步进电机控制驱动电路设计

一、任务

步进电机控制驱动电路设计

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：

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． 具有“自启动”的功能。

3． 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。

4． 具有复位的功能。（创新）

5． 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。

VCC5VR1R34.7kohm4.7kohm4RST762 50%DISTHRTRI5CONGND1VCC3OUT8U1D21BH62D11BH62R2100kOhmKey = aC1C210uF0.01uFLM555CHR5100kOhmKey = a 50%C30.1uF

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。

X1C3U1D98CRYSTAL_VIRTUAC2L1uF1U1A2IO174LS05D1uF74LS05DR21kohmR11kohm

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。

U1A2~1PR41J1161K3~1CLR14~1Q151Q41J1161K3~1CLR14~1Q2~1PR151Q92J6122K8~2CLR10~2QU2A7U1B~2PR112Q74LS76D74LS76D74LS76DVCCR11.0ohm5V

图三 双三拍正转

U1A2~1PR41J1161K3~1CLR14~1Q151Q41J1161K3~1CLR14~1Q2~1PR151Q92J6122K8~2CLR10~2QU2A7U1B~2PR112Q74LS76D74LS76D74LS76DVCCR11.0ohm5V

图四 单三拍正转

U1A2~1PR41J1161K3~1CLR14~1Q151Q42U2A7~1PR151J1161K3~1CLR14~1Q1Q9U1B~2PR112J6122K8~2CLR10~2Q2Q74LS76D74LS76D74LS76DVCCR11.0ohm5V

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。

R34.7kohm4RST76DISTHRTRI5CONGND113OUTVCC8VCCU1XSC15VGABTVCCR710kohm5VR14.7kohmD31BH62D11BH622U15A74LS11D74LS11D31J1Q1U16A31J12241K132~1Q1Q1U17A31J1QR2Key = a100K_LIN 50%C10.01uFLM555CHC374LS11D10uF1241K13~1CLRR5Key = a100K_LIN 50%74LS04DU29A121241K132~1QC2~1Q~1CLR~1CLR0.1uF1274LS11D12174LS04DU19A123U9A74LS107N74LS107N74LS107NU28A74LS32N1213274LS04D74LS27D1374LS11D212374LS11DU21A74LS02D74LS27D74LS27D213174LS11D2131U26A74LS32N121374LS11DU22A74LS11D12U27A74LS32N2U8A121212U10A121274LS11DU13A121212U31A121212666U3AU2A74LS11DU20AU6AU7AU11AU18AU14AU30AU12A74LS21NU23A74LS21N2514U24A74LS21N512456U25A74LS21N212121213121312121312131213121312131214512131313134U4A12VCCR410kohm5V74LS04D1U5A274LS04DVCCR65V10kohm 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 0 单三拍正转

0 1 单三拍反转 1 0 双三拍正转 1 1 双三拍反转

XSC1R34.7kohmVCCU15VABGTR14.7kohmD31BH62D11BH62R2Key = a100K_LINFF2ALM555CHFF1AFF0AC10.01uFR5Key = a100K_LINC20.1uFU24A74LS05D74LS107N74LS107N74LS107N1233U9A31274LS32DU14A74LS32D12131212U5A74LS27DU23A74LS32D21U8A4002BT34531283686868U2C7408N9110U2AU6A27408N74LS11D1312345U11CU6B74LS11D10113945U11B74LS11D10119U6CU10B74LS1174LS11DD10113459U10AU10CU12AU13A1212674LS1174LS11DD74DLS11D74LS081245U13B74LS08D121312U16A13VCC5VU11A74LS04D74LS11D

图七 六拍正反转的实现 S1 0 六拍正转 1 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。

000000000000000000达林顿内部结构A000任坤鹏 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。

VCC12VD11N3663L11.5nH-SMT0805R11kohmQ1UPA1427H

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。

图1－1

通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，但我们选用的为三相电机，不符合条件。

综上所述，我们采用方案二。 二．系统的设计与理论依据： 1．系统框图：

根据题目要求和上述论证，本系统的整体电路如下图所示：

脉冲源 环形分配器 驱动电路 步进电机

2．系统硬件的设计： （1）电源的设计

本设计的系统全部用自己设计的电源。

UIVD1UoUI240 R1＋R25 kC3C2UoUIUoR1VZR3(b)(c)R2 LM117 J AD (a)UiLM117UoVD2C1LM117ADJ R 1 ＋ ADJR2图九 电源的设计

所提供的电压基本满足了需要的电压，完成了题目中要求的电压的设计。

VCC5VR1R34.7kohm4.7kohm4RST762DISTHRTRI5CONGND1VCC3OUT8U1D21BH62D11BH62R2100kOhmKey = a 50%C1C210uF0.01uFLM555CHR5100kOhmC3Key = a 50%0.1uF

（2）脉冲源的设计:

