步進(jìn)電機(jī)控制電路

1、北京工業(yè)大學(xué)電子課程設(shè)計報告（數(shù)電部分）題 目： 步進(jìn)電機(jī)5 / 16目錄一、設(shè)計題目3二、設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求1 . 設(shè)計題目32 .設(shè)計技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計要求 3三、電路設(shè)計41 . 脈沖發(fā)生電路42 .環(huán)形脈沖分配電路 53 .控制電路64 .驅(qū)動電路105 .步進(jìn)電機(jī)11四、電路的組裝和調(diào)試 121 . 電路的組裝 122 .電路的調(diào)試 13五、收獲和體會 14六、附錄151 . 列表 152 .參考資料 153 .部分芯片管腳圖16、設(shè)計題目步進(jìn)電機(jī)控制電路二、設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求1 .設(shè)計任務(wù)：本課題要求設(shè)計一個步進(jìn)電機(jī)的控制電路，該電路能對步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行控制。2 .設(shè)計技術(shù)指標(biāo)及

2、設(shè)計要求：基本要求：（1）.能控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及運行速度，并由 LED顯示運行狀態(tài)。（步進(jìn) 電機(jī)工作方式可為單四拍或雙四拍）。A . 單四拍方式，通電順序為 A B C D AB. 雙四拍方式，通電順序為 AB BG-CD-DA-AB（2）.測量步進(jìn)電機(jī)的步距角。（通過實測步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)， 推算出步進(jìn)電機(jī)的步距角）。擴(kuò)展要求：設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相八拍。C . 四相八拍方式，通電順序為A AB B BC- C CD-D DA A（4）.參考元器件：步進(jìn)電機(jī)，發(fā)光二極管，續(xù)流二極管IN4004,復(fù)合三極管TIP122; 5a （ 1W電阻，其它電容、電阻若干。三、電路

3、設(shè)計1 .脈沖發(fā)生電路多諧振蕩器是脈沖發(fā)生電路是由 NE555及外接阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的, 種可以產(chǎn)生周期性的矩形脈沖信號的自己振蕩電路。圖3.1根據(jù)公式f=1川n2（R 1+2R2）C和q=（R什R2）/（R什2R2）可分別計算出其頻率和占空比實際數(shù)據(jù)：Ri=1K QR2=1K Q C=1uF計算數(shù)值：f=480.9 HZ實際數(shù)值：f=493.42HZ占空比： q=33.3%后面為了實現(xiàn)變速，將 R1替換為一個滑動變阻器。2 .環(huán)形脈沖分配電路環(huán)形脈沖分配電路是步進(jìn)電機(jī)中一個重要環(huán)節(jié)，利用環(huán)形脈沖分配電路可以產(chǎn)生所需要的脈沖波形，以實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。生成題目所要要求的單四拍，雙

4、四拍， 和四相八 拍三種工作模式。Vcc co Qc Qi Q2 Qs CTt LDisq74LS161CR CF DO Dl D2 L3 CTf GIID圖3.2上圖為74LS161的管腳圖。74LS161計數(shù)脈沖由單次脈沖源提供，清零端 麗、置數(shù)控 制端丘）、工作狀態(tài)控制端 CTpCTT、并行數(shù)據(jù)輸入端 QD分別接邏輯電平開關(guān)，進(jìn)位信號輸出端CO計數(shù)器狀態(tài)輸出端 QQ均接邏輯電平顯示。按如下逐項測試并判斷該集成塊的 功能是否正常。1、異步清零功能：當(dāng) 麗=0時，這時QQQQ=0000,計數(shù)器清零。其它輸入信號都不起作 用，與CP無關(guān)，故稱為異步清零。2、同步并行置數(shù)功能：當(dāng) 國=1, |而

5、=0時，在CP上升沿操作下，并行輸入數(shù)據(jù)d3d2did0置入計數(shù)器。3、步二進(jìn)制加法計數(shù)功能：當(dāng) CR=1,若Ctp=Gt=1,則計數(shù)器對 CP信號按照8421碼進(jìn)行 加法計數(shù)。4、保持功能：若CTP - CTT=0,則計數(shù)器將保持原來狀態(tài)不變；若CTP- CTT=1,則計數(shù)器將保持正常工作狀態(tài)，可以正常計數(shù)。用NE555為74LS161提供時鐘脈沖，使 74LS161進(jìn)行十六進(jìn)制計數(shù)，將 QA QB QC三個輸出端的信號作為74LS138芯片的輸入信號由其進(jìn)行譯碼工作。電路圖如下：74LS1&1DE 連scb £174LS13SN3、控制電路以下為單四拍、雙四拍及四項八拍的

6、所要輸出地邏輯信號。單四拍:工作方式勵磁方式DCBA單四拍A1110B1101C1011D0111A1110雙四拍:工作方式勵磁方式DCBA雙四拍AB1100BC1001CD0011DA0110AB1100四相八拍:工作方式勵磁方式DCBA四項 八拍A1110AB1100B1101BC1001C1011CD0011D0111DA0110A1000(1)四項八拍電路根據(jù)74LS138的工作原理，ABCD四相即為要求的輸出項，我們要求從 74LS161輸出從000到111的循環(huán)邏輯信號，從而可以列出 74LS138的真值表。如圖3.3圖3.3 A= Yo Y Y7 B= Y1 Y2 Y3C= Y3

