步進電機控制電路的設(shè)計資料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告題 目： 步進電機控制電路的設(shè)計 專 業(yè)： 年 級 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 聯(lián)系電話： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014 年 11 月 20 日摘要步進電機能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)，它是計算機應(yīng)用項目中的主要執(zhí)行元件之一，尤其在精確定位場合中得到了廣泛的應(yīng)用。本文介紹的是一種基于單片機的步進電機的系統(tǒng)設(shè)計，電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止程序，通過電機的驅(qū)動芯片74LS194以及相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)以上功能。本文內(nèi)容介紹了步進電機以及單片機原理、該系統(tǒng)的硬件電路、程序組成，同時對軟、硬件進行了調(diào)試，同時介紹了調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題以及解

2、決問題的方法。該設(shè)計具有思路明確、可靠性高、穩(wěn)定性強等特點，通過調(diào)試實現(xiàn)了上述功能。關(guān)鍵詞：步進電機、電機驅(qū)動ABSTRACTStepper motor can accept the step pulse control rotate one step at a time, and it is an one of the main components of the computer application program, especially in the precise positioning has been widely used in occasions. In this pape

3、r is a system design based on single chip microcomputer of stepper motor, the motor of forward, reverse, acceleration, deceleration, stop the program, through the motor drive chip 74 ls194 as well as the corresponding button to achieve the above functions. Content of this article introduces the prin

4、ciple of step motor and single chip microcomputer, the system hardware circuit, program composition, at the same time on the software and hardware debugging, and introduces the debugging process problems and the methods to solve the problem. This design has ideas clearly, high reliability, strong st

5、ability, etc, through debugging realized the function.Keywords: Stepper motor, motor drive專心-專注-專業(yè)目錄1設(shè)計要求1利用數(shù)電知識設(shè)計一個步進電機驅(qū)動電路；2能由兩根線的輸入電平組合使電機能向前進、后退、保持； 2工作原理及方案選擇根據(jù)實驗要求，電路應(yīng)包含電源，控制信號發(fā)生器（控制模塊），步進電機，功率放大器（驅(qū)動模塊），人機交互模塊等。設(shè)計框圖如下：步進電機驅(qū)動器人機交互模塊電源控制器 圖12.1 控制器的論證與選擇方案1：采用FPGA控制方案。FPGA內(nèi)部具有獨立的I/O接口和邏輯單元，使用靈活，

6、適用性強，且相對單片機來說，還有速度快、外圍電路較少和集成度高的特點，因此特別適用于復(fù)雜邏輯電路設(shè)計。但是FPGA的成本偏高，算數(shù)運算能力不強，而且由于本設(shè)計對輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)。 方案2：采用集成移位寄存器、驅(qū)動器、555定時器和必要的門電路，以及所需電阻、電容、二極管、三極管、開關(guān)等元件連接電路簡單，這種設(shè)計功能主要由硬件實現(xiàn)，減少了軟件設(shè)計。綜上選擇方案2。2.2 驅(qū)動器的論證與選擇驅(qū)動模塊電路結(jié)構(gòu)設(shè)計需要脈沖信號、信號分配、功率放大三部分組成?？刂颇K產(chǎn)生一個脈沖序列和方向控制信號，使用脈沖分配器將脈沖序列分解形成四相正反相序，然后經(jīng)功率放

7、大驅(qū)動步進電機。使用多個功率放大器件驅(qū)動電機，通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜，參數(shù)選擇困難，且需要多級放大，同時又要考慮功率的放大。 2.3 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)采用74LS194芯片作為控制器，選用普通5V六線四相步進電機，人機交互模塊采用3個獨立按鍵實現(xiàn)步進電機的起停、正反轉(zhuǎn)、加速和減速。3 電路設(shè)計及仿真3.1 步進電機構(gòu)造 步進電動機構(gòu)造：由轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承），

8、定子（繞組、定子鐵芯），前后端蓋等組成。最典型兩相混合式步進電機的定子有8個大齒，40個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒；三相電機的定子有9個大齒，45個小齒，轉(zhuǎn)子有50個小齒。3.1.1 步進電機工作原理步進電機工作原理：該設(shè)計中所用到的步進電機為四相六線步進電機，它是采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖2是該四相步進電機工作原理示意圖。 圖2開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于

9、C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。 單四拍（單相激勵）、雙四拍（雙向激勵）與八拍工作（混合式激勵）方式的電源通電時序與波形分別如圖3中a、b、c所示。 圖33.

