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步进电机控制驱动电路设计 |
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一、任务
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件，它在速度、位置等控制领域被广泛地应用。但步进电机必须由环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。设计一个三相步进电机控制驱动电路。
二、要求
1．基本要求
1） 时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；
2）用IC设计一个具有“自启动”功能的三相三拍环形分配器；
3）能驱动三相步进电机的功放电路。
使用的是三相步进电机，工作相电压为12V
2．发挥部分
1）设计的环形分配器可实现“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择；
2）完成步进电机供电电源电路设计；
3）其它创新。
操作说明(与实际电路相对应):
（从上到下依次） （从左到右）
短路环： 1 2 3 4 开关：1 4 工作模式：
断开 接通 断开 接通 0 0 三相单三拍正转
断开 接通 断开 接通 0 1 三相单三拍反转
断开 接通 断开 接通 0 0 三相六拍反转
断开 接通 断开 接通 0 1 三相六拍正转
接通 断开 接通 断开 0 0 三相双三拍正转
接通 断开 接通 断开 0 1 三相双三拍反转
注意：按键按下为0 向上为1
如果在工作时有异常情况请按复位键
调节变阻器2可以调节速度的大小
摘要
本设计采用自己设计的电源来给整个电路供电，用具有置位，清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，来对555定时器产生的脉冲进行分配，通过功率放大电路来对步进电机进行驱动，从而来完成题目中的要求。并且产生的脉冲的频率可以控制，从而来控制步进电机的速度，环形分配器中具有复位的功能，在对于异常情况可以按复位键来重新工作。本系统具有以下的特点：
时钟脉冲产生电路，能实现步进电机的正转、反转、手动（点动）和自动控制；
具有“自启动”的功能。
可以工作在“三相单三拍”、“三相双三拍”和“三相六拍”的多工作方式选择的状态下。
具有复位的功能。（创新）
具有速度可变的功能。（创新）
关键字：555定时器 脉冲源 环行分配器 功率放大电路
一、方案论证与比较：
（一）电源的设计：
系统需要多个电源，脉冲源，环行分配器需要 5伏的电压，驱动电路，步进电机需要12伏的稳压电源。
方案一：采用升压稳压型稳压电路，用两片MC34063芯片分别将3伏的电池电压进行直流斩波调压，得到5伏和12伏的稳压输出。只要使用两节电池，既节省了电池又减小了系统体积重量，但该电路所输出的电流较小，供电时间短，无法使系统进行稳定的工作，并且需要较大的电流，而此达不到指标。
方案二：采用三端稳压集成的7805，7812分别得到5，12V的稳定电压，利用改方法方便简单，工作稳定可靠，输出电流较大。
综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。
（二）脉冲源的方案论证及选择：
方案一：采用555定时器产生脉冲，它工作频率易于改变从而可以控制步进电机的速度并且工作可靠，简单易行。
图一 555定时器产生的方法
方案二:采用晶振电路来实现，晶振的频率较大，不利于电机的工作，易失步，我们可以利用分频的方法使晶振的频率变小，可以使电机工作稳定，但分频电路较复杂，并且晶振起振需要一定的条件，不好实现。
图二 晶振产生脉冲源电路
综上所述，我们采用方案一来设计脉冲源。
（三）环形分配器的设计：
方案一：采用74ls194通过送入不同的初值来进行移位依此产生正确的值使步进电机进行转动。但此方案的操作较复杂，需要每次工作时都要进行置位，正反转的操作较复杂，这里很早的将此方案放弃。
方案二：使用单独的JK 触发器来分别实现单独的功能。
图三 双三拍正转
图四 单三拍正转
图五 三相六拍正转
利用单独的做，电路图较简单，单具体操作时不方便，并且不利于工程设计。块分的较零散，无法统一。
方案三：利用JK触发器的自己运动时序特性设计，利用卡诺图来进行画简。
图六 单，双三拍的电路图
单，双三拍的正，反转主要由键s1,s2的四种状态来决定四种情况的选择。
S1 s2
0 单三拍正转
1 单三拍反转
1 0 双三拍正转
1 1 双三拍反转
图七 六拍正反转的实现
S1
六拍正转
六拍反转
注：这里所提供的电路图虽然我们做试验时没有采用，但它们都是我们仿真通过的电路图。
此方案较上一个方案有较大提高，但还是电路较复杂，操作不方面，这里并不采用。
方案四：我们采用具有置位，清零功能的JK触发器74LS76作为主要器件来设计环行分配器，在这里综合前三个方案的优点，设计出了各个方面性能都比较好的方案。它集合了方案一的置位的功能，综合了方案三的操作方面的功能，并且又在此基础上增加了复位的功能，使此更加具有实用性，更加具有批量生产性。
方案四：使用单片机作为脉冲源和环形分配器
可以通过从单片机的引脚送出不同的信号来驱动电机，同时此方案有很好的人机交换的功能，在扩展功能的方面很好的空间，可以在其他引脚中送出信号来驱动七段数码管进而来显示不同的工作状态，也可以用单片机内部的定时器来计算速度的大小，进而显示出来，同时也可以增加按键的多少来扩展其他的功能。
但由于时间原因及其他方面的原因我们完成了这方面的大部分工作，但综合考虑没有提交此方案，系统板已经做好并且可以用了，唯一的遗憾就是程序没有下载。
单片机控制电路
下面的为对应的程序部分：
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
以上程序已经通过了调试的过程，唯一的就是没有完全仿真
综上所述，我们采用方案四，具有很强的实用性。
（四）功率放大器
方案一:直接采用ULN2003进行驱动。
它的内部结构是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。但我们这里用的步进电机的电流为400毫安，所以在此用此驱动不了。但此方案具有连接简单的优点。
图八ULN2003内部结构
方案二：达林顿管IC可以直接对步进电机进行驱动，一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器的，电流可以达到400毫安左右，符合驱动条件。
方案三：使用L298N芯片驱动电机
L298N芯片可以驱动两个二相电机（如图1－1），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
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