步进电机课程设计与基于运放的信号发生器设计.docx
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步进电机课程设计与基于运放的信号发生器设计
一.设计要求……………………………………1
二.步进电机简单介绍………………………4
三.电路设计……………………………………5
(一).脉冲发生器……………………………………5
(二).环形移位信号发生电………………………6
(三).驱动电路…………………………………………16
四.步进电机的测试及连接………………18
五.最终电路图………………………………20
六.设计过程中遇到的问题及解决方案20
七.收获体会……………………………………21
八.附录…………………………………………22
步进电机控制电路
一、设计要求
(一)、设计任务
本课题要求设计一个步进电机控制电路,该电路能对步进电机的运行状态进行控制。
(二)、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)。
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)。
(三)、扩展要求
设计步进电机工作方式为四相八拍。
(四)、设计框图
步进电机控制电路主要由脉冲发生电路、环行脉冲分配电路、控制逻辑及正反控制门、功率放大器(驱动电路)和步进电机等组成。
(五)、参考元器件
NE555,计数器74LS161,74LS08,74LS74,74LS14(04),74LS138(74LS153),
四相步进电机,发光二极管,续流二极管IN4004,复合三极管TIP122,5Ω(1W)电阻,其他电容、电阻若干。
补充说明:
a、本实验提供的是四相步进电机,它对外有六条引线,其中二条为公共端、另外四条分别为A相、B相、C相、D相,但引脚具体排序未知,故在使用前需要对步进电机进行分析,测试,并判断出具体的相序。
b、四相步进电机磁激励方式基本有三种:
i、单四拍方式,通电顺序为A——B——C——D——A;
ii、双四拍方式,通电顺序为AB——BC——CD——DA——AB;
iii、四相八拍方式,通电顺序为A——AB——B——BC——C——CD——D——DA——A。
如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电,则步进电机将正向转动。
若通电顺序与上述相反,如单四拍方式,通电顺序A——D——C——B——A,则步进电机将反向转动。
如下表所示为步进电机的单四拍和双四拍的励磁方式及A、B、C、D相的输入逻辑信号。
有关步进电机的工作原理及使用方法请自己查阅资料。
工作方式
励磁方式
DBCA
单四拍方式
A
1110
B
1101
C
1011
D
0111
A
1110
双四拍方式
AB
1100
BC
1001
CD
0011
DA
0110
AB
1100
二、步进电机简单介绍:
(一)四向步进电机分别有三种电机励磁方式:
●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
●c四相八拍方式,通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
四相步进电机的电机转子均匀分布着很多小齿,定子齿有三个励磁绕阻,其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。
0、1/4(T)、1/2(T),3/4(T),(相邻两轴子齿轴线间的距离为齿距以T表示),即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/4(T),C与齿3向右错开1/2(T),D与齿4向右错开3/4(T)A'与齿5相对齐,(A'就是A,齿5就是齿1)
当控制电路对电机通电时:
A相通电,B,C,D不通电时,作用齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
进行转动时:
如B通电,A,C,D不通电时,齿2应与C偏移为1/4(T),齿4与A偏移(T-1/4T)=3/4(T)。
如C相通电,A,B,D相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/4T,此时齿4与A偏移为1/4T对齐。
如D相通电,A,B,C相不通电,此时转子又向右移过1/4T,如A相通电,B,C,D相不通电,齿5与A对齐,转子又向右移过1/4T。
这样经过A、B、C、D、A分别通电状态,齿5(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,D,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/4T,向右旋转。
如按A,D,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A这种导电状态,这样将原来每步1/4T改变为1/8T。
即四相八拍的通电工作方式。
(二)相关步进电机的部分概念:
拍数:
完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示,或指电机转过一个齿距角所需脉冲数,以四相电机为例,有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.
