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文本内容:
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------------------------------------------------------------------------------------------------
32.设计技术指标及设计要求----------------------------------------------------------------------------3三、电路设计------------------------------------------------------------------------------------------------
41.脉冲发生电路-------------------------------------------------------------------------------------------
42.环形脉冲分配电路-------------------------------------------------------------------------------------
53.控制电路-------------------------------------------------------------------------------------------------
64.驱动电路-----------------------------------------------------------------------------------------------
105.步进电机-----------------------------------------------------------------------------------------------11四、电路的组装和调试------------------------------------------------------------------------------------
121.电路的组装----------------------------------------------------------------------------------------------
122.电路的调试----------------------------------------------------------------------------------------------13五、收获和体会---------------------------------------------------------------------------------------------14六、附录------------------------------------------------------------------------------------------------------
151.列表-------------------------------------------------------------------------------------------------------
152.参考资料-------------------------------------------------------------------------------------------------
153.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—AB.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。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;5Ω1W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__的自己振荡电路。图
3.1根据公式f=1/[ln2R1+2R2C]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__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__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__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__作为74LS138芯片的输入__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__。单四拍:工作方式励磁方式DCBA单四拍A1110B1101C1011D0111A1110双四拍:工作方式励磁方式DCBA双四拍AB1100BC1001CD0011DA0110AB1100四相八拍:工作方式励磁方式DCBA四项八拍A1110AB1100B1101BC1001C1011CD0011D0111DA0110A10001四项八拍电路根据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__从而可以列出74LS138的真值表。如图
3.3图
3.3Y0’Y1’Y2’Y3’Y4’Y5’Y6’Y7’工作项01111111A10111111AB11011111B11101111BC11110111C11111011CD11111101D11111110DA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__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ABCD四项八拍D1110CD1100C1101BC1001B1011AB0011A0111DA0110D10004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__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。但在实际中由于进度原因并未使用这种方法。5单拍、四项八拍切换回到图
3.374LS138的真值表我们可以看出Y1’、Y3’、Y7’、Y5’分别控制AB、BC、CD、DA要实现单拍只需将这几个状态去掉即可。为此我用开关来实现去掉状态的功能。图
3.7电路原理:上图电路可以实现单拍、四项八拍转换正传、反转转换。图中重新加入了一个74LS138芯片目的是为了控制步进电机反转替代了图
3.6中开关的作用。新加入了一个开关J1用于切换两个74LS138芯片分别供电给两个芯片当一个芯片工作时另一个停止。74LS138-n2芯片的输出端连接和-n1是完全相反的输出__的顺序与原来相反这样就可以实现反转。开关J2~J5的用方法为“两输入一输出”这样就有两个输入状态其中一个分别接74LS138的Y1、Y3、Y5、Y7另一端接高电平5V。当开关接5V时相当于Y1、Y3、Y5、Y7输出一直是高电平而步进电机的相是低电平工作所以说AB、BC、CD、DA几个状态被去掉实现了单拍的工作方式。开关切换到另一端时进行四项八拍工作方式。优点:连线简单看起来线不少但实际上连线及其容易尤其是开关和两片74LS138之间的连线。相比图
3.6而言不但功能上更加完善而且电路更加简化实现同样功能下。个人认为开关的接法是这个电路的得到优化的关键。四个单刀双掷开关并没有像图
3.6中的那样是为了改变输出方向而是改变了输入其中一个输入直接接5v电源相当于抹掉了74LS138芯片的四个输出状态。6变速实现实现变速主要是将电路的时钟脉冲的频率进行改变也就是对NE555组成的多谐振荡器的震荡频率进行改变。根据公式f=1/[ln2R1+2R2C]在电路中R1替换为一个可调电阻。图
3.
84.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。图
3.9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。在这里特别要提的是电路中的续流二极管IN4004。当控制__为高电平时达林顿管导通正常工作但当控制__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。图
3.
95.步进电机步进电机是一种感应电机http://baike.baidu.com/view/
356524.htm\t_blank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虽然步进电机已被广泛地应用但步进电机并不能像普通的直流电机交流电机http://baike.baidu.com/view/
560228.htm\t_blank在常规下使用。它必须由双环形脉冲__、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ABCD四个项。中心引线即为公共端接+5V。图
3.10四、电路的组装和调试
1.电路的组装从仿真图上看来整个电路图不是很复杂但是在实际插线的过程中发现在排线时74LS08与门的周围线十分密集造成了连线错误有些地方的线也有虚接的地方。整个电路基本就是可以分成脉冲发生电路环形分配电路和驱动电路。我们也是按照这个顺序进行接线检验的。图
4.1蓝色部分是由NE555组成的多谐振荡器红色部分是74LS161计数器黄色部分是74LS138译码器紫色部分是74LS08与门。图
4.2完成图
2.电路的调试最先完成的脉冲发生电路可以在示波器上看到__的方波占空比近于40%理论值约为
33.3%。环形分配电路__完毕后我们进行调试发现部分的LED灯并没有灭只是暗了。于是我们开始向前查线发现时74LS138的输出端的电压在没给输入时电压并不是0而是一个低电压导致LED灯并没有完全暗下去但实际原因并不清楚只能重新连线排除故障。再次调试单四拍双四拍都可以进行了正传反转似乎也可以了。于是开始接入步进电机。再接入电机前我对电机的四个相进行了测量用的比较土的办法。就是用学生电源正极5V分别接电源的四个相负极接公共端观察步进电机的转动情况进行排列组合如果接第二个端时电机反转了说明这个端比较上一个端应先通电以此类推找出电机的四个相的顺序连接电路。上电工作经过调试电机运转正常正反转单拍四项八拍均能实现。转速也可以发生明显变化。五、测量工作方式脉冲数步距角度单拍3610双拍
764.7四项八拍
1402.6六、附录1、列表仪器:直流流稳压电源双路1台万用表1块双踪示波器1台数字面包板1块工具:电烙铁1把剥线钳1把尖嘴钳1把一字改锥1把镊子1把元件:步进电机1台NE5551片74LS082片74LS1382片74LS1611片达林顿三极管tip1224个发光二极管4个绪流二极管4个电阻若干电容1uf2个滑动变阻器1个双刀双置开关8个导线若干2、参考资料《电路电子实验1》指导书----北京工业大学电控学院电工电子实验教学中心数字电子技术基础第四版-------------阎石主编高等教育出版社试验什么...
3、部分芯片管脚图74LS16174LS13874LS08NE555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PAGE1。