步進(jìn)電機(jī)控制電路資料doc

1、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)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-122.電路的調(diào)試-13五收獲和體會(huì)-14六附錄-151.列表-152.參考資料-153.部分芯片管腳圖-16一設(shè)計(jì)題目 步進(jìn)電機(jī)控制電路二設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求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:基本要求:(1).能控制步進(jìn)電

2、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)锳BCDAB. 雙四拍方式,通電順序?yàn)锳BBCCDDAAB(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脈沖發(fā)生電路控制電路驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)脈沖顯示環(huán)行脈沖分配電路 C. 四相八拍方式,通電順序?yàn)锳ABBBCCCDDDAA(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;5(1W)電阻,其它電容電阻若干三電路設(shè)計(jì)1.脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電

3、路是由NE555及外接阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的,多諧振蕩器是一種可以產(chǎn)生周期性的矩形脈沖信號(hào)的自己振蕩電路圖3.1根據(jù)公式f=1/ln2(R1+2R2)C 和q=(R1+R2)/(R1+2R2) 可分別計(jì)算出其頻率和占空比 實(shí)際數(shù)據(jù):R1=1K R2=1K 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圖3

4、.2上圖為74LS161的管腳圖74LS161計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖源提供,清零端置數(shù)控制端工作狀態(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Q3Q0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)=0時(shí),這時(shí)Q3Q2Q1Q0=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)為異步清零 2同步并行置數(shù)功能:當(dāng)=1,=0時(shí),在CP上升沿操作下,并行輸入數(shù)據(jù)d3 d2 d1 d0置入計(jì)數(shù)器 3步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能:當(dāng)=1,若CTP=CTT=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

5、·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QAQBQC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:3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信號(hào)單四拍: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A1110AB1100

6、B1101BC1001C1011CD0011D0111DA0110A1000(1)四項(xiàng)八拍電路根據(jù)74LS138的工作原理,ABCD四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圖3.3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7工作項(xiàng)01111111A10111111AB11011111B11101111BC11110111C11111011CD11111101D11111110DA從圖中可以分析出: A= Y0Y1Y7 B= Y1Y2Y3 C= Y3Y4Y5 D= Y5Y6Y7可以得出結(jié)論:步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)相都由75LS13

7、8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圖3.4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)(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): 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),在開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候從而將輸入順序改變,此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相的工作順序倒轉(zhuǎn),74LS138的輸出端對(duì)應(yīng)的相也發(fā)生改變A= Y5Y6Y7 B= Y3

8、Y4Y5C= Y1Y2Y3 D= Y0Y1Y7四相八拍反轉(zhuǎn): 工作方式勵(lì)磁方式ABCD四項(xiàng)八拍D1110CD1100C1101BC1001B1011AB0011A0111DA0110D1000(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,為去掉不必要的開(kāi)關(guān),電路作如下調(diào)整圖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Y1Y3Y

9、7Y5分別控制ABBCCDDA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電路原理: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),其中一個(gè)分別接74LS138的Y1Y3Y5Y7,另一端接高電平5V當(dāng)開(kāi)關(guān)接5V時(shí),相當(dāng)

10、于Y1Y3Y5Y7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)ABBCCDDA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(xiàn)簡(jiǎn)單,看起來(lái)線(xiàn)不少,但實(shí)際上連線(xiàn)及其容易,尤其是開(kāi)關(guān)和兩片74LS138之間的連線(xiàn)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

11、的多諧振蕩器的震蕩頻率進(jìn)行改變根據(jù)公式f=1/ln2(R1+2R2)C,在電路中R1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(mǎn)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的電阻,電流從電擊相線(xiàn)圈流過(guò),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(hào)為高電平時(shí),達(dá)林頓管導(dǎo)通正常工作,但當(dāng)

12、控制信號(hào)為低電平時(shí),達(dá)林頓頓管截止,電機(jī)相線(xiàn)圈中沒(méi)有大電流通過(guò).而此時(shí)線(xiàn)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 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(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,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

13、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(xiàn),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(xiàn)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€(xiàn)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(xiàn)到兩邊的電阻約為7.5Ohm判斷出兩組繞組的中心引線(xiàn)后,剩下的四根即為A,B,C,D四個(gè)項(xiàng)中心引線(xiàn)即為公共端,接+5V圖3.10四電路的組裝和調(diào)試

14、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(xiàn)的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在排線(xiàn)時(shí)74LS08與門(mén)的周?chē)€(xiàn)十分密集,造成了連線(xiàn)錯(cuò)誤,有些地方的線(xiàn)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(xiàn),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74LS138譯碼器,紫色部分是74LS08與門(mén) 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(méi)有滅只是暗了

15、于是我們開(kāi)始向前查線(xiàn),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(xiàn),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)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)量工作方式脈沖數(shù)步距角(度)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