驱动，一个消线圈反电动势的二 极管，可用来驱动继电器的，电流可以达到 400毫安左右，符合驱动条件。VCC方案三：使用L298N芯片驱动电机L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图1 1）,也可以驱动一个四相电

16、机， 输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压； 可以直接用单片机 的IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且 价格不高，但我们选用的为三相电机，不符合条件。综上所述，我们采用方案二。.系统的设计与理论依据:1 .系统框图根据题目要求和上述论证，本系统的整体电路如下图所示:系统硬件的设计：（1）脉冲源的设计：在此电路中，当R1 = R3中，R2调至中心点，因充放电时间基本相等，其 占空比约为50%，此时调节R5,仅改变频率，占空比不变，如果 R2调至偏离中 心点，在调R5,不仅频率改变，占空比也有一定的

17、影响，R2仅对占空比有影响， 对频率无影响。我们所设计的速度并不是很快，主要是为了使我们很明显的去发 现正转与反转的变化，更加重要的是六拍与三拍的变化之后速度并不相同。三拍 的速度明显慢于三拍，但六拍的力矩大与三拍的，可以带动更加大的器件。C3的变化对频率的变化影响较大，我们选用的是0.1UF的电容，如果将电容值变小， 速度可以更加的快。（2）环形分配器的设计1 .首先介绍一下步进电机的结构及工作原理。电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开。0、1/3疋、2/3 T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以疋表示），即A与 齿1相对齐，B与齿2向右错开

18、1/3 T，C与齿3向右错开2/3 T，A'与齿 5相 对齐。如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿 1与A对齐，（转子 不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐， 此时转子向右移过1/3 T,此时齿3与C偏移为1/3 T,齿4与A偏移（T-1/3 T） =2/3 T。女口 C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又 向右移过1/3 T,此时齿4与A偏移为1/3 T对齐。女口 A相通电，B，C相不 通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 T这样经过A、B、C、A分别通 电状态，齿4 （即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不

19、断地按A , B, C, A通电，电机就每步每脉冲）1/3 T，向右旋转。如按A , C, B, A 通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉 冲数）和频率对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3疋改变为1/6 T。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3疋变为1/12 T，1/24 T，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移 1/m,2/m（m1）/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是

20、步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进 电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。三相单三拍正转ABCAB C依次循环下去三相单三拍正转CBACB A依次循环下去三相单三拍正转ABBCCAABBC CA依次循环下去三相单三拍正转CABCABCABC AB依次循环下去三相单三拍正转AABBBCC CA依次循环下去三相单三拍正转CAC BCBAB A依次循环下去上面的为步进电机的通电的次序,上面的功能主要由JK触发器配合外围的异或门及二选一选择器来完成，单每一次的工作所需要的初始值并不相同， 这里我们选择了具有置位功能的74LS76JK触发器，置

21、位与清零配合使用，达到了需要的结果。44Q712YCLK16143YC'4LS764YA/BCQ14'4LS76WEJ ；+52U?A4415JQLUTn72Y16143Y124Y4BBA/B+6+5R?10KR?1B2A2B3A3B4A4B1A1B 2A2B3A3B4AR?0KS?SW-PBU?A15U?A15DK CK D15 L2 74LS86C图十环形分配器电路R?SWPBSW-PB）.01uFNumberRevision28-Jan-2007CD （清零）SD （置位）01101001001111正常工作上面的工作方式正好是我们所需要，单每一种状态，我们置位一次是比较

22、复杂的, 这里我们利用了电容的充放电来完成不同情况下的置位。VCC5VR1IkohmC110uF图十二 基本充放电电路上图电路中在通电的瞬间，电路中对电容充电，这时所引出的那条线的电位 为低电位，单过了一段时间，电容充满电之后，这时那条线的电位为高电位，就 靠这个功能，那起电的瞬间，我们置位成功，使 JK触器成功的工作。（3）功放电路的设计及与步进电机的配合由于我们要驱动的电机需要较大的电流，使用简单的驱动电路ULN2003已UPA1427HL11.5nH-SMT 0805经满足不了我们的要求了，这时我们采用了单独的驱动电路，对每一脚分别驱动， 虽然在具体实现的过程中会出现不同步的现象，但这种出现的几率并不是很大， 我们设计的电路具有复位功能，当出现异常情况时，可以及时的克服。R1-AW1kohm图十三功放及步进电机的配合使用当对电阻的方向端送入信号时 UPA1427H相当于一个反向器，假设送入 1 时，出来的为低电位，这时电感（相当于