步进电机控制驱动电路设计[1]概要

步进电机控制驱动电路设计一、任务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,它在速度、位置等控制领域被广泛地应用。但步进电机必须由环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。设计一个三相步进电机控制驱动电路。二、要求1.基本要求1时钟脉冲产生电路,能实现步进电机的正转、反转、手动(点动和自动控制;2用IC设计一个具有“自启动”功能的三相三拍环形分配器;3能驱动三相步进电机的功放电路。使用的是三相步进电机,工作相电压为12V2.发挥部分1设计的环形分配器可实现“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择;2完成步进电机供电电源电路设计;3其它创新。操作说明(与实际电路相对应:(从上到下依次(从左到右短路环:1234开关:14工作模式:断开接通断开接通00三相单三拍正转断开接通断开接通01三相单三拍反转断开接通断开接通00三相六拍反转断开接通断开接通01三相六拍正转接通断开接通断开00三相双三拍正转接通断开接通断开01三相双三拍反转注意:按键按下为0向上为1如果在工作时有异常情况请按复位键调节变阻器2可以调节速度的大小摘要本设计采用自己设计的电源来给整个电路供电,用具有置位,清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器,来对555定时器产生的脉冲进行分配,通过功率放大电路来对步进电机进行驱动,从而来完成题目中的要求。并且产生的脉冲的频率可以控制,从而来控制步进电机的速度,环形分配器中具有复位的功能,在对于异常情况可以按复位键来重新工作。本系统具有以下的特点:1.时钟脉冲产生电路,能实现步进电机的正转、反转、手动(点动和自动控制;2.具有“自启动”的功能。3.可以工作在“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择的状态下。4.具有复位的功能。(创新5.具有速度可变的功能。(创新关键字:555定时器脉冲源环行分配器功率放大电路一、方案论证与比较:(一电源的设计:系统需要多个电源,脉冲源,环行分配器需要5伏的电压,驱动电路,步进电机需要12伏的稳压电源。方案一:采用升压稳压型稳压电路,用两片MC34063芯片分别将3伏的电池电压进行直流斩波调压,得到5伏和12伏的稳压输出。只要使用两节电池,既节省了电池又减小了系统体积重量,但该电路所输出的电流较小,供电时间短,无法使系统进行稳定的工作,并且需要较大的电流,而此达不到指标。方案二:采用三端稳压集成的7805,7812分别得到5,12V的稳定电压,利用改方法方便简单,工作稳定可靠,输出电流较大。综上所述,选择方案二,采用三端稳压器电路。(二脉冲源的方案论证及选择:方案一:采用555定时器产生脉冲,它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠,简单易行。C210uF图一555定时器产生的方法方案二:采用晶振电路来实现,晶振的频率较大,不利于电机的工作,易失步,我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小,可以使电机工作稳定,但分频电路较复杂,并且晶振起振需要一定的条件,不好实现。X11kohm1kohm图二晶振产生脉冲源电路综上所述,我们采用方案一来设计脉冲源。(三环形分配器的设计:方案一:采用74ls194通过送入不同的初值来进行移位依此产生正确的值使步进电机进行转动。但此方案的操作较复杂,需要每次工作时都要进行置位,正反转的操作较复杂,这里很早的将此方案放弃。方案二:使用单独的JK触发器来分别实现单独的功能。图三双三拍正转图四单三拍正转图五三相六拍正转利用单独的做,电路图较简单,单具体操作时不方便,并且不利于工程设计。块分的较零散,无法统一。方案三:利用JK触发器的自己运动时序特性设计,利用卡诺图来进行画简。图六单,双三拍的电路图单,双三拍的正,反转主要由键s1,s2的四种状态来决定四种情况的选择。S1s200单三拍正转01单三拍反转10双三拍正转11双三拍反转图七六拍正反转的实现S10六拍正转1六拍反转注:这里所提供的电路图虽然我们做试验时没有采用,但它们都是我们仿真通过的电路图。此方案较上一个方案有较大提高,但还是电路较复杂,操作不方面,这里并不采用。方案四:我们采用具有置位,清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器,在这里综合前三个方案的优点,设计出了各个方面性能都比较好的方案。它集合了方案一的置位的功能,综合了方案三的操作方面的功能,并且又在此基础上增加了复位的功能,使此更加具有实用性,更加具有批量生产性。方案四:使用单片机作为脉冲源和环形分配器可以通过从单片机的引脚送出不同的信号来驱动电机,同时此方案有很好的人机交换的功能,在扩展功能的方面很好的空间,可以在其他引脚中送出信号来驱动七段数码管进而来显示不同的工作状态,也可以用单片机内部的定时器来计算速度的大小,进而显示出来,同时也可以增加按键的多少来扩展其他的功能。但由于时间原因及其他方面的原因我们完成了这方面的大部分工作,但综合考虑没有提交此方案,系统板已经做好并且可以用了,唯一的遗憾就是程序没有下载。单片机控制电路下面的为对应的程序部分:ORG0000hLJMPMAINMAIN:MOVP1,#0FFHMOVSP,#30HKEY:MOVA,#88HMOVP0,AMOVA,#00HMOVP2,AMOVA,#0FFHMOVP3,AJBP3.0,STOPJNBP3.1,FOR3JBP3.1,FOR6JMPKEYFOR3:JNBP3.2,FOR31JBP3.2,FOR32JMPFOR3FOR31:JBP3.3,PLU31JNBP3.3,REV31JMPFOR31FOR32:JBP3.3,PLU32JNBP3.3,REV320JMPFOR32FOR6:JBP3.3,PLU60JNBP3.3,REV61JMPFOR6STOP:MOVA,#77HMOVP0,AMOVA,#0EEHMOVP2,AMOVP1,#0FFHJBP3.0,$CALLDELAYJMPKEYPLU31:MOVR0,#00HP31:MOVA,0B1HMOVP0,AMOVA,62HMