《步进电机驱动器》课程设计报告(改)

目录1 绪论 22 设计方案 32.1 步进电机介绍 .32.2 设计方案的确定 .32.3 设计思想与设计原理 42.4 单元电路的设计 .42.4.1 方波产生电路设计 .42.4.2 脉冲环形分配电路设计 .72.4.3 功率放大电路设计 .92.5 总体设计 .103 设计方案的论证 .164 设计器件清单 .165 步进电机介绍扩展 .176 谢辞 .197 参考文献 .208 外文资料 .201 绪论步进电机最早是在 1920 年由英国人所开发。1950 年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是将电脉冲信号变换成角位移或直线位移的执行部件。步进电机可以直接用数字信号驱动，使用非常方便。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。因此非常适合于单片机控制。步进电机还具有快速启动、精确步进和定位等特点，因而在数控机床，绘图仪，打印机以及光学仪器中得到广泛的应用。步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。2 设计方案2.1 步进电机介绍步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。2.2 设计方案的确定步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计选用第三种方案，用 PMM8713 三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A 两相或四相功率驱动器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性。通常来说，步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。依据本次设计的具体要求，步进电机驱动电路整体框图如图 1。 图 1 步进电机驱动器整体框图2.3 设计思想与设计原理它由方波产生电路，脉冲环形分配电路和功率放大电路三大主要电路组成。方波产生电路主要为脉冲环形分配电路提供方波脉冲信号，使得驱动信号发生电路输出四相驱动信号，经过功率放大电路，为电机提供足够的电流，从而控制电机的运转。2.4 单元电路的设计在本次设计中，要进行以下几个单元电路的设计：第一，方波产生电路；第二，环形计数电路；第三，功率放大电路。以下的篇幅将对上述电路分别进行设计及原理阐述。2.4.1 方波产生电路设计方波产生电路的功能很简单，就是为后续电路提供方波脉冲。结合数电教材上的理论知识，很容易想到用 555 定时器来构成方波产生器。555 定时器内部结构的简化原理图和引脚图如图 2 所示。它由 3 个阻值为 5 千欧的电阻组成的分压器、两个电压比较器 C1 和 C2、基本 RS 触发器、放电 BJT T 以及缓冲器 G 组成。图 2 555 定时器原理图和引脚图555 为一 8 脚封装的器件，其各引脚的名称和作用如下：1 脚GND,接地脚2 脚TL,低电平触发端3 脚Q,电路的输出端4 脚/RD,复位端，低电平有效5 脚V_C,电压控制端6 脚TH,阈值输入端7 脚DIS，放电端8 脚VCC,电源电压端，其电压范围为：318V定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制 RS 触发器和放电 BJT 的状态。图中 4 为复位输入端，当 4 为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出 V0 为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。由图可知当 5 脚悬空时，比较器 C1 和 C2 的比较电压分别为 2/3Vcc 和 1/3Vcc。当 V62/3Vcc,V21/3Vcc 时,比较器 C1 输出低电平,比较器 C2 输出高电平,基本 RS 触发器被置0,放电三极管 T 导通,输出端 V0 为低电平。当 V61/3Vcc 时,基本 RS 触发器 R=1,S=1,触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。其功能表如表 1 所示。表表 1 555 定时器功能表鉴于 555 定时器的工作原理，我设计出的方波信号产生电路的电路图如图 3 所示。图 3 方波信号产生电路其工作原理：接通电源后，电容 C1 被充电，Vc 上升，当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器被复位同时放电 BJT 导通，此时 V0 为低电平，电容 C1 通过 R2 和 T 放电，使 Vc 下降。当 Vc 下降到1/3Vcc 时，触发器又被置位，V0 翻转为高电平。