步进电机驱动器设计.doc

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141、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。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。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，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V62/3Vcc,V21/3Vcc时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管T截止,输出端V0为高电平。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。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。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。表2 74194的功能表输 入输 出工作模式清零控制串行输入时钟并行输入RDS1 S0DSL DSRCPD0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 0 0 0 0异步清零10 0 保 持110 10 1 1 0 1 0 右移，DSR为串行输入，Q3为串行输出111 01 01 0 1 0左移，DSL为串行输入，Q0为串行输出11 1 D0 D1 D2 D3D0 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。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。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。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。6、总体电路原理图7、元件清单表3 元器件清单序号编号名称数量174194四位移位寄存器1片2555555定时器1片3S1S3单刀双置开关3只4R11千欧7只5R2200千欧1只6D1二极管6只7D2稳压管4只8C11uF1只9C20.01uF1只10C3100uF1只11C40.1uF1只12T理想三极管4只13L1mH4只参考文献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设计心得体会以上为实习期间所分析的电机驱动电路，它经过多次修改和整理，