步距角:
对应一个脉冲信号,电机转子转过的角位移用θ表示。
θ=360度(转子齿数*运行拍数),以四相、转子齿为50齿电机为例。
四拍运行时步距角为θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称整步),八拍运行时步距角为θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半步)。
步距角精度:
步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。
用百分比表示:
误差/步距角*100%。
不同运行拍数其值不同,四拍运行时应在5%之内,八拍运行时应在15%以内。
失步:
机运转时运转的步数不等于理论上的步数。
这一现象称为失步。
电机正反转控制:
当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转,通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。
三、电路设计
(一)、脉冲发生器:
1、设计目标:
设计一个可以产生占空比和周期可调的方波信号的脉冲发生器。
2、基本思路:
利用NE555构成的多谐震荡器产生所需信号。
3、选用原件:
NE555、10K欧电位器、1K欧电阻、50微法电容、0.01微法电容。
4、电路原理图:
T1T2
原理公式:
T1=(R1+R2)Cln2、T2=R2Cln2
为使脉冲频率为几赫兹,电阻和电容应选择恰当的数值,通过计算和实际测试,我们选用了10K欧电位器、5K欧电阻、50微法电容、0.01微法电容。
这样,脉冲信号的频率可在2——5Hz之间调节,来控制步进电机的转速。
电路图如下:
5、仿真波形
6、实际电路
(二)、环形移位信号发生电路:
1、设计目标:
设计一个可以生成四路如图表所示变化的脉冲信号,其状态变化由NE556产生的脉冲控制。
并能通过开关切换单四拍或双四拍模式。
2、选用元件:
74LS194、74LS08、74LS161、74LS138、74LS00。
3、设计方案:
方案一(JK触发器+与非门产生环形脉冲)
由两个JK触发器构成一个四进制计数器,再有四个与非门构成译码器,CP是输入计数脉冲的主时钟,既由上述555构成的脉冲发生电路。
单四拍状态图:
触发器选择:
两个JK触发器(74LS76)
时钟方程:
CP1=CP2=CP
状态方程:
Q0n+1=
=J
+
Q0nJ=K=1
Q1n+1=Q1n
+
Q0nJ=K=Q1n
A=
B=
Q0n
C=Q1n
D=Q1nQ0n
电路图:
波形:
由A、B亮相的波形可以发现,A、B叠加可以产生双四拍的波形。
所以,A双=A单+B单;B双=B单+C单;C双=C单+D单;D双=D单+A单如图:
电路图:
波形:
在经过多路选择器,通过开关控制选通不同的通道,就能实现单四拍、双四拍和四相八拍三种不同工作模式之间的转换了。
多路选择器(74LS153)的制作:
Q=
X+
S0Y+S1
Z+S1S00
(其中X:
单四拍Y:
双四拍Z:
四相八拍)
令A=S1;B=S0;D0=X;D1=Y;D2=Z;D3=0
电路图:
至此,由JK触发器(74LS76),与非门及多路选择器(74LS153)产生环形脉冲电路(如图)
电路图:
方案二(191可逆计数器+138译码器)
由前一种方案产生的环形脉冲分配电路所存在的一个共同缺陷是不能同时实现正转和翻转的功能,无法满足题目要求,因此考虑选用74LS191集成4位二进制同步可逆计数器替代原来的160计数器。
利用191自身所具备的加法计数和减法计数功能,通过外加一个开关就实现了对电机的正传和反转控制。
这样比单独考虑在160的基础上外加门电路的方式来控制电机正反转的方法要简化的多。
电路图:
方案三(160/161计数器+138译码器)
由于前两种方案并不能很好的实现实验要求效果所以我们选择用161
+138来实现。
74LS161十六进制计数器
74LS161电路图如下(EDA仿真中74LS163代替,原理与功能同74LS161)
此图略去了电源VCC和地GND的管脚,其分别为芯片的左上角16管脚接高点平VCC,实验中用的为5V电压源;右下角第8管脚接GND。
以上两种电源均取自实验箱。
按照管脚顺序介绍:
第2管脚CLK接的是由555接成的多谐震荡器第3管脚输出端产生的脉冲,为其提供CP脉冲。
第3、4、5、6管脚分别为原始输入端,通过接不同的高低电源来改变初始状态。
A—D由低到高,其位权为2的N次方,分别为:
0、1、2、3,即常用的8421码。
举例:
如果A—D均接地,即初始状态为0000,十进制为0;如下左图。
若ABCD接法为1001,即初始状态为1001,十进制为9;如下右图。
第7和第10管脚为计数器控制端,当它们均接高即(EP=ET=1)时,计数
器才工作。
