步进电机+信号发生器设计

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1、 1 目录 1、步进电机控制电路步进电机控制电路 1.1 1.1 设计题目设计题目-3 1.21.2 设计技术指标及设计要求设计技术指标及设计要求-3 3 （1 1）设计任务设计任务 （2 2）基本要求基本要求 （3 3）扩展要求扩展要求 （4 4）设计框图设计框图 （5 5）参考元件参考元件 1.31.3 实验分析实验分析-4 4 1.41.4 设计方案及设计方案及其选择其选择- 1.1.5 5 电路的组装与调试电路的组装与调试- （1 1）电路的组装电路的组装 （2 2）电路的调试电路的调试 1.61.6 实验结果实验结果- 1.7 心得体会心得体会-22 1.8 附录附录-24 2、基于

2、运放的信号发生器设计基于运放的信号发生器设计 2 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 1、步进电机控制电路步进电机控制电路 一、 课题名称 步进电机控制电路 二、 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。 三、 设计要求 1、 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） 。 单四拍方式：通电顺序为 ABCDA； 双四拍方式：通电顺序为 ABBCCDDAAB。 (2).测量步进电机的步距角。 （通过实测步进电机旋转一周时所

3、需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角） 。 2、 扩展要求 设计步进电机的工作方式为四相八拍。 四相八拍方式：通电顺序为 AABBBCCCDDDAA。 四、 设计方案及其选择 1、设计框图 3 2、参考元件 NE555， 计数器 74LS161， 74LS08， 74LS74， 74LS14(04)， 74LS138(74LS153)，CD4017，74LS194，四相步进电机，发光二级管，整流二极管 IN4007，复合三极管 TIP122,5 欧（1W）电阻，其他电阻、电容若干。 3、实验分析 通过查阅相关资料，我组成员得知：步进电机的转角和转动方向取决于各相通电脉冲个数和顺序。控制脉冲的频

4、率可改变电机的转动速度和加速度。 正转： 单四拍方式： ABCDA； 双四拍方式： ABBCCDDAAB； 四相八拍方式： AABBBCCCDDDAA。 反转： 单四拍方式： ADCBA； 双四拍方式： ABDACDBCAB； 四相八拍方式： ADADCDCBCBABA。 脉冲发生电路是由NE555 及外接阻容元件构成的多谐振荡器， 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， 进而组成环形脉冲控制电路。通过选择不同的输出从而得到控制电路，最后通过驱动电路连接步

5、进电机得到实验结果。 4、实验电路设计 （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振荡电路。其电路图如下： 4 仿真结果如下图： 5 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=1K R2=1K C=1uF 计算数值：f=480.9Hz 实际数值：f=476.19Hz 占空比： q=66.7% 因控制脉冲的频率可改变电机的转动速度，而频率随 R1 的变化而变化，为了实现变速，将 R1 设为一个滑动变阻器。 （2）

6、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。 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 CTP、CTT、并行数据输入端 D3D0 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 Q3Q0 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。 a、异步清零功能：当 =0 时，这时 Q3Q2Q1Q0=0000，计数器清零。其6 它输入信号都不起作用，与 CP

7、 无关，故称为异步清零。 b、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 d3 d2 d1 d0 置入计数器。 c、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。 d、保持功能：若 CTPCTT=0，则计数器将保持原来状态不变；若 CTPCTT=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。 74LS161 真值表：(Y表示

8、取反) A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 工作相 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 A 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 AB 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 B 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 BC 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 C 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 CD 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 DA 由表得：A=Y0Y1Y7 B=Y1Y2Y3 C=Y3Y4Y5 D=Y5Y6Y7 7 电路图如下： （3）控制电路 下表所示为步进电机

9、的单四拍、 双四拍和四相八拍的励磁方式及 A、 B、 C、D 相的输入逻辑信号。 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 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 8 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

10、 1 0 0 0 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。 控制电路部分的电路图如下： 9 因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得到，我们对以上电路图作如下改动： 为实现反向， 我组利用接线相反的两片 138 芯片。 为实现单四拍、 双四拍、四相八拍的转换，我组在 74LS138 与 74LS08 间加入控制开关，以得到不同输出。 我组此部分最终仿真电路图如下： （4）驱动电路 功率放大是驱动系统中最为重要的部分。 步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流。而由门电路输出的电流远

11、远不能满足对电机的驱动，所以要真正使电机动起来就必须连接一个功率放大电路。 下图为驱动电路，达林顿管 TIP122 为步进电机提供了一个大电流，通过一个起限流保护作用的 5Ohm 的电阻，电流从电击相线圈流过，从而达到了放大功率的作用。在电路中加入了发光二极管是为了可以直接的看到工作现象。 10 当控制信号为高电平时，达林顿管导通正常工作，但当控制信号为低电平时，达林顿顿管截止，电机相线圈中没有大电流通过。而此时线圈可以看作是电感，电感会储存一部分电量，如果没有回路释放，就会在瞬间产生一个电流，可能造成电机的毁坏，所以我们在此处加了续流二极管 IN4004。电感中储存的电量通过续流二极管放电。

12、 驱动电路部分仿真电路： （5）步进电机 步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。 串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的 0.7 倍，因而电机发热小；并11 联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法） ，所需要的驱动器输出电流为电机相电流的 1.4 倍，因而电机发热较大。 虽然步进电机已被广泛地

13、应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 本实验提供的是四相步进电机,它对外有六条引线,其中两条为公共端,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测量。 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

14、，中心引线到两边的电阻约为 7.5Ohm。判断出两组绕组的中心引线后，剩下的四根即为 A,B,C,D 四个相。中心引线即为公共端，接+5V。 中心引线：黄色、白色 A 相：蓝色 B 相：绿色 C 相: 红色 D 相：黑色 12 最终我组设计的电路如下图所示： 五、 电路的调试 （1）我组首先完成了脉冲发生电路的组装，用示波器连接，可以在示波器上看到符合要求的方波，占空比近于理论值。生成的方波脉冲的输出频率大约为 500Hz。 （2）将环形分配电路中的 74LS161 芯片连接后，我组将其输出接入实验台的 LED 灯上， 观察其闪烁情况以了解芯片是否正常工作。 结果并未看到其闪烁，将芯片的时钟输入改为实验箱所提供的 2Hz，发现其正常工作，得知原因是脉冲发生电路的频率较高，无