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北京工业大学电子课程设计报告
(数电部分)
题目:
步进电机
一、设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3
二、设计任务和设计要求
1.设计题目------------------------------------------------------------------------------------------------3
2.设计技术指标及设计要求----------------------------------------------------------------------------3
三、电路设计------------------------------------------------------------------------------------------------4
1.脉冲发生电路-------------------------------------------------------------------------------------------4
2.环形脉冲分配电路-------------------------------------------------------------------------------------5
3.控制电路-------------------------------------------------------------------------------------------------6
4.驱动电路-----------------------------------------------------------------------------------------------10
5.步进电机-----------------------------------------------------------------------------------------------11
四、电路的组装和调试------------------------------------------------------------------------------------12
1.电路的组装----------------------------------------------------------------------------------------------12
2.电路的调试----------------------------------------------------------------------------------------------13
五、收获和体会---------------------------------------------------------------------------------------------14
六、附录------------------------------------------------------------------------------------------------------15
1.列表-------------------------------------------------------------------------------------------------------15
2.参考资料-------------------------------------------------------------------------------------------------15
3.部分芯片管脚图----------------------------------------------------------------------------------------16
一、设计题目
步进电机控制电路
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;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:
当
=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:
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:
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
A
1
1
1
0
B
1
1
0
1
C
1
0
1
1
D
0
1
1
1
A
1
1
1
0
双四拍:
工作方式
励磁方式
D
C
B
A
双四拍
AB
1
1
0
0
BC
1
0
0
1
CD
0
0
1
1
DA
0
1
1
0
AB
1
1
0
0
四相八拍:
工作方式
励磁方式
D
C
B
A
四项
八拍
A
1
1
1
0
AB
1
1
0
0
B
1
1
0
1
BC
1
0
0
1
C
1
0
1
1
CD
0
0
1
1
D
0
1
1
1
DA
0
1
1
0
A
1
0
0
0
(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
0
1
1
1
1
1
1
1
A
1
0
1
1
1
1
1
1
AB
1
1
0
1
1
1
1
1
B
1
1
1
0
1
1
1
1
BC
1
1
1
1
0
1
1
1
C
1
1
1
1
1
0
1
1
CD
1
1
1
1
1
1
0
1
D
1
1
1
1
1
1
1
0
DA
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:
工作方式
励磁方式
A
B
C
D
四项
八拍
D
1
1
1
0
CD
1
1
0
0
C
1
1
0
1
BC
1
0
0
1
B
1
0
1
1
AB
0
0
1
1
A
0
1
1
1
DA
0
1
1
0
D
1
0
0
0
(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
工作方式
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
1台
数字面包板
1块
工具:
电烙铁
1把
剥线钳
1把
尖嘴钳
1把
一字改锥
1把
镊子
1把
元件:
步进电机
1台
NE555
1片
74LS08
2片
74LS138
2片
74LS161
1片
达林顿三极管(tip122)
4个
发光二极管
4个
绪流二极管
4个
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
若干
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
希望以上资料对你有所帮助,附励志名言3条:
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