步进电机

数字电子技术课程设计报告步进电机控制电路指导老师：谭燕宁制作人：06020324许锋同组者：06020307张纯溢2008-3-30数字电子技术课程设计设计题目：步进电机控制电路第一部分课程设计要求一、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.能控制步进电机的正转与反转及运行速度,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.说明:a.本实验提供的是四相步进电机,它对外有五条引线,其中一条为公共端,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分析.测试,并判断出具体的相序.b.四相步进电机励磁方式基本有三种: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,则步进电机将正转.若通电顺序与上述相反,如单四拍方式,通电顺序为A→D→C→B→A,则步进电机将反转,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查资料.工作方式励磁方式DCBAA1110B1101单四拍工作C1011D0111双四拍工作AB1100BC1001CD0011DA0110AB1100四、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74LS161,74LS08,74LS14(04),74L74,74LS138(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)阻,其它电容,电阻若干.第二部分步进机的原理一、步进电机简单介绍：本实验提供的是四向步进电机，它对外有五条引线，其中一条为公共端，令四条分别为A相、B相、C相、D相。由于引线具体排序未知，故在实验前需对步进电机进行分析，测试，并判断出具体的相序。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—Ab双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—ABc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，（假设转子不受任何力，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。第三部分设计方案:通过对题目的分析可以知道，本题目可以分成五个部分分别实现。即脉冲发生电路、环形脉冲分配电路、控制电路、驱动电路和脉冲显示电路。以下为本组成员在课程设计过程中自我创新和参考过的设计。一、脉冲发生电路部分的设计：方案一：用µA741接成矩形波发生电路因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平就是抵电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动的相互装换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延时环节来确定每种状态维持的时间。下图所示为用µA741组成的矩形波发生电路，它由反向输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延时环节，又作为反馈网络，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。图中滞回比较器的输出电压UO=±UZ,闸值电压±UT=±211RRR.UZ设某一时刻输出电压UO=+UZ，则同向输入端电位UP=+UT。UO通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反向输入端电位UN随时间t增长而逐渐增高，当t趋近于无穷时，UN趋向于+UZ；但是，一旦UN=+UT，再稍增大，UO就从+UZ越变为-UZ，与此同时UP从+UT越变为-UT。随后UO又通过R3对电容C反向充电，或者说放电，如图中虚线箭头所示。反向输入端电位UN随时间t增长而逐渐降低，当t趋于无穷时，UN趋于-UZ；但是一旦UN=-UT，再稍减小，UO就从-UZ越变为+UZ，与此同时UP从-UT越变为+UT，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。由于图5中所示电路正向充电与反向充电的时间常数均为R3C，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内UO=+UZ的时间与UO=-UZ的时间相等，UO为对称的方波。电容上电压UC（即集成运放反向输入端电位UN）和电路输出电压UO波形如图6所示，如图可见，输出电压是占空比为1/2的矩形波。根据电容上电压波形可知，在1/2周期内，电容充电的起始值为-UT，终了值为+UT，时间常数为R3C；时间t趋于无穷时，UC趋于+UZ，利用一阶RC电路的三要素法可列出方程求出：振荡周T=2R3C㏑（1+212RR）；振荡频率f=1/T。通过以上分析可知，调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。方案二：用施密特触发器构成多谐振荡器施密特触发器最突出的特点是它的电压传输特性有一个滞回区。因此我们想到，倘若能使它的输入电压在VT和VT之间不停的往复变化，按么在输出端就可以得到矩形脉冲波了。实现上述设想的方法非常简单，只要施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回输入端即可。如图8所示。当接通电源后，因为电容上的初始电压为零，所以输出为高电平，并开始经电阻R向电容C充电，当重到输入电压为vI=VT时，输出跳变为低电平，电容C又经过电阻R开始放电。当放电至vI=VT时，输出电位又跳变成高电平，电容C重新开始充电。如此周而复始，电路便不停的振荡。若使用的是CMOS施密特触发器（CC40106），而且VOH≈VDD，VOL≈0，则计算振荡周期的公式为：T=RC㏑（TDDTDDVVVV.TTVV）通过调节R和C的大小，即可改变振荡周期。如果使用TTL施密特触发器（74LS14）构成多谐振荡器，在计算振荡周期时应考虑到施密特触发器输入电路对电容充、放电的影响，因此得到的计算公式要比上面的公式稍微复杂一些。方案三：用555定时器接成的多谐振荡器（最终采用方案）用555定时器可以很方便的接成施密特触发器，那么我们就可以下把它接成施密特触发器，然后利用方案二中的方法，在施密特触发器的基础上改接成多谐振荡器。根据学过的知识，只要把施密特触发器的反向输出端经RC积分电路接回它的输入端，就构成了多谐振荡器。因此，只要将555定时器的V1I和V2I连在一起接成施密特触发器，然后再将vO经RC积分电路接回输入端就可以了。电路如下图所示由方案二中的分析得知，电容上的电压vC将在VT和VT之间往复振荡，vC和vO的波形如图10所示电路的振荡周期为T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2振荡频率为f=1/T输出脉冲的占空比为q=TT1=22121RRRR在查阅资料后得知，步进电机应用于低速场合，即每分钟转速不超过1000转，此时电机工作效率高，噪音低。且当电机的脉冲过高时会产生严重的失步现象，所以脉冲发生电路的脉冲不能过高。μA741，构成矩形波发生电路是一个很好的脉冲发生器，实验室未提供μA741、稳压二极管等元件，故我组仍采用555构成的多谐振荡器作为基本脉冲发生电路。附：脉冲发生电路最终电路图：为实现步进电机的速度可调性，我组在充分利用实验室资源的前提下，采用了两片100K欧姆的可变电阻与两片1μ的电容构成可变多谐振荡器。值得注意的是，由于电容较大，需特别注意电容接入电路时的正反方向问题。另外，为实现整体电路的分模块调试，我组成员提前布置好了用于示波器检测的脉冲输出线路。二、脉冲分配电路的设计:脉冲分配电路的设计则相当于通过设计电路来控制A，B，C，D四个输出端的高低电平。这个部分是试验的重点也是难点。这部分的方案，可以设计的方案比较多，总的可以分成三类方案。第一类方案由数据选择器74LS153和74LS74来实现的；第二类大方案是由计数器74LS161和译码器74LS138来实现；第三类方案是由计数器74LS191和译码器74LS138来实现。以下是我组设计或我班同学设计的方案。由74LS153和74LS74来实现的方案：方案一:用门电路分别搭接单四，双四，四相八拍电路课设任务书上所给单四,双死拍工作的逻辑顺序后,因此要先对此逻辑进行列卡诺图化简的方法求出逻辑表达式,接下来在根据表达式设计电路。Q1：触发器A的输出端Q；Q1：触发器A的输出端Q；Q2：触发器B的输出端Q；Q2：触发器B的输出端Q；Q3：触发器C的输出端Q；Q3：触发器C的输出端Q；Q4：触发器D的输出端Q；Q4：触发器D的输出端Q。1,单四拍工作○1正向旋转,M表示正转Q1,Q2,Q3,Q4分别为D触发的三个输出,1表示Q,0表示QQQ21Q3Q40001111000****01**1110*11*1011*110110**0111*○2反相旋转,M表示反转Q1,Q2,Q3,Q4分别为D触发的三个输出,1表示Q,0表示QQQ21Q3Q40001