10、1.2 步進電機主要參數(shù)步進電機的相數(shù)：是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有兩相、三相、五相步進電機。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，用m表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個距角所需脈沖數(shù)。保持轉(zhuǎn)矩：是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。步距角：對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移。定位轉(zhuǎn)矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩。失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。 運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線 。3.2 主控制

11、器部分 圖43.3 驅(qū)動器部分驅(qū)動部分采用74LS194芯片，作為步進電機的驅(qū)動器。具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。 圖5為其引腳圖。 圖53.4 鍵盤部分 圖6圖6為設(shè)計采用的獨立鍵盤，接在單片機的開關(guān)口上，分別實現(xiàn)啟動/停止，正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，加速和減速功能。這種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，連線方便，但是沒有物理去抖動功能，需要實現(xiàn)軟件消抖。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)流程圖 圖74.2 軟件說明程序包含主函數(shù)，延時函數(shù)，按鍵掃描函數(shù),電機驅(qū)動函數(shù)，電機采用雙相激勵方式，在電機驅(qū)動函數(shù)中，包含一個轉(zhuǎn)向速度緩沖的功能模塊，即當(dāng)按下轉(zhuǎn)向鍵后，步進電機先

12、按原轉(zhuǎn)動方向緩慢減速，然后向反方向緩慢加速到速度設(shè)定值，這樣避免了在高速運動時直接轉(zhuǎn)向會產(chǎn)生失步問題，并有可能造成電機的損壞。同時在緩沖過程中，LED指示燈滅，提醒用戶此時按鍵無效，緩沖結(jié)束后，指示燈重新亮起。采用外中斷方式讀按鍵，這樣不會造成由于處理驅(qū)動電機程序而導(dǎo)致按鍵操作無法響應(yīng)。5電路的調(diào)試最先完成的脈沖發(fā)生電路，可以在示波器上看到完美的方波，占空比近于40%，理論值約為33.3%。 環(huán)形分配電路安裝完畢后，我們進行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)部分的LED燈并沒有滅只是暗了。于是我們開始向前查線，發(fā)現(xiàn)時74LS138的輸出端的電壓在沒給輸入時電壓并不是0，而是一個低電壓，導(dǎo)致LED燈并沒有完全暗下去，但

13、實際原因并不清楚，只能重新連線，排除故障。 再次調(diào)試，單四拍雙四拍都可以進行了，正傳反轉(zhuǎn)似乎也可以了。于是開始接入步進電機。再接入電機前，我對電機的四個相進行了測量，用的比較土的辦法。就是用學(xué)生電源正極（5V）分別接電源的四個相，負極接公共端，觀察步進電機的轉(zhuǎn)動情況，進行排列組合，如果接第二個端時電機反轉(zhuǎn)了，說明這個端比較上一個端應(yīng)先通電，以此類推，找出電機的四個相的順序，連接電路。 上電工作，經(jīng)過調(diào)試，電機運轉(zhuǎn)正常，正反轉(zhuǎn)單拍四項八拍均能實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速也可以發(fā)生明顯變化。 6仿真圖圖8 proteus仿真電路圖9時鐘信號100HZ時方波波形（黃）圖10時鐘信號10HZ時方波波形（黃）7 完整電路

14、原理圖 圖98 心得體會經(jīng)過一個學(xué)期的數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，對數(shù)字電子技術(shù)的知識有了初步的了解和掌握。為本次的課程設(shè)計作了理論基礎(chǔ)的準(zhǔn)備。 大概經(jīng)過一個星期的課程設(shè)計，收獲不少。除了把所要求的電路按要求畫出來了以外，更重要的是進一步了解了怎樣去做好一份課程設(shè)計。 剛開始拿到這個題目時，感到有點陌生，或許是因為太“專業(yè)”了。因為對電機不是很了解，所以一開始比較迷茫，不怎么知道該怎么去做。于是就上網(wǎng)查資料和討教同學(xué)，第一步搞清楚步進電機到底是什么，它是怎樣工作的，步進電機驅(qū)動器又是怎樣驅(qū)動的，帶著這些問題，我了解了一些知識，對它有了初步的了解。雖然這不是第一次做設(shè)計了，但相比于上一次的模擬電路的課程課設(shè)，我都覺得自己進步了不少，從第一次的茫然不知所措到這次的按順序一步一步有規(guī)律的進行，通過這次的設(shè)計我掌握了課程設(shè)計的基本技能，同時也鍛煉自己查找資料，認(rèn)識新知識，了解新知識的基本能力，學(xué)會了怎樣去解決所面臨的問題，并從中吸取教訓(xùn)。我覺得這次設(shè)計重在過程，結(jié)果并不是最重要，只要認(rèn)真做好設(shè)計的每個步驟，結(jié)果自然就出來了。關(guān)鍵是要提高我解決問題的能力，運用理論知識的能力，接受新事物新知識的能力。 總之，通過這次課程設(shè)計我都對數(shù)字電子技術(shù)的理論知識有了更深的理解和掌握，同時也更靈活的應(yīng)用了電路設(shè)計軟件。9元件清單圖10附錄 圖11 2N39