电容器 C1 放电所需时间为t1=0.7R2C当 C 放电结束时，T 截止，Vcc 将通过 R1 和 R2 向电容器 C1 充电，Vc 由 1/3Vcc 上升到 2/3Vcc所需的时间为t2=0.7(R1+R2)C当 Vc 上升到 2/3Vcc 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为f=1/(t1+t2)=1.43/(R1+2R2)C通过调节 R2，改变频率的大小，从而改变电机的转速。2.4.2 脉冲环形分配电路设计由于这部分电路要完成的功能是：通过四相输出带动电机正相或反相转动。所以本部分电路采用的是双向移位寄存器 74194。74194 是由四个触发器组成的功能很强的四位移位寄存器，其逻辑功能示意图和引脚图分别如图 4 和图 5 所示。图 4 74194 逻辑功能示意图 图 5 74194 引脚图（1）异步清零。当 RD=0 时即刻清零，与其他输入状态及 CP 无关。（2）S1、S0 是控制输入。当 RD=1 时 74194 有如下 4 种工作方式：当 S1S0=00 时，不论有无 CP 到来，各触发器状态不变，为保持工作状态。当 S1S0=01 时，在 CP 的上升沿作用下，实现右移（上移）操作，流向是SRQ0Q1Q2Q3。当 S1S0=10 时，在 CP 的上升沿作用下，实现左移（下移）操作，流向是SLQ3Q2Q1Q0。当 S1S0=11 时，在 CP 的上升沿作用下，实现置数操作：D0Q0，D1Q1，D2Q2，D3Q3。74194 的功能表如表 2 所示。表 2 74194 的功能表输 入清零 控制 串行输入 时钟 并行输入输 出RD S1 S0 DSL DSR CP D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3工作模式0 0 0 0 0 异步清零1 0 0 nQ1n23保 持11 0 10 1 1 0 1 00 n1n2右移，DSR 为串行输入，Q3 为串行输出111 01 01 0 1Q30n12n左移，DSL 为串行输入，Q0 为串行输出1 1 1 D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 并行置数DSL 和 DSR 分别是左移和右移串行输入。D0、D1、D2 和 D3 是并行输入端。Q0 和 Q3 分别是左移和右移时的串行输出端，Q0、Q1、Q2 和 Q3 为并行输出端。基于双向移位寄存器 74194 的工作原理及功能，设计出的脉冲环形分配电路图如图 6 所示。图 6 环形分配电路其工作原理：方波信号产生电路输出的时钟脉冲从环形分配电路输入端输入，当每送入一个时钟脉冲，输出端就向左或向右移动一位。开关 S2 和 S3 组成了一个简单的正相/反相转动控制电路，先使 S2=1,S3=1，开始置数，A 端输入高电平，再使 S2=1,S3=0,此时寄存器将左移，若将 QAQBQCQD都接一个发光二极管，那么此时 4 个发光二极管的发光顺序为 QA-QD-QC-QB-QA,若使 S2=0,S3=1,则将向右移。S1 控制电路为单相或双相激励，S1 断开时，只有 A 端单相激励，若 S1 闭合，则实现 A端和 B 端双相激励。该电路将方波信号分配给四个端口 QAQBQCQD，从而与电机的四相相连。该部分电路其实包括了正相/反相转动控制电路和单相或双相激励控制电路。2.4.3 功率放大电路设计该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大，从而足够驱动 4 相步进电机。该部分电路图如图 7 所示。图 7 功率放大电路至此，方波信号产生电路，脉冲环形分配电路，功率放大电路三大主要单元电路都已设计完成。2.5 总体设计经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了四相步进电机驱动器的总体电路图，总体电路图如图 8。4 设计方案的论证本次设计结束，就本次课设所设计的电路，从几个方面简单给与论证。一正确性。虽然设计的电路不算很复杂，主要只包括三个单元电路：方波信号产生单元电路，环形分配单元电路，功率放大单元电路。但要正确的设计出电路也不是非常简单的事，从电路的仿真结果来看，设计的步进电机驱动电路的正确性得到证实。二简单性。这里所说的简单性并不是越简单越好，开始做课设时查了一些相关资料，也有很多别人设计的电路，由于当时对所要设计的电路原理不是非常清楚，于是先模仿别人的电路设计，但后来发现一点，并不是电路看上去越复杂越好，只要能够满足设计的要求，应该是越简单越好。本次设计的电路就比较简单清楚。三功能性。在达到了正确性和简单性的基础上，电路的功能性就体现出来了，它具有课设所需要的所有功能：实现电机正转/反转控制和转速控制，通过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，从而获得所需的转角、转速及转动方向，实现步进电机的单相或双相激励。5 设计器件清单表 3 元器件清单序号 编号 名称 数量1 74194 四位移位寄存器 1 片2 555 555 定时器 1 片3 S1S3 单刀双置开关 3 只4 R1 1 千欧 7 只5 R2 200 千欧 1 只6 D1 二极管 6 只7 D2 稳压管 4 只8 C1 1uF 1 只9 C2 0.01uF 1 只10 C3 100uF 1 只11 C4 0.1uF 1 只12 T 理想三极管 4