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZPLU31MOVP1,AJNBP3.0,STOPJNBP3.3,REV31CALLDELAYINCR0JMPP31REV320:JMPREV32PLU60:JMPPLU6REV31:MOVR0,#04HRE31:MOVA,#0B7HMOVP0,AMOVA,#6EHMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZREV31MOVP1,AJBP3.0,STOPJBP3.3,PLU31CALLDELAYINCR0JMPRE31PLU32:MOVR0,#08HP32:MOVA,#0B1HMOVP0,AMOVA,#73HMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZPLU31MOVP1,AJNBP3.0,STOPJNBP3.3,REV32CALLDELAYINCR0JMPP32REV61:JMPREV6STOP1:JMPSTOPREV32:MOVR0,#0CHRE32:MOVA,#0B7HMOVP0,AMOVA,#07FHMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZREV32MOVP1,AJNBP3.0,STOP1JBP3.3,PLU32CALLDELAYINCR0JMPRE32PLU6:MOVR0,#10HP6:MOVA,#0E1HMOVP0,AMOVA,#62HMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZPLU6MOVP1,AJNBP3.0,STOP1JNBP3.3,REV6CALLDELAYINCAJMPP6REV6:MOVR0,#17HRE6:MOVA,#0E7HMOVP0,AMOVA,#6EHMOVP2,AMOVA,R0MOVDPTR,#TABLEMOVCA,@A+DPTRJZREV6MOVP1,AJNBP3.0,STOP1JBP3.3,PLU6CALLDELAYINCAJMPRE6DELAY:PUSHACCPUSHPSWMOVR1,#40D1:MOVR2,#248DJNZR2,$DJNZR1,D1POPPSWPOPACCRETTABLE:DB01H,02H,04HDB00HDB04H,02H,01HDB00HDB03H,06H,05HDB00HDB05H,06H,03HDB00HDB01H,03H,02H,06H,04H,05HDB00HDB05H,04H,06H,02H,03H,01HDB00HEND以上程序已经通过了调试的过程,唯一的就是没有完全仿真综上所述,我们采用方案四,具有很强的实用性。(四功率放大器方案一:直接采用ULN2003进行驱动。它的内部结构是达林顿的,专门用来驱动继电器的芯片,甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA,饱和压降VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出,输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR等外接控制器件,也可直接驱动低压灯泡。但我们这里用的步进电机的电流为400毫安,所以在此用此驱动不了。但此方案具有连接简单的优点。图八ULN2003内部结构方案二:达林顿管IC可以直接对步进电机进行驱动,一个消线圈反电动势的二极管,可用来驱动继电器的,电流可以达到400毫安左右,符合驱动条件。L11.5nH-SMT0805方案三:使用L298N芯片驱动电机L298N芯片可以驱动两个二相电机(如图1-1,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。图1-1通过比较,使用L298N芯片充分发挥了它的功能,能稳定地驱动步进电机,且价格不高,但我们选用的为三相电机,不符合条件。综上所述,我们采用方案二。二.系统的设计与理论依据:1.系统框图:根据题目要求和上述论证,本系统的整体电路如下图所示:脉冲源环形分配器驱动电路步进电机2.系统硬件的设计:(1电源的设计本设计的系统全部用自己设计的电源。图九电源的设计所提供的电压基本满足了需要的电压,完成了题目中要求的电压的设计。C210uFV(bU(aU(c(2脉冲源的设计:在此电路中,当R1=R3中,R2调至中心点,因充放电时间基本相等,其占空比约为50%,此时调节R5,仅改变频率,占空比不变,如果R2调至偏离中心点,在调R5,不仅频率改变,占空比也有一定的影响,R2仅对占空比有影响,对频率无影响。我们所设计的速度并不是很快,主要是为了使我们很明显的去发现正转与反转的变化,更加重要的是六拍与三拍的变化之后速度并不相同。三拍的速度明显慢于三拍,但六拍的力矩大与三拍的,可以带动更加大的器件。C3的变化对频率的变化影响较大,我们选用的是0.1UF的电容,如果将电容值变小,速度可以更加的快。(3环形分配器的设计1.首先介绍一下步进电机的结构及工作原理。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、1/3て、2/3て,(相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示,即A与齿1相对齐,B与齿2向右错开1/3て,C与齿3向右错开2/3て,A'与齿5相对齐。如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同。如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3て,此时齿3与C偏移为1/3て,齿4与A偏移(て-1/3て=2/3て。如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3て,此时齿4与A偏移为1/3て对齐。如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3て这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(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,