7、 Y4 YD= Y5Y6 Y7Y。Y1Y2Y3Y4YY6，Y7工作項o1111111A10111111AB11011111B11101111BC11110111C11111011CD11111101D11111110DA從圖中可以分析出:圖3.4電路只能實現(xiàn)四項八拍(單向)的工作方式，不能實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)切換的工作方式，為實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)能夠同時在一個電路完成的目的，將對此電路進(jìn)行改進(jìn)。(3)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路為實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需將原有的輸出信號按相反順序輸入給步進(jìn)電機(jī)的四個相即可。根據(jù)這個思路，我將實驗電路的控制電路部分作如下改動：74LSNNzzJEXJI0.5 »C 1J2Q 51

8、MCJ*0 a 5 5«J41 Bl 科 L0 5 M1 mc0 .5 &ec 1 sec圖3.5在這個電路中我加入了八個單刀雙擲開關(guān)，在開關(guān)切換的時候從而將輸入順序改變,時步進(jìn)電機(jī)的四個相的工作順序倒轉(zhuǎn)，74LS138的輸出端對應(yīng)的相也發(fā)生改變。A= 丫5Y6Y7B'= 丫3Y4丫5 ' ' ' ' 'C'= YiY2Y3D'= YoYiY7四相八拍反轉(zhuǎn):工作方式勵磁方式ABCD四項 八拍D1110CD1100C1101BC1001B1011AB0011A0111DA0110D1000(4)電路簡化由于在圖3.

9、5所示電路中，涉及八個單刀雙擲開關(guān)，過于繁雜，為去掉不必要的開關(guān)，電 路作如下調(diào)整U2A山74LSU8N74LSOBN IJ2BTT7T74LS08N71LSC3ri 山口U3A74L5MN U3B rnz>74L50flNU3CC74LS0SNU3D?.n-v2.SV=J?PacoKey 喇pam74LSMN圖3.6這個電路圖的原理是將控制電路輸出信號在輸入步進(jìn)電機(jī)前反向，而不是在圖3.5中那樣改變控制電路的邏輯關(guān)系從而實現(xiàn)反向。這種方式相對與上一組的優(yōu)點是減少了開關(guān)的使用量，簡化了電路。但在實際中由于進(jìn)度原因并未使用這種方法。(5)單拍、四項八拍切換回到圖3.374LS138的真值表

10、，我們可以看出 ¥、Y3、Y7、Y5分別控制AR BCDA要實現(xiàn)單拍只需將這幾個狀態(tài)去掉即可。為此我用開關(guān)來實現(xiàn)去掉狀態(tài)的功能。圖3.79 / 163ERM 舞 H3WL.U3歸江區(qū)T4L m 311UlB4：工門UI匚Ksjr*ficiT 血5MlU10 hz>UM2Do 右刪說UM( 工工02_$ v ,* 10 x>f-UL&J* 7人 U OJOZD-oMLW8M2AV電路原理:上圖電路可以實現(xiàn)單拍、四項八拍轉(zhuǎn)換，正傳、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。圖中重新加入了一個 74LS138芯片，目的是為了控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，替代了圖3.6中開關(guān)的作用。新加入了一個開關(guān)J1用于切換兩個

11、74LS138芯片，分別供電給兩個芯片，當(dāng)一個芯片工作時另一個停止。74LS138-n2芯片的輸出端連接和-n1是完全相反的，輸出信號的順序與原來相反，這樣就可以實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。開關(guān) J2J5的用方法為“兩輸入一輸出”，這樣就有兩個輸入狀態(tài)，其中一個 分別接74LS138的Y1、Y& Y5 Y7,另一端接高電平 5V。當(dāng)開關(guān)接5V時，相當(dāng)于 Y1、Y3、 Y5 Y7輸出一直是高電平，而步進(jìn)電機(jī)的相是低電平工作，所以說AR BG CD DA幾個狀態(tài)被去掉，實現(xiàn)了單拍的工作方式。開關(guān)切換到另一端時，進(jìn)行四項八拍工作方式。優(yōu)點：連線簡單，看起來線不少，但實際上連線及其容易，尤其是開關(guān)和兩片74LS

12、138之間的連線。相比圖3.6而言，不但功能上更加完善，而且電路更加簡化(實現(xiàn)同樣功能下)。 個人認(rèn)為開關(guān)的接法是這個電路的得到優(yōu)化的關(guān)鍵。四個單刀雙擲開關(guān)并沒有像圖3.6中的那樣是為了改變輸出方向，而是改變了輸入，其中一個輸入直接接5v電源，相當(dāng)于抹掉了74LS138芯片的四個輸出狀態(tài)。NE555組成的多諧振蕩器的Ri替換為一個可調(diào)電阻。(6)變速實現(xiàn)實現(xiàn)變速主要是將電路的時鐘脈沖的頻率進(jìn)行改變，也就是對震蕩頻率進(jìn)行改變。根據(jù)公式f=1川n2(R i+2R2)C,在電路中圖3.84 .驅(qū)動電路功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)中最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流。而由門電路輸出