在次实验中,我将用到的两片74LS161的EP、ET端接在一起,并连接了开关,用来控制计数器是否工作,实验中的开关用的是实验箱上的开关,通过扳动开关的上下位置来选择高低电平;另外为了面包板上的电路更独立,可以将开关与导线焊好接在面包板上。
我为了节约时间在条件允许的情况下未采取此方法。
第1和第9管脚的清零端和置数端均为低电平有效,二者不可同时应用,在选择使用其中之一后,另一个接高电平。
二者所不同的是二者动作的时间:
清零端为异步清零,所谓异步就是不与时钟CP同步,即只要CLR端有低电平信号产生,不论时钟CP为高或低,计数器立刻归零。
特别要注意的一点是:
由于输出信号均为高,所以在让CLK工作提供信号时用到了74LS系列的与非门,它将产生低电平,从而让CLK工作。
而产生与的结果为一必然输入全为“1”,这个状态在使用CLK时不存在。
原因在于它的异步上,由于芯片清零的速度远比与非门的延迟快,所以最后全“1”的状态在出现后马上消失为“0”。
人的肉眼无法辨别,所以认为次状态不存在或暂留时间很短可忽略。
而置数端LOAD,则是需要一个上升沿来进行置数,置数需要的时间和CP脉冲的高低信号间隔时间相等,所以最后全“1”的状态可以保留。
第15管脚为进位输出端,一般在做多位进制时用到,它提供的信号为高电平。
若把它接到另一片上的EP、ET端,则接成的可能是几十进制的计数器,最常见的是60进制的秒表。
第11到第14管脚由高到低排列,与输入端类似,它也与8421码相对应,产生对应的十进制数。
下面是我对74LS161的应用,初始状态A、B、C、D均接地GND,即原始状态为0000,十进制为“0”。
输出端在DCBA为0011时通过与非门接LOAD端,有此构成的是4进制计数器,“0000”—“0011”,即“0”—“3”。
具体如下图:
74LS138的图如下,取自EDA
此图同样略去了电源VCC和地GND的管脚,其分别为芯片的左上角16管脚接高点平VCC,实验中用的为5V电压源;右下角第8管脚接GND。
以上两种电源均取自实验箱。
按管脚顺序介绍:
第1、2、3管脚就是74LS138的输入端,它同样通过接不同的高低电源来改变初始状态。
A—C由低到高,其位权为2的N次方,分别为:
0、1、2、,即常用的8421码。
“000”即为“0”;“111”即为“7”。
第7、9—15管脚分别为输出端,其产生的译码与输入端对应,即ABC为“000”时,Y0被选中;ABC为“010”时,Y2被选中;ABC为“111”时,Y7被选中。
值得注意的是所有凡是被选中的译码均为低信号,即“0”。
表格如下:
74LS138译码器工作是真值表
C
B
A
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
这与步进电机工作方式的励磁方式及输入逻辑信号一致,因此不用在控制电机时进行反向。
利用74LS161与74LS138实现单四拍和双四拍的电路图如下:
由于该实验方案只能实现单四拍和双四拍,并不能实现四相八拍,我们在实现四相八拍上遇到了题,后来认真思考138的工作原理及四相八拍与单四和双四的区别,发现当138C端输入信号为“1”时,实现单四拍;C为“0”时,实现双四拍。
而单四拍和双四拍穿插输出就为四相八拍。
从而我们认识到只要在138的C输入端口接入“10101010……”的信号就可以实现四相八拍。
所以我们再原电路上进行了更改,161输出端口A接入138的C口就实现了八拍。
C端输入信号
0
1
101010……
输出
单四拍
双四拍
四相八拍
电路图如下:
(三)、驱动电路:
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
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非静态电流(而样本上的电流均为静态电流)。
平均电流越大电机力矩越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
因而不同的场合采取不同的的驱动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:
恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。
步进电机一经定型,其性能取决于电机的驱动电源。
步进电机转速越高,力距越大则要求电机的电流越大,驱动电源的电压越高。
电压对力矩影响如下:
细分驱动器
在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。
1、设计目的:
由于门电路所输出的电流远不足以驱动步进电机的转动,这里需要一个具有功率放大能力的驱动电路,它由环形脉冲电路所产生的脉冲信号控制,产生一个足以驱动步进电机的电流。
2、选用元件:
复合三极管(达林顿管)、续留二极管、发光二极管、5.1欧电阻、270欧电阻、1K欧电阻。
3、电路图:
图中1K欧电阻接门电路的输出,D1为续流二极管,D2为发光二极管,M代表步进电机的任意一相。
将驱动电路与前两部分相连测试成功!
