步进电机控制电路

1 北京工业大学电子课程设计报告北京工业大学电子课程设计报告 数电部分 数电部分 题题 目 目 步进电机步进电机 2 目录目录 一 设计题目一 设计题目 3 二 设计任务和设计要求二 设计任务和设计要求 1 1 设计题目设计题目 3 2 设计技术指标及设计要求设计技术指标及设计要求 3 三 电路设计三 电路设计 4 1 脉冲发生电路脉冲发生电路 4 2 环形脉冲分配电路环形脉冲分配电路 5 3 控制电路控制电路 6 4 驱动电路驱动电路 10 5 步进电机步进电机 11 四 电路的组装和调试四 电路的组装和调试 12 1 电路的组装电路的组装 12 2 电路的调试电路的调试 13 五 收获和体会五 收获和体会 14 六 附录六 附录 15 1 列表列表 15 2 参考资料参考资料 15 3 部分芯片管脚图部分芯片管脚图 16 3 脉冲发生 电路 控制电 路 驱动电 路 步进电 机 脉冲显 示 环行脉冲分配 电路 一 设计题目一 设计题目 步进电机控制电路 二 设计任务和设计要求二 设计任务和设计要求 1 设计任务 本课题要求设计一个步进电机的控制电路 该电路能对步进电机的运行状态 进行控制 2 设计技术指标及设计要求 基本要求 1 能控制步进电机正转和反转及运行速度 并由 LED 显示运行状态 步进 电机工作方式可为单四拍或双四拍 A 单四拍方式 通电顺序为 A B C D A B 双四拍方式 通电顺序为 AB BC CD DA AB 2 测量步进电机的步距角 通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数 推算出步进电机的步距角 扩展要求 设计步进电机的工作方式为四相八拍 C 四相八拍方式 通电顺序为 A AB B BC C CD D DA A 3 设计框图 4 参考元器件 步进电机 发光二极管 续流二极管 IN4004 复合三极管 TIP122 5 1W 电阻 其它电容 电阻若干 4 三 电路设计三 电路设计 1 脉冲发生电路 脉冲发生电路是由 NE555 及外接阻容元件构成的多谐振荡器产生的 多谐振荡器是 一种可以产生周期性的矩形脉冲信号的自己振荡电路 图 3 1 根据公式 f 1 ln2 R1 2R2 C 和 q R1 R2 R1 2R2 可分别计算出其频率和占空比 实际数据 R1 1K R2 1K C 1uF 计算数值 f 480 9HZ 实际数值 f 493 42HZ 占空比 q 33 3 后面为了实现变速 将 R1 替换为一个滑动变阻器 2 环形脉冲分配电路 环形脉冲分配电路是步进电机中一个重要环节 利用环形脉冲分配电路可以产生所 需要的脉冲波形 以实现对步进电机的控制 生成题目所要要求的单四拍 双四拍 和四 相八拍三种工作模式 5 图 3 2 上图为 74LS161 的管脚图 74LS161 计数脉冲由单次脉冲源提供 清零端 置数控 制端 工作状态控制端 CTPCTT 并行数据输入端 D3 D0分别接逻辑电平开关 进位信号 输出端 CO 计数器状态输出端 Q3 Q0均接逻辑电平显示 按如下逐项测试并判断该集成块 的功能是否正常 1 异步清零功能 当 0 时 这时 Q3Q2Q1Q0 0000 计数器清零 其它输入信号都不起 作用 与 CP 无关 故称为异步清零 2 同步并行置数功能 当 1 0 时 在 CP 上升沿操作下 并行输入数据 d3 d2 d1 d0置入计数器 3 步二进制加法计数功能 当 1 若 CTP CTT 1 则计数器对 CP 信号按照 8421 码进 行加法计数 4 保持功能 若 CTP CTT 0 则计数器将保持原来状态不变 若 CTP CTT 1 则计数器 将保持正常工作状态 可以正常计数 用 NE555 为 74LS161 提供时钟脉冲 使 74LS161 进行十六进制计数 将 QA QB QC 三个输 出端的信号作为 74LS138 芯片的输入信号由其进行译码工作 电路图如下 6 3 控制电路 以下为单四拍 双四拍及四项八拍的所要输出地逻辑信号 单四拍 双四拍 四相八拍 工作方式励磁方式 DCBA A1110 AB1100 B1101 BC1001 C1011 CD0011 D0111 DA0110 