步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器課程設(shè)計(jì)報(bào)告改

1、目錄1 緒論22 設(shè)計(jì)方案32.1 步進(jìn)電機(jī)介紹32.2 設(shè)計(jì)方案的確定32.3設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)原理42.4單元電路的設(shè)計(jì)42.4.1方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)42.4.2脈沖環(huán)形分配電路設(shè)計(jì)72.4.3 功率放大電路設(shè)計(jì)92.5總體設(shè)計(jì)103設(shè)計(jì)方案的論證164設(shè)計(jì)器件清單165步進(jìn)電機(jī)介紹擴(kuò)展176謝辭197參考文獻(xiàn)208外文資料201 緒論步進(jìn)電機(jī)最早是在1920年由英國(guó)人所開(kāi)發(fā)。1950年后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，這對(duì)于數(shù)字化的控制變得更為容易。以后經(jīng)過(guò)不斷改良，使得今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在需要高定位精度、高分解性能、高響應(yīng)性、信賴性等靈活控制性高的機(jī)械系統(tǒng)中。在生產(chǎn)過(guò)程中要求自動(dòng)化

2、、省人力、效率高的機(jī)器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)可以直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，使用非常方便。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正

3、比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，因而在數(shù)控機(jī)床，繪圖儀，打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)

4、包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。2 設(shè)計(jì)方案2.1 步進(jìn)電機(jī)介紹步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行

5、機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。2.2 設(shè)計(jì)方案的確定步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 &#

6、160;  目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)選用第三種方案，用PMM8713三相或四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器、SI-7300A兩相或四相功率驅(qū)動(dòng)器，組成四相步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，以提高集成度和可靠性。通常來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所要實(shí)現(xiàn)的功能簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。依據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體要求，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路整體框圖如圖1。圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器整體框圖2.3設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)原理它由方波產(chǎn)生電路，脈沖環(huán)形分配電路和功率放大電路三大主要電路組成。方波產(chǎn)生電路主要為脈沖環(huán)形分配電路提供方波脈沖信

7、號(hào)，使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路輸出四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大電路，為電機(jī)提供足夠的電流，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。2.4 單元電路的設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，要進(jìn)行以下幾個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)：第一，方波產(chǎn)生電路；第二，環(huán)形計(jì)數(shù)電路；第三，功率放大電路。以下的篇幅將對(duì)上述電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)及原理闡述。2.4.1方波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)方波產(chǎn)生電路的功能很簡(jiǎn)單，就是為后續(xù)電路提供方波脈沖。結(jié)合數(shù)電教材上的理論知識(shí)，很容易想到用555定時(shí)器來(lái)構(gòu)成方波產(chǎn)生器。555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原理圖和引腳圖如圖2所示。它由3個(gè)阻值為5千歐的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電BJT T以及緩沖器G組成。 圖2 55

8、5定時(shí)器原理圖和引腳圖555為一8腳封裝的器件，其各引腳的名稱和作用如下：1腳GND,接地腳2腳TL,低電平觸發(fā)端3腳Q,電路的輸出端4腳/RD,復(fù)位端，低電平有效5腳V_C,電壓控制端6腳TH,閾值輸入端7腳DIS，放電端8腳VCC,電源電壓端，其電壓范圍為：318V定時(shí)器的主要功能取決于比較器，比較器的輸出控制RS觸發(fā)器和放電BJT的狀態(tài)。圖中4為復(fù)位輸入端，當(dāng)4為低電平時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出V0為低電平。因此在正常工作時(shí)，應(yīng)將其接高電平。由圖可知當(dāng)5腳懸空時(shí)，比較器C1和C2的比較電壓分別為2/3Vcc和1/3Vcc。當(dāng)V6>2/3Vcc,V2>1/3Vcc時(shí),比

9、較器C1輸出低電平,比較器C2輸出高電平,基本RS觸發(fā)器被置0,放電三極管T導(dǎo)通,輸出端V0為低電平。當(dāng)V6<2/3Vcc,V2<1/3Vcc時(shí),比較器C1輸出高電平,比較器C2輸出低電平,基本RS觸發(fā)器被置1,放電三極管T截止,輸出端V0為高電平。當(dāng)V6<2/3Vcc,V2>1/3Vcc時(shí),基本RS觸發(fā)器R=1,S=1,觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。其功能表如表1所示。表1 555定時(shí)器功能表鑒于555定時(shí)器的工作原理，我設(shè)計(jì)出的方波信號(hào)產(chǎn)生電路的電路圖如圖3所示。圖3 方波信號(hào)產(chǎn)生電路其工作原理：接通電源后，電容C1被充電，Vc上升，當(dāng)Vc上升到2/3Vcc

10、時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位同時(shí)放電BJT導(dǎo)通，此時(shí)V0為低電平，電容C1通過(guò)R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被置位，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電所需時(shí)間為t1=0.7R2C當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過(guò)R1和R2向電容器C1充電，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的時(shí)間為t2=0.7(R1+R2)C當(dāng)Vc上升到2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為f=1/(t1+t2)=1.43/(R1+2R2)C通過(guò)調(diào)節(jié)R2，改變頻率的大小，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.4.2脈沖環(huán)形分配電路設(shè)計(jì)由于這部分電路要完成的功能是：通

