步進(jìn)電機(jī)控制電路

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案北京工業(yè)大學(xué)電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告（數(shù)電部分）題 目：步進(jìn)電機(jī)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案目錄一、設(shè)計(jì)題目3二、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)題目32.設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求-3三、電路設(shè)計(jì)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(dòng)電路105.步進(jìn)電機(jī)11四、電路的組裝和調(diào)試121.電路的組裝精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案122.1314六、附151.152.參考資153.部分芯片管腳錄表料圖16、設(shè)計(jì)題目步進(jìn)電機(jī)控制電路、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案1 .設(shè)計(jì)任務(wù)：本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制電路，該電路能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。2 .設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求：基本要

2、求：(1).能控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及運(yùn)行速度，并由LED顯示運(yùn)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?yàn)?A B C D AB. 雙四拍方式，通電順序?yàn)?AB BG-CD-DA-AB(2).測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的步距角。(通過(guò)實(shí)測(cè)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(jì)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?yàn)锳 AB B BC- C CD-D DA A(3).設(shè)計(jì)框圖(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、電路設(shè)計(jì)

3、1 .脈沖發(fā)生電路脈沖發(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，多諧振蕩器是 種可以產(chǎn)生周期性的矩形脈沖信號(hào)的自己振蕩電路。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案VCC-5V圖3.1根據(jù)公式f=1川n2(R 1+2R2)C和q=(Ri+R2)/(R 1+2R2)可分別計(jì)算出其頻率和占空比實(shí)際數(shù)據(jù)：Ri=1KQ R2=1KQ C=1uF計(jì)算數(shù)值：f=480.9HZ實(shí)際數(shù)值：f=493.42HZ占空比：q=33.3% 后面為了實(shí)現(xiàn)變速，將 R1替換為一個(gè)滑動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

4、。生成題目所要要求的單四拍，雙四拍， 和四相八 拍三種工作模式。Vcc CO Qo Qi Qz Q3 CI? W1.674LS161CR CP D。5 Dg D3 CTf GND精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖3.2上圖為74LS161的管腳圖。74LS161計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖源提供，清零端 及、置數(shù)控 制端而、工作狀態(tài)控制端 CTpCTT、并行數(shù)據(jù)輸入端D3D0分別接邏輯電平開(kāi)關(guān)， 進(jìn)位信號(hào)輸 出端CO計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端 QQ均接邏輯電平顯示。按如下逐項(xiàng)測(cè)試并判斷該集成塊的 功能是否正常。1、異步清零功能：當(dāng) 度=0時(shí)，這時(shí)QQQQ=0000,計(jì)數(shù)器清零。其它輸入信號(hào)都不起作 用，與CP無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為異步

5、清零。2、同步并行置數(shù)功能：當(dāng) 而=1, E5=0時(shí)，在cp上升沿操作下，并行輸入數(shù)據(jù)d3d2did置入計(jì)數(shù)器。3、步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能：當(dāng)度=1,若CtP=Gt=1,則計(jì)數(shù)器對(duì)CP信號(hào)按照8421碼進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。4、保持功能：若CTP CTT=0,則計(jì)數(shù)器將保持原來(lái)狀態(tài)不變；若CTP- CTT=1,則計(jì)數(shù)器將保持正常工作狀態(tài)，可以正常計(jì)數(shù)。用NE555為74LS161提供時(shí)鐘脈沖，使 74LS161進(jìn)行十六進(jìn)制計(jì)數(shù)，將 QA QB QC三個(gè)輸出端的信號(hào)作為74LS138芯片的輸入信號(hào)由其進(jìn)行譯碼工作。電路圖如下：VCC74LS138N3、控制電路以下為單四拍、雙四拍及四項(xiàng)八拍的所要輸出地邏輯

6、信號(hào)。單四拍:精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案工作方式勵(lì)磁方式DCBA單四拍A1110B1101C1011D0111A1110雙四拍:工作方式勵(lì)磁方式DCBA雙四拍AB1100BC1001CD0011DA0110AB1100四相八拍:工作方式勵(lì)磁方式DCBA四項(xiàng) 八拍A1110AB1100B1101BC1001C1011CD0011D0111DA0110A1000(1)四項(xiàng)八拍電路根據(jù)74LS138的工作原理，ABCDH相即為要求的輸出項(xiàng)，我們要求從 74LS161輸出從000到111的循環(huán)邏輯信號(hào)，從而可以列出74LS138的真值表。如圖3.3精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案 A= Yo Yi Y7 B= Yi Y