四项 八拍 A1000 工作方式励磁方式 DCBA A1110 B1101 C1011 D0111 单四拍 A1110 工作方式励磁方式 DCBA AB1100 BC1001 CD0011 DA0110 双四拍 AB1100 7 1 四项八拍电路 根据 74LS138 的工作原理 ABCD 四相即为要求的输出项 我们要求从 74LS161 输 出从 000 到 111 的循环逻辑信号 从而可以列出 74LS138 的真值表 如图 3 3 图 3 3 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 工作项 01111111A 10111111AB 11011111B 11101111BC 11110111C 11111011CD 1 11111101D 11111110DA 从图中可以分析出 A Y0 Y1 Y7 B Y1 Y2 Y3 C Y3 Y4 Y5 D Y5 Y6 Y7 可以得出结论 步进电机的每个相都由 75LS138 的 3 个输出端控制 只要 3 个输出端有一 个端输出为 0 时该端所控制的相工作 由此可以画出步进电机控制电路部分的电路图 图 3 4 8 图 3 4 电路只能实现四项八拍 单向 的工作方式 不能实现正转 反转切换的工作方式 为实现正转和反转能够同时在一个电路完成的目的 将对此电路进行改进 3 控制电机正反转的电路 为实现反转 只需将原有的输出信号按相反顺序输入给步进电机的四个相即可 根据 这个思路 我将实验电路的控制电路部分作如下改动 图 3 5 在这个电路中我加入了八个单刀双掷开关 在开关切换的时候从而将输入顺序改变 此时步进电机的四个相的工作顺序倒转 74LS138 的输出端对应的相也发生改变 A Y5 Y6 Y7 B Y3 Y4 Y5 C Y1 Y2 Y3 D Y0 Y1 Y7 四相八拍反转 工作方式励磁方式 ABCD D1110 CD1100 C1101 四项 八拍 BC1001 9 B1011 AB0011 A0111 DA0110 D1000 4 电路简化 由于在图 3 5 所示电路中 涉及八个单刀双掷开关 过于繁杂 为去掉不必要的开关 电路作如下调整 图 3 6 这个电路图的原理是将控制电路输出信号在输入步进电机前反向 而不是在图 3 5 中那样 改变控制电路的逻辑关系从而实现反向 这种方式相对与上一组的优点是减少了开关的使 用量 简化了电路 但在实际中由于进度原因并未使用这种方法 5 单拍 四项八拍切换 回到图 3 374LS138 的真值表 我们可以看出Y1 Y3 Y7 Y5 分别控制 AB BC CD DA 要实现单拍只需将这几个状态去掉即可 为此我用开关来实现去掉状态的 功能 图 3 7 10 电路原理 上图电路可以实现单拍 四项八拍转换 正传 反转转换 图中重新加入了一个 74LS138 芯片 目的是为了控制步进电机反转 替代了图 3 6 中开关的作用 新加入了一 个开关 J1 用于切换两个 74LS138 芯片 分别供电给两个芯片 当一个芯片工作时另一个停 止 74LS138 n2 芯片的输出端连接和 n1 是完全相反的 输出信号的顺序与原来相反 这 样就可以实现反转 开关 J2 J5 的用方法为 两输入一输出 这样就有两个输入状态 其 中一个分别接 74LS138 的 Y1 Y3 Y5 Y7 另一端接高电平 5V 当开关接 5V 时 相当于 Y1 Y3 Y5 Y7 输出一直是高电平 而步进电机的相是低电平工作 所以说 AB BC CD DA 几个状态被去掉 实现了单拍的工作方式 开关切换到另一端时 进行四 项八拍工作方式 优点 连线简单 看起来线不少 但实际上连线及其容易 尤其是开关和两片 74LS138 之间的连线 相比图 3 6 而言 不但功能上更加完善 而且电路更加简化 实现 同样功能下 个人认为开关的接法是这个电路的得到优化的关键 四个单刀双掷开关并没 有像图 3 6 中的那样是为了改变输出方向 而是改变了输入 其中一个输入直接接 5v 电源 相当于抹掉了 74LS138 芯片的四个输出状态 6 变速实现 实现变速主要是将电路的时钟脉冲的频率进行改变 也就是对 NE555 组成的多谐振荡器的 