13、的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對電機(jī)的驅(qū)動，所以要真正使電機(jī)動起來就必須連接一個功率放大電路。圖3.9為驅(qū)動電路，達(dá)林頓管 TIP122為步進(jìn)電機(jī)提供了一個大電流，通過一個起限 流保護(hù)作用的5Ohm勺電阻，電流從電擊相線圈流過，從而達(dá)到了放大功率的作用。在電路 中加入了發(fā)光二極管是為了可以直接的看到工作現(xiàn)象。在這里特別要提的是電路中的續(xù)流二極管IN4004。當(dāng)控制信號為高電平時，達(dá)林頓管導(dǎo)通正常工作，但當(dāng)控制信號為低電平時，達(dá)林頓頓管截止，電機(jī)相線圈中沒有大電流通過.而此時線圈可以看作是電感，電感會儲存一部分電量，如果沒有回路釋放，就會在瞬間產(chǎn)生一個電流，可能造成電機(jī)的毀壞.所以我們在此處加了續(xù)流二極管I

14、N4004。電感中儲存的電量通過續(xù)流二極管放電。圖3.95 .步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供 電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū) 動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)，交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計算機(jī)等許多專業(yè)知識。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)

15、電機(jī)的需求量與日俱增，在各個 國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。本實驗提供的是四相步進(jìn)電機(jī) ，它對外有六條引線，其中兩條為公共端，另四條分別為 A相.B相.C相.D相，但引線具體排序未知,故在使用前需對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行。測量每兩根引線之間的電阻，不同繞組之間的電阻為無窮大。同一繞組中，中心引線 到兩邊的電阻約為 7.5Ohmi判斷出兩組繞組的中心引線后，剩下的四根即為A,B,C,D四個項。中心引線即為公共端，接 +5V。圖 3.10四、電路的組裝和調(diào)試1 .電路的組裝從仿真圖上看來，整個電路圖不是很復(fù)雜，但是在實際插線的過程中，發(fā)現(xiàn)在排線時74LS08與門的周圍線十分密集，造成了連線錯誤，有些地方的線也有虛接

16、的地方。整個電路基本就是可以分成脈沖發(fā)生電路，環(huán)形分配電路和驅(qū)動電路。我們也是按 照這個順序進(jìn)行接線，檢驗的。圖4.1藍(lán)色部分是由NE555組成的多諧振蕩器，紅色部分是74LS161計數(shù)器，黃色部分是74LS138譯碼器，紫色部分是 74LS08與門。圖4.2 （完成圖）2 .電路的調(diào)試最先完成的脈沖發(fā)生電路，可以在示波器上看到完美的方波，占空比近于40%,理論值約為33.3%。環(huán)形分配電路安裝完畢后，我們進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)部分的LED燈并沒有滅只是暗了。于是我們開始向前查線，發(fā)現(xiàn)時74LS138的輸出端的電壓在沒給輸入時電壓并不是0,而是一個低電壓，導(dǎo)致 LED燈并沒有完全暗下去，但實際原因并不

17、清楚，只能重新連線， 排除故障。再次調(diào)試，單四拍雙四拍都可以進(jìn)行了，正傳反轉(zhuǎn)似乎也可以了。于是開始接入步進(jìn)電機(jī)。再接入電機(jī)前，我對電機(jī)的四個相進(jìn)行了測量，用的比較土的辦法。就是用學(xué)生電源正極（5V）分別接電源的四個相，負(fù)極接公共端，觀察步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動情況，進(jìn)行排 列組合，如果接第二個端時電機(jī)反轉(zhuǎn)了，說明這個端比較上一個端應(yīng)先通電，以此類推， 找出電機(jī)的四個相的順序，連接電路。上電工作，經(jīng)過調(diào)試，電機(jī)運轉(zhuǎn)正常，正反轉(zhuǎn)單拍四項八拍均能實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速也可以發(fā)生明顯變化。五、測量脈沖數(shù)步距角（度）單拍3610雙拍764.7四項八拍1402.6六、附錄1、列表儀器：直流流穩(wěn)壓電源（雙路）1臺萬用表1塊雙蹤示波器1臺數(shù)字面包板1塊工具：電烙鐵1把剝線鉗1把尖嘴鉗1把一字改錐1把鐐子1把元件：步進(jìn)電機(jī)1臺NE5551 片74LS082 片74LS1382 片74LS1611 片達(dá)林頓三極管（tip122）4個發(fā)光二極管4個緒流二極管4個電阻若干電容1uf2個滑動變阻器1個雙刀雙置開關(guān)8個導(dǎo)線若干2、參考資料電路電子實驗1指導(dǎo)書-北京工