在此电路中，当R1＝R3中，R2调至中心点，因充放电时间基本相等，其占空比约为50％，此时调节R5,仅改变频率，占空比不变，如果R2调至偏离中心点，在调R5，不仅频率改变，占空比也有一定的影响，R2仅对占空比有影响，对频率无影响。我们所设计的速度并不是很快，主要是为了使我们很明显的去发现正转与反转的变化，更加重要的是六拍与三拍的变化之后速度并不相同。三拍的速度明显慢于三拍，但六拍的力矩大与三拍的，可以带动更加大的器件。C3的变化对频率的变化影响较大，我们选用的是0.1UF的电容，如果将电容值变小，速度可以更加的快。 （3）环形分配器的设计

1．首先介绍一下步进电机的结构及工作原理。

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

0、1/3 て、2/3 て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A 与齿 1 相对齐，B 与齿2 向右错开1/3 て，C 与齿3 向右错开2/3 て，A'与齿5 相 对齐。

如A 相通电，B，C 相不通电时，由于磁场作用，齿1 与A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B 相通电，A，C 相不通电时，齿2 应与B 对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3 与C 偏移为1/3 て，齿4 与A 偏移（て-1/3 て）=2/3 て。如C 相通电，A，B 相不通电，齿3 应与C 对齐，此时转子又向右移过1/3 て，此时齿4 与A 偏移为1/3 て对齐。如A 相通电，B，C 相不通电，齿4 与A 对齐，转子又向右移过1/3 て这样经过A、B、C、A 分别通电状态，齿4（即齿1 前一齿）移到A 相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步每脉冲）1/3 て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A 这种导电状态，这样将原来每步1/3 て改变为1/6 て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3 て变为1/12 て，1/24 て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

三相单三拍正转 A B C A B C 依次循环下去 三相单三拍正转 C B A C B A 依次循环下去 三相单三拍正转 AB BC CA AB BC CA 依次循环下去 三相单三拍正转 CA BC AB CA BC AB 依次循环下去 三相单三拍正转 A AB B BC C CA 依次循环下去 三相单三拍正转 CA C BC B AB A 依次循环下去

上面的为步进电机的通电的次序，上面的功能主要由JK触发器配合外围的异或门及二选一选择器来完成，单每一次的工作所需要的初始值并不相同，这里我们选择了具有置位功能的74LS76JK触发器，置位与清零配合使用，达到了需要的结果。

图十一 环形分配器电路

CD（清零） SD（置位） Q 非Q 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 正常工作

上面的工作方式正好是我们所需要，单每一种状态，我们置位一次是比较复杂的，这里我们利用了电容的充放电来完成不同情况下的置位。

VCC5VR11kohmC110uF

图十二 基本充放电电路

上图电路中在通电的瞬间，电路中对电容充电，这时所引出的那条线的电位为低电位，单过了一段时间，电容充满电之后，这时那条线的电位为高电位，就靠这个功能，那起电的瞬间，我们置位成功，使JK触器成功的工作。 （4）功放电路的设计及与步进电机的配合

由于我们要驱动的电机需要较大的电流，使用简单的驱动电路ULN2003已经满足不了我们的要求了，这时我们采用了单独的驱动电路，对每一脚分别驱动，虽然在具体实现的过程中会出现不同步的现象，但这种出现的几率并不是很大，我们设计的电路具有复位功能，当出现异常情况时，可以及时的克服。

VCC12VD11N3663L11.5nH-SMT0805R11kohmQ1UPA1427H

图十三 功放及步进电机的配合使用

当对电阻的方向端送入信号时UPA1427H相当于一个反向器，假设送入1时，出来的为低电位，这时电感（相当于电机的内部结构）导通，相当于通电，反之，为断开。符合我们的工作模式。 （5）创新功能 1．可控的加速功能

在这里我们对脉冲的频率进行控制可使导通的速度变化，使此设计方案更具有实用性，通用性，可以定量的生产。555定时器的频率F=1\\T,T=1\\(R1+R2)C,这里可以改变电容或电阻来改变频率，由于条件的影响，我们采用改变电容来改变频率。 2．复位功能

在完美的系统也有走错的时候，这里我们完全克服了这样的错误，采取复位的功能，重新工作。

VCC5VR11kohmC110uF = SpaceKeyJ1

图十四 复位电路

当出现异常情况时，只需按下复位键，系统就可以重新的工作。

三．操作及部分说明

（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 上面的为具体的操作步骤，但也会有异常情况，请注意： 1．按键按下为0 向上为1。

2．如果在工作时有异常情况请按复位键。 3．调节变阻器2可以调节速度的大。 4．12V与5V电压一定要共地。 四．系统的测试

经过我们小组人员的测试，系统完全符合设计的要求，并且在此的基础上扩展了部分的功能，使设计更加完美。 五．结论

经过我们小组三个成员不懈的努力，并且在教员的指导下，我们完成了系统的设计和制作，实现了设计目标，达到了预期的目的。系统除能实现题目的基本要求外，还能满足其发挥部分的要求。但由于时间的原因，我们没有使系统更加完美的组合在一起，这是我们的设计的不足之处。

参考文献:

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[6] 全国大学生电子设计竞赛训练教程 黄智伟 主编 电子工业出版社2005 [7] 单片机应用教程 李叶紫主编 [8] 电子技术基础实验与课程设计 [9] 51单片机设计实例 楼然苗主编 清华出版社2005 电子工业出版社2005

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