震荡频率进行改变 根据公式 f 1 ln2 R1 2R2 C 在电路中 R1替换为一个可调电阻 图 3 8 4 驱动电路 功率放大是驱动系统中最为重要的部分 步进电机在一定转速下的转矩取决于它的 动态平均电流 而由门电路输出的电流远远不能满足对电机的驱动 所以要真正使电机动 起来就必须连接一个功率放大电路 图 3 9 为驱动电路 达林顿管 TIP122 为步进电机提供了一个大电流 通过一个起限 11 Q1 MJ122 LED blue LED1 D1 1N4004 R1 1 0kohm 5V VCC L1 1mH R2 5ohm 流保护作用的 5Ohm 的电阻 电流从电击相线圈流过 从而达到了放大功率的作用 在电路 中加入了发光二极管是为了可以直接的看到工作现象 在这里特别要提的是电路中的续流二极管 IN4004 当控制信号为高电平时 达林顿 管导通正常工作 但当控制信号为低电平时 达林顿顿管截止 电机相线圈中没有大电流 通过 而此时线圈可以看作是电感 电感会储存一部分电量 如果没有回路释放 就会在 瞬间产生一个电流 可能造成电机的毁坏 所以我们在此处加了续流二极管 IN4004 电感 中储存的电量通过续流二极管放电 图 3 9 5 步进电机 步进电机是一种 感应电机 它的工作原理是利用电子电路 将直流电变成分时供 电的 多相时序控制电流 用这种电流为步进电机供电 步进电机才能正常工作 驱动 器就是为步进电机分时供电的 多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用 但步进电机并不能像普通的直流电机 交流电 机在常规下使用 它必须由双环形脉冲信号 功率驱动电路等组成控制系统方可使用 因此用好步进电机却非易事 它涉及到机械 电机 电子及计算机等许多专业知识 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 本实验提供的是四相步进电机 它对外有六条引线 其中两条为公共端 另四条分别为 A 相 B 相 C 相 D 相 但引线具体排序未知 故在使用前需对步进电机进行 测量每两根引线之间的电阻 不同绕组之间的电阻为无穷大 同一绕组中 中心引线 到两边的电阻约为 7 5Ohm 判断出两组绕组的中心引线后 剩下的四根即为 A B C D 四个 项 中心引线即为公共端 接 5V 12 图 3 10 四 电路的组装和调试四 电路的组装和调试 1 电路的组装 从仿真图上看来 整个电路图不是很复杂 但是在实际插线的过程中 发现在排线 时 74LS08 与门的周围线十分密集 造成了连线错误 有些地方的线也有虚接的地方 整个电路基本就是可以分成脉冲发生电路 环形分配电路和驱动电路 我们也是按 照这个顺序进行接线 检验的 图 4 1 蓝色部分是由 NE555 组成的多谐振荡器 红色部分是 74LS161 计数器 黄色部分是 74LS138 译码器 紫色部分是 74LS08 与门 13 图 4 2 完成图 2 电路的调试 最先完成的脉冲发生电路 可以在示波器上看到完美的方波 占空比近于 40 理 论值约为 33 3 环形分配电路安装完毕后 我们进行调试 发现部分的 LED 灯并没有灭只是暗了 于是我们开始向前查线 发现时 74LS138 的输出端的电压在没给输入时电压并不是 0 而是一个低电压 导致 LED 灯并没有完全暗下去 但实际原因并不清楚 只能重新连线 排除故障 再次调试 单四拍双四拍都可以进行了 正传反转似乎也可以了 于是开始接入步 进电机 再接入电机前 我对电机的四个相进行了测量 用的比较土的办法 就是用学 生电源正极 5V 分别接电源的四个相 负极接公共端 观察步进电机的转动情况 进 行排列组合 如果接第二个端时电机反转了 说明这个端比较上一个端应先通电 以此 类推 找出电机的四个相的顺序 连接电路 上电工作 经过调试 电机运转正常 正反转单拍四项八拍均能实现 转速也可以 发生明显变化 14 五 测量五 测量 工作方式脉冲数步距角 度 单拍 3610 双拍 764 7 四项八拍 1402 6 六 附录六 附录 1 列表 仪器 直流流稳压电源 双路 1 台 万用表1 块 双踪示波器1 台 数字面包板1 块 工具