11、過(guò)四相輸出帶動(dòng)電機(jī)正相或反相轉(zhuǎn)動(dòng)。所以本部分電路采用的是雙向移位寄存器74194。74194是由四個(gè)觸發(fā)器組成的功能很強(qiáng)的四位移位寄存器，其邏輯功能示意圖和引腳圖分別如圖4和圖5所示。圖4 74194邏輯功能示意圖 圖5 74194引腳圖（1）異步清零。當(dāng)RD=0時(shí)即刻清零，與其他輸入狀態(tài)及CP無(wú)關(guān)。（2）S1、S0是控制輸入。當(dāng)RD=1時(shí)74194有如下4種工作方式：當(dāng)S1S0=00時(shí)，不論有無(wú)CP到來(lái)，各觸發(fā)器狀態(tài)不變，為保持工作狀態(tài)。當(dāng)S1S0=01時(shí)，在CP的上升沿作用下，實(shí)現(xiàn)右移（上移）操作，流向是SRQ0Q1Q2Q3。當(dāng)S1S0=10時(shí)，在CP的上升沿作用下，實(shí)現(xiàn)左移（下移）操作，

12、流向是SLQ3Q2Q1Q0。當(dāng)S1S0=11時(shí)，在CP的上升沿作用下，實(shí)現(xiàn)置數(shù)操作：D0Q0，D1Q1，D2Q2，D3Q3。74194的功能表如表2所示。表2 74194的功能表輸 入輸 出工作模式清零控制串行輸入時(shí)鐘并行輸入RDS1 S0DSL DSRCPD0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30×××××××××0 0 0 0異步清零10 0×××××××保 持110 10 1× 1× 0×

13、5;××××××1 0 右移，DSR為串行輸入，Q3為串行輸出111 01 01 ×0 ××××××××× 1 0左移，DSL為串行輸入，Q0為串行輸出11 1××D0 D1 D2 D3D0 D1 D2 D3 并行置數(shù)DSL 和DSR分別是左移和右移串行輸入。D0、D1、D2和D3是并行輸入端。Q0和Q3分別是左移和右移時(shí)的串行輸出端，Q0、Q1、Q2和Q3為并行輸出端。基于雙向移位寄存器74194的工作原理及功能，

14、設(shè)計(jì)出的脈沖環(huán)形分配電路圖如圖6所示。圖6 環(huán)形分配電路其工作原理：方波信號(hào)產(chǎn)生電路輸出的時(shí)鐘脈沖從環(huán)形分配電路輸入端輸入，當(dāng)每送入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，輸出端就向左或向右移動(dòng)一位。開(kāi)關(guān)S2和S3組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的正相/反相轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路，先使S2=1,S3=1，開(kāi)始置數(shù)，A端輸入高電平，再使S2=1,S3=0,此時(shí)寄存器將左移，若將QAQBQCQD都接一個(gè)發(fā)光二極管，那么此時(shí)4個(gè)發(fā)光二極管的發(fā)光順序?yàn)镼A->QD->QC->QB->QA,若使S2=0,S3=1,則將向右移。S1控制電路為單相或雙相激勵(lì)，S1斷開(kāi)時(shí)，只有A端單相激勵(lì)，若S1閉合，則實(shí)現(xiàn)A端和B端雙相激勵(lì)。該電路將方

15、波信號(hào)分配給四個(gè)端口QAQBQCQD，從而與電機(jī)的四相相連。該部分電路其實(shí)包括了正相/反相轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路和單相或雙相激勵(lì)控制電路。2.4.3 功率放大電路設(shè)計(jì)該部分電路的唯一功能就是對(duì)前級(jí)電路的輸出端的電流放大，從而足夠驅(qū)動(dòng)4相步進(jìn)電機(jī)。該部分電路圖如圖7所示。圖7 功率放大電路至此，方波信號(hào)產(chǎn)生電路，脈沖環(huán)形分配電路，功率放大電路三大主要單元電路都已設(shè)計(jì)完成。2.5 總體設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)以上分析，我們將各部分電路連接，并加以適當(dāng)控制，即得到了四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的總體電路圖，總體電路圖如圖8。4 設(shè)計(jì)方案的論證本次設(shè)計(jì)結(jié)束，就本次課設(shè)所設(shè)計(jì)的電路，從幾個(gè)方面簡(jiǎn)單給與論證。一正確性。雖然設(shè)計(jì)的電路不算很復(fù)

16、雜，主要只包括三個(gè)單元電路：方波信號(hào)產(chǎn)生單元電路，環(huán)形分配單元電路，功率放大單元電路。但要正確的設(shè)計(jì)出電路也不是非常簡(jiǎn)單的事，從電路的仿真結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的正確性得到證實(shí)。二簡(jiǎn)單性。這里所說(shuō)的簡(jiǎn)單性并不是越簡(jiǎn)單越好，開(kāi)始做課設(shè)時(shí)查了一些相關(guān)資料，也有很多別人設(shè)計(jì)的電路，由于當(dāng)時(shí)對(duì)所要設(shè)計(jì)的電路原理不是非常清楚，于是先模仿別人的電路設(shè)計(jì)，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)，并不是電路看上去越復(fù)雜越好，只要能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)該是越簡(jiǎn)單越好。本次設(shè)計(jì)的電路就比較簡(jiǎn)單清楚。三功能性。在達(dá)到了正確性和簡(jiǎn)單性的基礎(chǔ)上，電路的功能性就體現(xiàn)出來(lái)了，它具有課設(shè)所需要的所有功能：實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)控制和轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，從而獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的單相或雙相激勵(lì)。5 設(shè)計(jì)器件清單表3 元器件清單序號(hào)編號(hào)名稱數(shù)量174194四位移位寄存器1片2555555定時(shí)器1片3S1S3單刀雙置開(kāi)關(guān)3只4R11千歐7只5R2200千歐1只6D1二極管6只7D2穩(wěn)壓管4只8C11uF1只9C20.01uF1只10C3100uF1只11C40.1uF1