7、2 Y3C=5 D= Y5 Y6 Y7圖3.3Y）YiY2Y3Y4招Y6Y7工作項(xiàng)01111111Ai0111111ABi1011111Bi1101111BCi1110111Ci1111011CDi1111101Di1111110DA從圖中可以分析出:可以得出結(jié)論：步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)相都由75LS138的3個(gè)輸出端控制，只要3個(gè)輸出端有一個(gè)端輸出為0時(shí)該端所控制的相工作。由此可以畫(huà)出步進(jìn)電機(jī)控制電路部分的電路圖。X2圖3.474LS138N2,5 V74LS08NT4YET)YD YIT2J74LS08N74匚專(zhuān)斷2.5 VUTB 74LU8C 74LS08I2.5 VU9D 74LS08NU4C

8、74LS0SNU5DO74LS08N圖3.4電路只能實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)八拍（單向）的工作方式，不能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)切換的工作方式,為實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)能夠同時(shí)在一個(gè)電路完成的目的，將對(duì)此電路進(jìn)行改進(jìn)。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案(3)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路為實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，只需將原有的輸出信號(hào)按相反順序輸入給步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相即可。根據(jù)這個(gè)思路，我將實(shí)驗(yàn)電路的控制電路部分作如下改動(dòng)：JJLS13EH如小亶蛇颯謂msT4LS08NU2B74LS08H U2D7LSO8H0,5 lejfl sec0.5 c 1 sec J60.5 sec圖3.5在這個(gè)電路中我加入了八個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān), 時(shí)步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相的工作順序倒轉(zhuǎn)，在開(kāi)關(guān)切換的

9、時(shí)候從而將輸入順序改變，此74LS138的輸出端對(duì)應(yīng)的相也發(fā)生改變。A = 丫5 Y6 YzB = 丫3 丫4 丫5C = 丫1 丫2 丫3D = 丫0 丫1 丫7四相八拍反轉(zhuǎn):工作方式勵(lì)磁方式ABCD四項(xiàng) 八拍D1110CD1100C1101BC1001B1011AB0011A0111DA0110D1000精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案(4)電路簡(jiǎn)化由于在圖3.5所示電路中，涉及八個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，過(guò)于繁雜, 路作如下調(diào)整為去掉不必要的開(kāi)關(guān)，電X1U114-74LS1 梵 Ni s- CU2ArT-U3A74L S0h U3B-| Key74LS0削LSOBN J2CU2C74LS0BWU3cK電y j

10、paceMLSOBM74LS&SN J2D74LSOCN74LSMN U3D22/2.5 V2,5 V圖3.6這個(gè)電路圖的原理是將控制電路輸出信號(hào)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(shí)現(xiàn)反向。這種方式相對(duì)與上一組的優(yōu)點(diǎn)是減少了開(kāi)關(guān)的使用量，簡(jiǎn)化了電路。但在實(shí)際中由于進(jìn)度原因并未使用這種方法。(5)單拍、四項(xiàng)八拍切換回到圖3.374LS138的真值表，我們可以看出Y、Y3、3、Y5分別控制A BG CDDA要實(shí)現(xiàn)單拍只需將這幾個(gè)狀態(tài)去掉即可。為此我用開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)去掉狀態(tài)的功能。圖3.7掰5M VIRTUAL74LS1N加電路原理:Key - 5pce-5V箕.U1

11、Ao-74LS08NU1BML5口即U1CE4LS08N74LSDSNU3BXIZDoMLWSN 2,5V-U3C 常NL&OeNUSDD74L&0SN15V上圖電路可以實(shí)現(xiàn)單拍、 四項(xiàng)八拍轉(zhuǎn)換，正傳、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。圖中重新加入了一個(gè) 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(kāi)關(guān)的作用。新加入了一個(gè)開(kāi)關(guān)J1精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案用于切換兩個(gè)74LS138芯片，分別供電給兩個(gè)芯片，當(dāng)一個(gè)芯片工作時(shí)另一個(gè)停止。74LS138-n2芯片的輸出端連接和-n1是完全相反的，輸出信號(hào)的順序與原來(lái)相反，這樣就可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。開(kāi)關(guān) J2J5的用方法為“兩輸入一輸出”，這樣就有兩個(gè)輸入狀態(tài)，其