实际电路:
四、步进电机的测试及连接:
(一)、测试步进电机的引脚功能和顺序:
本实验提供的是四相步进电机,它对外有六条引线,其中二条为公共端、另外四条分别为A相、B相、C相、D相,但引脚具体排序未知,故在使用前需要对步进电机进行分析,测试,并判断出具体的相序。
1、判断公共端:
在不明引脚功能的情况下,不能贸然通电测试,以免损坏电机。
应采用其他方法。
根据步进电机的内部构造,永磁感应子式步进电机一共六根引线,共分为两组,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7.5Ω。
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。
2、判断A、B、C、D四相的顺序:
我们试着用“随便选取四条引线中的一根设为A相,接低电平。
再另取一根引线触低电平,若电机正转,则该项为B,;反转,该项为D;否则,该项为C。
”进行测试。
(二)、连接步进电机测试电路功能:
将控制电路与驱动电路和步进电机相连
实际电路:
(三)步进电机步距角的测量:
励磁方式
单四拍
双四拍
四相八拍
转一周所需步数
200
200
200
步距角
18°
18°
18°
五、最终电路图
仿真图:
实际电路:
六、设计过程中遇到的问题及解决方案:
1、问题:
我们遇到的第一个问题是NE555发生的脉冲信号得不到理想的频率。
解决方案:
为此我们查阅了数字电子技术教材上多谐振荡器周期相关的公式,计算出了合适的电位器和电容大小,更换了器件后,得到了理想的脉冲信号。
2、问题:
在连接驱动电路时,有一个发光二极管始终无法电亮,经检查电路没有故障。
我们还找到老师要求更换一个发光二极管,但经老师测试,二极管也没有问题。
解决方案:
我们发现这个二极管颜色和别的不同,其连接方式也与其他不同。
内部金属片较大的一侧应连在负极,与其他二极管相反。
改变连接方式后,四个二极管的显示终于正常了。
3、问题:
在上交设计给老师检查时,我们的八拍输出方式出现了问题,无法正常工作。
解决方案:
好在经过冷静的检查电路,我们很快发现,由于路上的震动使一处开关上的连线松动,导致这个开关失灵,线路连好后,故障得以排除,我们的设计顺利通过老师的验收。
最后值得一提的是,我们在以后的试验中,应当爱惜试验设备,我们在用测试电路时使用了试验箱上的二极管。
发现电路功能不正确,最终检查发现其实不是电路的问题,而是试验箱上的二极管有一个是损坏的,根本不能亮。
白白耽误了时间,如果大家都能更加爱惜试验设备,使它们始终保持良好状态,自己在试验过程中也能减少许多麻烦。
七、收获体会
本次数电课设在很大程度上巩固了我以往所学的电路知识,真正意义上把书本上文字性的内容转变为了自己的东西。
通过自己亲手设计,亲手制作,不仅锻炼了自己的动手能力,更重要的是培养了一种能够融会贯通的能力,在很短的时间内学习一门知识,掌握一种技能,并很好的融会贯通,把所学的内容应用到实际当中。
我想这才是课设所带给我的最大的收获。
回想当初刚拿到课设题目的时候真是一筹莫展,看着书上所给出的框架图,似乎每一部分都合情合理,却又不知应当从何下手。
波形发生电路,似乎要用的一个555,苦思冥想着脑海里却分不清什么是单稳什么是多谐,到底应该用哪一个。
至于后边的电机驱动,更是无从谈起。
带着一嘟噜的问题开始了资料的查阅,渐渐的所有的问题开始有了眉目,波形发生器是一个多谐振荡器,环形分配电路需要用逻辑时序电路来搭建。
至于电机驱动电路,用一个达林顿三极管就能解决问题。
带着满腔的热情与希望,我开始了实际电路的设计。
