步进电机控制电路.doc
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步进电机控制电路.doc
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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
目录
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。
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
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
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