12、中一個(gè) 分別接74LS138的Y1、Y& Y5 Y7,另一端接高電平 5V。當(dāng)開(kāi)關(guān)接5V時(shí)，相當(dāng)于 Y1、Y3、 YS 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(shuō)AR BG CD DA幾個(gè)狀態(tài)被去掉，實(shí)現(xiàn)了單拍的工作方式。開(kāi)關(guān)切換到另一端時(shí)，進(jìn)行四項(xiàng)八拍工作方式。優(yōu)點(diǎn)：連線簡(jiǎn)單，看起來(lái)線不少，但實(shí)際上連線及其容易，尤其是開(kāi)關(guān)和兩片74LS138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(jiǎn)化(實(shí)現(xiàn)同樣功能下)。 個(gè)人認(rèn)為開(kāi)關(guān)的接法是這個(gè)電路的得到優(yōu)化的關(guān)鍵。四個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)并沒(méi)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(gè)輸入直接接5v電源，相

13、當(dāng)于抹掉了74LS138芯片的四個(gè)輸出狀態(tài)。(6)變速實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)變速主要是將電路的時(shí)鐘脈沖的頻率進(jìn)行改變，也就是對(duì)NE555組成的多諧振蕩器的震蕩頻率進(jìn)行改變。根據(jù)公式f=1川n2(R 1+2R2)C,在電路中Ri替換為一個(gè)可調(diào)電阻。圖3.84 .驅(qū)動(dòng)電路功率放大是驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)平均電流。而由門(mén)電路輸出的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，所以要真正使電機(jī)動(dòng)起來(lái)就必須連接一個(gè)功率放大電路。圖3.9為驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)林頓管 TIP122為步進(jìn)電機(jī)提供了一個(gè)大電流，通過(guò)一個(gè)起限 流保護(hù)作用的5Ohm勺電阻，電流從電擊相線圈流過(guò)，從而達(dá)到了放大功率的作用。在電

14、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(hào)為高電平時(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通正常工作，但當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，達(dá)林頓頓管截止，電機(jī)相線圈中沒(méi)有大電流通過(guò).而此時(shí)線圈可以看作是電感，電感會(huì)儲(chǔ)存一部分電量，如果沒(méi)有回路釋放，就會(huì)在瞬間 產(chǎn)生一個(gè)電流，可能造成電機(jī)的毀壞.所以我們?cè)诖颂幖恿死m(xù)流二極管IN4004。電感中儲(chǔ)存的電量通過(guò)續(xù)流二極管放電。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案圖3.95VVCC5 .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(shí)供 電的，多相時(shí)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，

15、驅(qū) 動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)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(hào)、功率驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。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(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè) 國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)提供的是四相步進(jìn)電機(jī) ，它對(duì)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(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行。測(cè)量每?jī)筛?/p>

16、引線之間的電阻，不同繞組之間的電阻為無(wú)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(gè)項(xiàng)。中心引線即為公共端，接 +5V。s*實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案四、電路的組裝和調(diào)試1 .電路的組裝從仿真圖上看來(lái)，整個(gè)電路圖不是很復(fù)雜， 但是在實(shí)際插線的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在排線時(shí)74LS08與門(mén)的周?chē)€十分密集，造成了連線錯(cuò)誤，有些地方的線也有虛接的地方。整個(gè)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(dòng)電路。我們也是按 照這個(gè)順序進(jìn)行接線，檢驗(yàn)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(jì)數(shù)器，黃色部分是 74LS

17、138譯碼器，紫色部分是 74LS08與門(mén)。圖4.2 （完成圖）實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案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(méi)有滅只是暗了。于是我們開(kāi)始向前查線，發(fā)現(xiàn)時(shí)74LS138的輸出端的電壓在沒(méi)給輸入時(shí)電壓并不是0,而是一個(gè)低電壓，導(dǎo)致 LED燈并沒(méi)有完全暗下去，但實(shí)際原因并不清楚，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(kāi)始接入步進(jìn)電機(jī)。再接入電機(jī)前，我對(duì)電機(jī)的四個(gè)相進(jìn)行了測(cè)量，用的比較土的辦法。就是用學(xué)生電源正極（5V）

18、分別接電源的四個(gè)相，負(fù)極接公共端，觀察步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，進(jìn)行排列 組合，如果接第二個(gè)端時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)了，說(shuō)明這個(gè)端比較上一個(gè)端應(yīng)先通電，以此類(lèi)推，找出電機(jī)的四個(gè)相的順序，連接電路。上電工作，經(jīng)過(guò)調(diào)試，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，正反轉(zhuǎn)單拍四項(xiàng)八拍均能實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)速也可以發(fā)生明顯變化。五、測(cè)量脈沖數(shù)步距角（度）精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案單拍3610雙拍764.7四項(xiàng)八拍1402.6六、附錄1、列表儀器：直流流穩(wěn)壓電源（雙路）1臺(tái)萬(wàn)用表1塊雙蹤示波器1臺(tái)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(tái)NE5551 片74LS082 片74LS1382 片74LS1611 片達(dá)林頓三極管（