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步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動電路設(shè)計 |
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一、任務(wù)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元件，它在速度、位置等控制領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。但步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。設(shè)計一個三相步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動電路。
二、要求
1．基本要求
1） 時鐘脈沖產(chǎn)生電路，能實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、手動（點動）和自動控制；
2）用IC設(shè)計一個具有“自啟動”功能的三相三拍環(huán)形分配器；
3）能驅(qū)動三相步進(jìn)電機(jī)的功放電路。
使用的是三相步進(jìn)電機(jī)，工作相電壓為12V
2．發(fā)揮部分
1）設(shè)計的環(huán)形分配器可實現(xiàn)“三相單三拍”、“三相雙三拍”和“三相六拍”的多工作方式選擇；
2）完成步進(jìn)電機(jī)供電電源電路設(shè)計；
3）其它創(chuàng)新。
操作說明(與實際電路相對應(yīng)):
（從上到下依次） （從左到右）
短路環(huán)： 1 2 3 4 開關(guān)：1 4 工作模式：
斷開 接通 斷開 接通 0 0 三相單三拍正轉(zhuǎn)
斷開 接通 斷開 接通 0 1 三相單三拍反轉(zhuǎn)
斷開 接通 斷開 接通 0 0 三相六拍反轉(zhuǎn)
斷開 接通 斷開 接通 0 1 三相六拍正轉(zhuǎn)
接通 斷開 接通 斷開 0 0 三相雙三拍正轉(zhuǎn)
接通 斷開 接通 斷開 0 1 三相雙三拍反轉(zhuǎn)
注意：按鍵按下為0 向上為1
如果在工作時有異常情況請按復(fù)位鍵
調(diào)節(jié)變阻器2可以調(diào)節(jié)速度的大小
摘要
本設(shè)計采用自己設(shè)計的電源來給整個電路供電，用具有置位，清零功能的JK觸發(fā)器74LS76作為主要器件來設(shè)計環(huán)行分配器，來對555定時器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行分配，通過功率放大電路來對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，從而來完成題目中的要求。并且產(chǎn)生的脈沖的頻率可以控制，從而來控制步進(jìn)電機(jī)的速度，環(huán)形分配器中具有復(fù)位的功能，在對于異常情況可以按復(fù)位鍵來重新工作。本系統(tǒng)具有以下的特點：
時鐘脈沖產(chǎn)生電路，能實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、手動（點動）和自動控制；
具有“自啟動”的功能。
可以工作在“三相單三拍”、“三相雙三拍”和“三相六拍”的多工作方式選擇的狀態(tài)下。
具有復(fù)位的功能。（創(chuàng)新）
具有速度可變的功能。（創(chuàng)新）
關(guān)鍵字：555定時器 脈沖源 環(huán)行分配器 功率放大電路
一、方案論證與比較：
（一）電源的設(shè)計：
系統(tǒng)需要多個電源，脈沖源，環(huán)行分配器需要 5伏的電壓，驅(qū)動電路，步進(jìn)電機(jī)需要12伏的穩(wěn)壓電源。
方案一：采用升壓穩(wěn)壓型穩(wěn)壓電路，用兩片MC34063芯片分別將3伏的電池電壓進(jìn)行直流斬波調(diào)壓，得到5伏和12伏的穩(wěn)壓輸出。只要使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路所輸出的電流較小，供電時間短，無法使系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定的工作，并且需要較大的電流，而此達(dá)不到指標(biāo)。
方案二：采用三端穩(wěn)壓集成的7805，7812分別得到5，12V的穩(wěn)定電壓，利用改方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠，輸出電流較大。
綜上所述，選擇方案二，采用三端穩(wěn)壓器電路。
（二）脈沖源的方案論證及選擇：
方案一：采用555定時器產(chǎn)生脈沖，它工作頻率易于改變從而可以控制步進(jìn)電機(jī)的速度并且工作可靠，簡單易行。
圖一 555定時器產(chǎn)生的方法
方案二:采用晶振電路來實現(xiàn)，晶振的頻率較大，不利于電機(jī)的工作，易失步，我們可以利用分頻的方法使晶振的頻率變小，可以使電機(jī)工作穩(wěn)定，但分頻電路較復(fù)雜，并且晶振起振需要一定的條件，不好實現(xiàn)。
圖二 晶振產(chǎn)生脈沖源電路
綜上所述，我們采用方案一來設(shè)計脈沖源。
（三）環(huán)形分配器的設(shè)計：
方案一：采用74ls194通過送入不同的初值來進(jìn)行移位依此產(chǎn)生正確的值使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動。但此方案的操作較復(fù)雜，需要每次工作時都要進(jìn)行置位，正反轉(zhuǎn)的操作較復(fù)雜，這里很早的將此方案放棄。
方案二：使用單獨的JK 觸發(fā)器來分別實現(xiàn)單獨的功能。
圖三 雙三拍正轉(zhuǎn)
圖四 單三拍正轉(zhuǎn)
圖五 三相六拍正轉(zhuǎn)
利用單獨的做，電路圖較簡單，單具體操作時不方便，并且不利于工程設(shè)計。塊分的較零散，無法統(tǒng)一。
方案三：利用JK觸發(fā)器的自己運動時序特性設(shè)計，利用卡諾圖來進(jìn)行畫簡。
圖六 單，雙三拍的電路圖
單，雙三拍的正，反轉(zhuǎn)主要由鍵s1,s2的四種狀態(tài)來決定四種情況的選擇。
S1 s2
0 單三拍正轉(zhuǎn)
1 單三拍反轉(zhuǎn)
1 0 雙三拍正轉(zhuǎn)
1 1 雙三拍反轉(zhuǎn)
圖七 六拍正反轉(zhuǎn)的實現(xiàn)
S1
六拍正轉(zhuǎn)
六拍反轉(zhuǎn)
注：這里所提供的電路圖雖然我們做試驗時沒有采用，但它們都是我們仿真通過的電路圖。
此方案較上一個方案有較大提高，但還是電路較復(fù)雜，操作不方面，這里并不采用。
