步进电机驱动器设计

题目： 步进电机驱动器设计 班级：学号：指导：时间：电工电子技术课程设计任务书设计课题： 步进电机驱动器设计设计任务与要求查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件超过 3050 个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：1、 分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；2、 对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；3、 用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；4、 对整体电路原理进行完整功能描述；5、 列出标准的元件清单；设计步骤1、 查阅相关资料，开始撰写设计说明书；2、 先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；3、 依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；4、 列出标准的元件清单；5、 总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。设计说明书字数不得少于 3000 字。参考文献1.康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京 高等教育出版社,20052.曾建唐.电工电子基础实践教程(下册) 实习.课程设计.北京 机械工业出版社,20033.史敬灼.步进电动机伺服控制技术.北京 科学出版社,20064.曹汉房，陈耀奎.数字技术教程.北京 电子工业出版社，19955.李士雄，丁康源.数字集成电子技术教程.北京 高等教育出版社，2003目录1、 总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12、方波的产生设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . .33、脉冲环形分配电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64、功率放大电路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95、总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106、总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117、元件清单；. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128、参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 9、设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14- 0 -1、总体方案与原理说明1.1 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。1.2 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，步进电机控制框图见图 1。图 1 步进电机控制系统框图通常来说（如下所述） ，步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控- 1 -制电机的转动方向和转速。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。- 0 -当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器） ，它就驱动步进电动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。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 2。 图 2 步进电机驱动器整体框图1.3 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。- 1 -2、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 3 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 3 555 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，- 2 -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4 所示。- 3 -图 4 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。- 4 -3、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 5 和图 6 所示。图 5 74194 逻辑功能示意图 图 6 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。- 5 -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 7 所示。- 6 -图 7 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。- 7 -4、 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 8 所示。由于脉冲分配器输出端输出电流很小，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001 型步进电动机每相静态电流为 3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。图中使用三级晶体管放大，经 A 相、B 相、C 相三极管放大，在通过电机电源和电机线圈放大电流，由稳压管进行限流，大小随配电机不同而异。由于电机各相绕组部是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制。因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势。图 8 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。- 8 -5、总体电路原理相关说明经过以上分析，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 9。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。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。开关 S2 和 S3 组成了一个简单的正相/反相转动控制电路。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。经 A 相、B 相、C 相及 D 相连接的三极管放大，再通过电机线圈产生的电感控制电流大小，从而放大几倍到几十倍然后输出，控制电机转动方向和转速。- 9 -6、总体电路原理图- 10 -7、元件清单表 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