步进电机控制电路的设计资料教程文件

《数字电子技术基础》

课程设计报告

题目：步进电机控制电路的设计专业：

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完成日期： 2014 年 11 月 20 日

摘要

步进电机能接受步进脉冲的控制一步一步地旋转，它是计算机应用项目中的主要执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用。本文介绍的是一种基于单片机的步进电机的系统设计，电机的正转、反转、加速、减速、停止程序，通过电机的驱动芯片74LS194以及相应的按键实现以上功能。本文内容介绍了步进电机以及单片机原理、该系统的硬件电路、程序组成，同时对软、硬件进行了调试，同时介绍了调试过程中出现的问题以及解决问题的方法。该设计具有思路明确、可靠性高、稳定性强等特点，通过调试实现了上述功能。

关键词：步进电机、电机驱动

ABSTRACT

Stepper 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 paper 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 principle 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 stability, etc, through debugging realized the function.

Keywords:Stepper motor, motor drive

目录

摘要 (1)

ABSTRACT (1)

1设计要求 (1)

2工作原理及方案选择 (1)

2.1 控制器的论证与选择 (1)

2.2 驱动器的论证与选择 (2)

2.3 系统总体方案 (2)

3 电路设计及仿真 (2)

3.1 步进电机构造 (2)

3.1.1 步进电机工作原理 (3)

3.1.2 步进电机主要参数 (4)

3.2 主控制器部分 (4)

3.3 驱动器部分 (4)

3.4 键盘部分 (6)

4 系统软件设计 (6)

4.1系统流程图 (6)

4.2 软件说明 (7)

5电路的调试 (7)

6仿真图 (8)

7 完整电路原理图 (9)

8 心得体会 (10)

9元件清单 (11)

附录 (11)

参考文献 (14)

1设计要求

1利用数电知识设计一个步进电机驱动电路；

2能由两根线的输入电平组合使电机能向前进、后退、保持；

2工作原理及方案选择

根据实验要求，电路应包含电源，控制信号发生器（控制模块），步进电机，功率放大器（驱动模块），人机交互模块等。设计框图如下：

图1

2.1 控制器的论证与选择

方案1：采用FPGA控制方案。FPGA内部具有独立的I/O接口和逻辑单元，使用灵活，适用性强，且相对单片机来说，还有速度快、外围电路较少和集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。但是FPGA的成本偏高，算数运算能力不强，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。

方案2：采用集成移位寄存器、驱动器、555定时器和必要的门电路，以及所需电阻、电容、二极管、三极管、开关等元件连接电路简单，这种设计功能主要由硬件实现，减少了软件设计。

综上选择方案2。

2.2 驱动器的论证与选择

驱动模块电路结构设计需要脉冲信号、信号分配、功率放大三部分组成。控制模块产生一个脉冲序列和方向控制信号，使用脉冲分配器将脉冲序列分解形成四相正反相序，然后经功率放大驱动步进电机。使用多个功率放大器件驱动电机，通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂，参数选择困难，且需要多级放大，同时又要考虑功率的放大。

2.3 系统总体方案

系统采用74LS194芯片作为控制器，选用普通5V六线四相步进电机，人机交互模块采用3个独立按键实现步进电机的起停、正反转、加速和减速。

3 电路设计及仿真

3.1 步进电机构造

步进电动机构造：由转子（转子铁芯、永磁体、转轴、滚珠轴承），定子（绕组、定子铁芯），前后端盖等组成。最典型两相混合式步进电机的定子有8个大齿，40个小齿，转子有50个小齿；三相电机的定子有9个大齿，45个小齿，转子有50个小齿。

步进电机工作原理：该设计中所用到的步进电机为四相六线步进电机，它是采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图2是该四相步进电机工作原理示意图。

图2

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍（单相激励）、双四拍（双向激励）与八拍工作（混合式激励）方式的电源通电时序与波形分别如图3中a、b、c所示。

图3

⑴步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有两相、三相、五相步进电机。

⑵拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态，用m表示，或指电机转过一个距角所需脉冲数。

⑶保持转矩：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

⑷步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移。

⑸定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩。

⑹失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。

⑺失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的⑻误差，采用细分驱动是不能解决的。

⑼运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线。

3.2 主控制器部分

图4

3.3 驱动器部分

驱动部分采用74LS194芯片，作为步进电机的驱动器。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。图5

为其引脚图。

图5

3.4 键盘部分

图6

图6为设计采用的独立键盘，接在单片机的开关口上，分别实现启动/停止，正转/反转，加速和减速功能。这种键盘结构简单，连线方便，但是没有物理去抖动功能，需要实现软件消抖。

4 系统软件设计

4.1系统流程图

图7

4.2 软件说明

程序包含主函数，延时函数，按键扫描函数,电机驱动函数，电机采用双相激励方式，在电机驱动函数中，包含一个转向速度缓冲的功能模块，即当按下转向键后，步进电机先按原转动方向缓慢减速，然后向反方向缓慢加速到速度设定值，这样避免了在高速运动时直接转向会产生失步问题，并有可能造成电机的损坏。同时在缓冲过程中，LED指示灯灭，提醒用户此时按键无效，缓冲结束后，指示灯重新亮起。采用外中断方式读按键，这样不会造成由于处理驱动电机程序而导致按键操作无法响应。

5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完美的方波，占空比近于40%，理论值约为33.3%。

环形分配电路安装完毕后，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。

6仿真图

图8 proteus仿真电路

图9时钟信号100HZ时方波波形（黄）

图10时钟信号10HZ时方波波形（黄）7 完整电路原理图

图9

8 心得体会

经过一个学期的数字电子技术的学习，对数字电子技术的知识有了初步的了解和掌握。为本次的课程设计作了理论基础的准备。大概经过一个星期的课程设计，收获不少。除了把所要求的电路按要求画出来了以外，更重要的是进一步了解了怎样去做好一份课程设计。刚开始拿到这个题目时，感到有点陌生，或许是因为太“专业”了。因为对电机不是很了解，所以一开始比较迷茫，不怎么知道该怎么去做。于是就上网查资料和讨教同学，第一步搞清楚步进电机到底是什么，它是怎样工作的，步进电机驱动器又是怎样驱动的，带着这些问题，我了解了一些知识，对它有了初步的了解。

虽然这不是第一次做设计了，但相比于上一次的模拟电路的课程课设，我都觉得自己进步了不少，从第一次的茫然不知所措到这次的按顺序一步一步有规律的进行，通过这次的设计我掌握了课程设计的基本技能，同时也锻炼自己查找资料，认识新知识，了解新知识的基本能力，学会了怎样去解决所面临的问题，并从中吸取教训。我觉得这次设计重在过程，结果并不是最重要，只要认真做好设计的每个步骤，结果自然就出来了。关键是要提高我解决问题的能力，运用理论知识的能力，接受新事物新知识的能力。总之，通过这次课程设计我都对数字电子技术的理论知识有了更深的理解和掌握，同时也更灵活的应用了电路设计软件。

9元件清单

图10

附录

图11 2N3904图形符号、引脚图

图12 555定时器原理图和引脚图

图13 74LS194逻辑功能示意图

图14 74LS194引脚图

图15 PCB图

参考文献

[1] 阎石 .数字电子技术基础 .高等教育出版社.2005

[2] 彭修容、刘泉、马建国 .数字电子技术基础 .武汉理工大学出版社，2007.7

[3] 马建国等 .电子系统设计 .高等教育出版社 .2006.12

[4]陈理壁.步进电机及其应用[M]. 上海：上海科学技术出版社，1989

[5]董玉红. 数控技术[M]. 北京：高等技术出版社，2007