步进电机控制电路word精品文档16页Word格式文档下载.docx
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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；
5Ω（1W）电阻，其它电容、电阻若干。
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=1KΩR2=1KΩC=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。
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：
=1，
=0时，在CP上升沿操作下，并行输入数据d3d2d1d0置入计数器。
3、步二进制加法计数功能：
=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；
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：
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：
工作方式
励磁方式
D
C
B
A
单四拍
1
双四拍：
双四拍
AB
BC
CD
DA
四相八拍：
四项
八拍
（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
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
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：
（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
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。
图3.10
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。
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。
五、测量
脉冲数
步距角（度）
单拍
36
10
双拍
76
4.7
四项八拍
140
2.6
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
数字面包板
工具：
电烙铁
1把
剥线钳
尖嘴钳
一字改锥
镊子
元件：
步进电机
NE555
1片
74LS08
2片
74LS138
74LS161
达林顿三极管（tip122）
4个
发光二极管
绪流二极管
电阻
若干
电容1uf
2个
滑动变阻器
1个
双刀双置开关
8个
导线
2、参考资料
《电路电子实验1》指导书----北京工业大学电控学院电工电子实验教学中心
数字电子技术基础（第四版）-------------阎石主编，高等教育出版社
试验什么．．．
3、部分芯片管脚图
74LS16174LS138
74LS08NE555
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1、理想的路总是为有信心的人预备着。
2、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。
——罗曼·
罗兰
3、人生就像爬坡，要一步一步来。
——丁玲
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