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(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：(

2、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)锳BCDAB 雙四拍方式，通電順序?yàn)锳BBCCDDAAB(2).測量步進(jìn)電機(jī)的步距角。（通過實(shí)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(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

3、.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，多諧振蕩器是一種可以產(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/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=1KR2=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

4、八拍三種工作模式。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、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分別接邏輯電平開關(guān)，進(jìn)位信號輸出端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)=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CP信號按照

5、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)輸出端的信號作為74LS138芯片的輸入信號由其進(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。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

6、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，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，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= Y0Y1Y7B= Y1Y2Y3 C=Y3Y4Y5D=Y5Y

7、6Y7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)單刀雙擲開關(guān)，在開關(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)，74LS

8、138的輸出端對應(yīng)的相也發(fā)生改變。A=Y5Y6Y7B=Y3Y4Y5C= Y1Y2Y3D= 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)電路簡化 由于在圖3.5所示電路中，涉及八個(gè)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)整圖3.6這個(gè)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(shí)現(xiàn)反向。這種方式相對與上一組的優(yōu)點(diǎn)是減少了開關(guān)的使用量，簡化了電路。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

9、切換回到圖3.374LS138的真值表，我們可以看出Y1、Y3、Y7、Y5分別控制AB、BC、CD、DA要實(shí)現(xiàn)單拍只需將這幾個(gè)狀態(tài)去掉即可。為此我用開關(guān)來實(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中開關(guān)的作用。新加入了一個(gè)開關(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，輸出信號的順序與原來相反，這樣就可以實(shí)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(gè)輸入狀

10、態(tài)，其中一個(gè)分別接74LS138的Y1、Y3、Y5、Y7，另一端接高電平5V。當(dāng)開關(guān)接5V時(shí)，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AB、BC、CD、DA幾個(gè)狀態(tài)被去掉，實(shí)現(xiàn)了單拍的工作方式。開關(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)：連線簡單，看起來線不少，但實(shí)際上連線及其容易，尤其是開關(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，而且電路更加簡化（實(shí)現(xiàn)同樣功能下）。個(gè)人認(rèn)為開關(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(gè)輸入直接接5v電源，相當(dāng)于

11、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/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。而由門電路輸出的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，所以要真正使電機(jī)動(dòng)起來就必須連接一個(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，通過一個(gè)起限流保護(hù)作用的5Ohm的電阻，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

12、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(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通正常工作，但當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，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(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)的毀壞所以我們在此處加了續(xù)流二極管IN4004。電感中儲(chǔ)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(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

13、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(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(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

14、，中心引線到兩邊的電阻約為7.5Ohm。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。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(gè)電路圖不是很復(fù)雜，但是在實(shí)際插線的過程中，發(fā)現(xiàn)在排線時(shí)74LS08與門的周圍線十分密集，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74LS138譯碼器，紫色部分是74LS08與門。圖4.2（完成圖）2.電路的

15、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(shí)74LS138的輸出端的電壓在沒給輸入時(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。于是開始接入步進(jìn)電機(jī)。再接入電機(jī)前，我對電機(jī)的四個(gè)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(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，說明這個(gè)端比較上一個(gè)端應(yīng)先通電，以此類推，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臺萬用表1塊雙蹤示波