基于简单芯片的步进电机驱动器设计带multisim仿真.docx

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基于简单芯片的步进电机驱动器设计带multisim仿真

基于简单芯片的步进电机驱动器设计（附带MULTISIM仿真源程序）

前言

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。

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

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，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。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

1.任务需求分析

1.1设计要求：

本次课设主要任务为：

设计一个由放坡发生气供给时钟信号的四相步进电机驱动装置。

该装置可实现：

一，电机启动/停止控制。

二，电机正转/反转控制。

三，转速控制。

四，步数控制。

五，步进电机的驱动电路足够驱动小功率单极性四相步进电机。

五，实现单极性四相步进电机的单项激励、双向激励、四相八拍激励。

1.2具体要求分析：

要实现以上功能，必须先对步进电机的原理、结构有初步的了解。

下面，就先简单介绍一下步进电机的工作原理：

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

下面就本次试验要完成的单极性四相步进电机作简要介绍：

因此，我们可以认为，本次设计的任务就是实现下图的时序波形：

2.总体方案设计

2.1为完成单极性四相步进电机的设计，我必须把总体设计分为几大步骤：

一．方波发生器的设计：

放坡发生的设计中，可连带实现点击的启动/停止控制，转速控制。

二．单四相激励电路的设计

三．双四相激励电路的设计

四．四相八拍激励电路的设计

五．电机正传反转电路的设计

六．步数控制电路的设计

完成这些设计之后，通过开关的方式把它们连接起来，就构成了步进电机驱动装置。

2.2原理框图

电源---方波发生器——逻辑电路—输出驱动电流

3.单元电路设计

3.1方波发生器的设计：

设计中，可连带实现点击的启动/停止控制，转速控制。

该电路是用555定时器构成的多谐振荡器。

该电路工作原理为：

当电源接通瞬间，电容C两端没有存储电荷，两端电压为0，666定时器的2、6端输入电压为0，即出现6端输入电压小于2/3Vcc，2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，使555对电容C充电，直到C两端电压超过2/3Vcc。

当C超过2/3Vcc时，出现6端电压大于2/3Vcc，2端的输入电压大于1/3Vcc的情况，使C放电，直到C两端电压低于1/3Vcc。

此后又重新回到上述充电过程，如此周而复始，形成震荡，产生矩形脉冲波输出。

变速的实现：

步进电机的速度快慢是由脉冲波频率决定的。

因此，调节该电路的频率，就实现了调速经计算，该电路的频率公式为f=1/[（R1+2R2）C]，应此调节电容C的大小就可实现速度的控制。

3.2单四相激励电路的设计

电路原理：

由方波发生器产生时钟信号，供给74LS164和74LS192的CLK端作为时钟信号。

由74LS192构成4进制加计数器，把QA和QB

的输出送入二输入与门，当他们都输出高电平时，与门才输出高电平。

这样就可得到所需要的A相的波形，在经移位寄存器74LS164移位输出，分别得到B相C相D相的波形。

如下图所示

从而实现了单相激励。

值得注意的是在74LS192从‘0001’跳变到‘0010’时如果QA和QB直接接与门，与门会输出一个极短的脉冲信号，这是由于QAQB的信号延迟造成的，因此，在QB端加入两个与门在输出，使得QB输出的高电平在QA变为低电平后，这样就避免了信号跳变。

3.3双四相激励电路的设计

该电路由方波发生器产生时钟脉冲送给74LS164和D触发器（D1）。

两个D触发器都接为反相器。

从而实现把脉冲信号的平率缩小为原来的1/2的功能，经此功能后产生的信号就是A相的信号，在经移位寄存器产生B相C相D相信号。

如图所示：

从而实现了双向激励。

3.4四相八拍激励电路的设计

该电路由方波发生器产生时钟信号送给74LS164和74LS192。

由74LS192和74LS151组成A相波形发生装置，先由74LS192组成8进制加计数器，分别把输出的QAQBQC作为74LS151的ABC端的输入信号。

再把74LS151的输入端D1D2D3置高电平，D4-D7置低电平，这样，输出就为我们所需的A相信号。

在把A相信号送入74LS164进行移位，输出的QAQCQEQG就分别为ABCD相信号。

图中的两个与门为消除延时误差装置。

3.5电机正传反转电路的设计

如图所示，用两个同步四入二出开关实现电路正反转，当开关都拨向上时，按QAQBQCQD顺序输出，为正向输出。

当开关都播向下时，按QDQCQBQA顺序输出，为反向输出。

从而实现了电路的正相反相输出。

3.6步数控制电路的设计

图中，位于上面的74LS192（10）接成减计数实现步数控制。

外来步数信号和74LS192的借位端BO作为与门的输入信号，输出接DOWN，从而当减计数期减为零时能一直保持低电平，输出零，从而实现了步数控制。

4.元件功能介绍

4.1555定时器

555定时器

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。

若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

4.274ls192  

4.374ls74（D触发器）

4.474ls164（移位寄存器）

5总体电路原理

把上述单元电路组合在一起，就构成了总体电路，如图：

6仿真

本人本次可设所采用的仿真软件是Multisim，因为在以前课设中已有使用经验，所以本次课设中能迅速设计出所需电路及实现其功能，但在排版和无按键摆放位置方面还存在一些问题，设计出来的电路虽在功能上没有错误，但是其美观程度和简洁程度均有待提高。

在以后的设计中，我会注重这方面的问题，努力提高自己对本软件的熟悉程度。

6.1方波发生器的仿真：

6.2单四相激励电路的仿真

6.3双四相激励电路的仿真

6.4四相八拍激励电路的仿真

6.5电机正传反转电路的仿真

6.6步数控制电路的仿真

想要multisim源程序的联系QQ：

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