利用Multisim强大的仿真功能,电路开始一步一步的浮出水面,从最原始由基本触发器和门电路构成的电路一步一步升级到最终用一块138就能解决所有的问题,但是还是不能实现八拍的运转,后来有些急躁,实在不明白怎么才能实现八拍,都想过要放弃,这中间经历了一个漫长而曲折的过程,最后终于静下心来,仔细想想,从最基础出发,最终明白其实只要很简单的在138的C口接入“10101010……”的信号就可以很简单的步骤却花了我们很长的一段时间,让我们体会到做实验要脚踏实地,一步一步做起,不能急功近利,否则欲速则不达。
回首这一步步时间和智慧的结晶,才深刻体会到了技术创新所带来的强大推动作用。
在后面的实际电路连接中同样也遇到了一些问题,比如布线问题,实验用具问题的检测等,体会最深的一点就是磨刀不误砍柴工。
只有一切都是先想好了、准备好了,做起事情来才得心应手,显得从容不迫。
比如之前的电路设计,如果想出了一两种方案就立即动手去做,那么后面的工程量就可想而知了,十来块芯片的摆放都成问题,就更别提布线了。
再者,动手连线之前要先检测一下元器件是否完好,特别是芯片、导线以及面包板是否完好,如果这些东西存在问题,将来就不是查线所能解决得了的了。
还有,做什么事情都要有条不紊。
比如布线插线,要设计好线路的走向,不能交叉,不能重叠,不同功能的线要用不同的颜色区分开来,这样不仅自己清楚,别人看起来也一目了然。
这所有的一切都能起到事倍功半的效果,让我的课设过程显得是如此的顺利。
纵观整个课设过程,虽然不能说是完美,但我也可以说能为自己交上一份满意的答卷了。
因为整个过程,我都兢兢业业一丝不苟的去做了,别人想得我想了,别人没想的我也想了。
真真正正从底层做起,不断得引入自己的思考,发展壮大,才产生了今天这样的一个作品。
感谢老师们的帮助,感谢课设给了我这样一个能够发挥自己的平台,我会把这次经历深深的收藏起来,作为以后的一笔财富。
八、附录
(一)元件清单
步进电机
1个
NE555
1个
74LS161
1个
74LS138
1个
74LS20
1个
74LS04
1个
单刀双掷开关
4个
10uf电容
1个
10nf电容
1个
10KΩ电位器
1个
1KΩ电阻
4个
270KΩ电阻
4个
发光二极管
4个
绪流二极管
4个
TIP122
4个
导线
若干
(二)参考资料
[1]清华大学电子学教研组编,阎石主编;《数字电子技术基础》(第四版),北京,高等教育出版社,1998年。
[2]清华大学电子学教研组编,余孟尝主编;《数字电子技术基础简明教程》(第三版),北京,高等教育出版社,2006年。
[3]陈永甫主编;《555集成电路应用800例》电子工业出版社,1992年。
[4]国家机械工业委员会编;《控制微电机产品样本》,机械工业出版社,1987年。
一、设计要求
(一)、设计任务
本课题要求使用集成运算放大器制作正弦波发生器,在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激震荡而产生正弦波输出的电路。
经过波形变换可以产生同频三角波、方波信号。
(二)、设计要求
采用经典振荡电路,产生正弦信号,频率范围100Hz~10KHz。
双电源供电:
信号经过放大、驱动电路,可在1KΩ负载条件下:
1、正弦波最大峰-峰值3V幅值可调,谐波失真小于3%;
2、三角波最大峰-峰值5V幅值可调,非线性失真小于2%;
3、方波最大峰-峰值15V幅值可调,方波上升时间小于2μs;
(三)、扩展要求
1、单电源供电;
2、扩大信号频率范围;
3、增加输出功率;
4、具有输出频率的显示功能。
二、实验方案
(一)、函数信号产生方案说明
模
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- 关 键 词:
- 步进 电机 课程设计 基于 信号发生器 设计