方案四：我們采用具有置位，清零功能的JK觸發(fā)器74LS76作為主要器件來設(shè)計環(huán)行分配器，在這里綜合前三個方案的優(yōu)點，設(shè)計出了各個方面性能都比較好的方案。它集合了方案一的置位的功能，綜合了方案三的操作方面的功能，并且又在此基礎(chǔ)上增加了復(fù)位的功能，使此更加具有實用性，更加具有批量生產(chǎn)性。
方案四：使用單片機(jī)作為脈沖源和環(huán)形分配器
可以通過從單片機(jī)的引腳送出不同的信號來驅(qū)動電機(jī)，同時此方案有很好的人機(jī)交換的功能，在擴(kuò)展功能的方面很好的空間，可以在其他引腳中送出信號來驅(qū)動七段數(shù)碼管進(jìn)而來顯示不同的工作狀態(tài)，也可以用單片機(jī)內(nèi)部的定時器來計算速度的大小，進(jìn)而顯示出來，同時也可以增加按鍵的多少來擴(kuò)展其他的功能。
但由于時間原因及其他方面的原因我們完成了這方面的大部分工作，但綜合考慮沒有提交此方案，系統(tǒng)板已經(jīng)做好并且可以用了，唯一的遺憾就是程序沒有下載。
單片機(jī)控制電路
下面的為對應(yīng)的程序部分：
ORG 0000h
LJMP MAIN
MAIN: MOV P1,#0FFH
MOV SP,#30H
KEY: MOV A,#88H
MOV P0,A
MOV A,#00H
MOV P2,A
MOV A,#0FFH
MOV P3,A
JB P3.0,STOP
JNB P3.1,FOR3
JB P3.1,FOR6
JMP KEY
FOR3: JNB P3.2,FOR31
JB P3.2,FOR32
JMP FOR3
FOR31: JB P3.3,PLU31
JNB P3.3,REV31
JMP FOR31
FOR32: JB P3.3,PLU32
JNB P3.3,REV320
JMP FOR32
FOR6: JB P3.3,PLU60
JNB P3.3,REV61
JMP FOR6
STOP: MOV A,#77H
MOV P0,A
MOV A,#0EEH
MOV P2,A
MOV P1,#0FFH
JB P3.0,$
CALL DELAY
JMP KEY
PLU31: MOV R0,#00H
P31: MOV A,0B1H
MOV P0,A
MOV A,62H
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ PLU31
MOV P1,A
JNB P3.0,STOP
JNB P3.3,REV31
CALL DELAY
INC R0
JMP P31
REV320:JMP REV32
PLU60:JMP PLU6
REV31: MOV R0,#04H
RE31: MOV A,#0B7H
MOV P0,A
MOV A,#6EH
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ REV31
MOV P1,A
JB P3.0,STOP
JB P3.3,PLU31
CALL DELAY
INC R0
JMP RE31
PLU32: MOV R0,#08H
P32: MOV A,#0B1H
MOV P0,A
MOV A,#73H
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ PLU31
MOV P1,A
JNB P3.0,STOP
JNB P3.3,REV32
CALL DELAY
INC R0
JMP P32
REV61: JMP REV6
STOP1: JMP STOP
REV32 : MOV R0,#0CH
RE32: MOV A,#0B7H
MOV P0,A
MOV A,#07FH
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ REV32
MOV P1,A
JNB P3.0,STOP1
JB P3.3,PLU32
CALL DELAY
INC R0
JMP RE32
PLU6: MOV R0,#10H
P6: MOV A,#0E1H
MOV P0,A
MOV A,#62H
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ PLU6
MOV P1,A
JNB P3.0,STOP1
JNB P3.3,REV6
CALL DELAY
INC A
JMP P6
REV6: MOV R0,#17H
RE6: MOV A,#0E7H
MOV P0,A
MOV A,#6EH
MOV P2,A
MOV A,R0
MOV DPTR,#TABLE
MOVC A,@A+DPTR
JZ REV6
MOV P1,A
JNB P3.0,STOP1
JB P3.3,PLU6
CALL DELAY
INC A
JMP RE6
DELAY: PUSH ACC
PUSH PSW
MOV R1,#40
D1:MOV R2,#248
DJNZ R2,$
DJNZ R1,D1
POP PSW
POP ACC
RET
TABLE: DB 01H,02H,04H
DB 00H
DB 04H,02H,01H
DB 00H
DB 03H,06H,05H
DB 00H
DB 05H,06H,03H
DB 00H
DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H
DB 00H
DB 05H,04H,06H,02H,03H,01H
DB 00H
END
以上程序已經(jīng)通過了調(diào)試的過程，唯一的就是沒有完全仿真
綜上所述，我們采用方案四，具有很強(qiáng)的實用性。
（四）功率放大器
方案一:直接采用ULN2003進(jìn)行驅(qū)動。
它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓的，專門用來驅(qū)動繼電器的芯片，甚至在芯片內(nèi)部做了一個消線圈反電動勢的二極管。ULN2003的輸出端允許通過IC 電流200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器(SSR)等外接控制器件，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。但我們這里用的步進(jìn)電機(jī)的電流為400毫安，所以在此用此驅(qū)動不了。但此方案具有連接簡單的優(yōu)點。
圖八ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)
方案二：達(dá)林頓管IC可以直接對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器的，電流可以達(dá)到400毫安左右，符合驅(qū)動條件。
方案三：使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)
L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)（如圖1－1），也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。
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