步进电机驱动电路及设计电路原理图

　　步进电机驱动器是一种电路或设备，可为步进电机提供必要的电流和电压，使其平稳运行。步进电机是一种步进式旋转的直流电机。简单的直流电机和步进电机的主要区别在于，通过步进电机，可以借助数字控制实现精确定位。步进电机通过同步来自控制器的脉冲信号来精确旋转，这些脉冲信号是通过驱动器给出的。步进电机驱动器是一种从控制器获取脉冲信号并将其转换为步进电机运动的电路。

　　在这个项目中，使用555定时器IC（作为控制器）、CD4017十进制计数器（作为驱动器）以及其他几个组件设计了一个简单的12V步进电机驱动器电路。

　　电路原理图

　　所需组件

　　·555定时器IC

　　·CD4017约翰逊十年计数器（10个解码输出）

　　·4个2N2222 NPN晶体管

　　·4个1N4007 PN结二极管

　　·4 x 1 KΩ电阻器（1/4瓦）

　　·2.2 KΩ电阻器（1/4瓦）

　　·470Ω电阻器（1/4瓦）

　　·100 KΩ电位器（旋钮型）

　　·100 pF陶瓷圆盘电容器（代码–101）（也读作0.1 nF）

　　·1µF 16V极化电容器

　　·12V步进电机（单极–5线）

　　·连接电线

　　·面包板（原型板）

　　·12V电源

　　组件说明：

　　555定时器IC：

　　IC 555是一种非常著名的定时器IC，通常用于时间延迟、脉冲生成和许多振荡器应用。IC 555具有三种操作模式，即非稳态多谐振荡器（脉冲发生器）、单稳态多谐振荡器（延时）和双稳态多谐振荡器（触发器-触发器）。在这个项目中，使用这个555 IC来产生一个脉冲，即在非稳态操作模式下。

　　CD4017十进制计数器IC：

　　CD4017是一个计数器IC，可产生10个解码输出，因此是一个十进制计数器。这些计数器常用于显示、分频运算、二进制计数器等。但在这个项目中，使用CD4017计数器IC作为步进电机驱动器。因此，这个步进电机驱动器电路本质上是一个二进制计数器电路。

　　步进电机：

　　本项目使用12V步进电机。它是一种单极型步进电机，具有5线配置。基本上，步进电机根据定子的绕组分为单极步进电机和双极步进电机。下图显示了带有绕组的双极步进电机。

　　单极步进电机的驱动电路可以借助几个晶体管或像ULN2003这样的达林顿晶体管IC来构建。但是，双极步进电机的驱动电路需要H桥式连接。因此，使用L293D等H桥IC来驱动双极步进电机。

　　电路设计：

　　将从处于非稳态模式的方波发生器即555 IC开始。2.2 KΩ电阻连接在VCC和555的放电引脚（引脚7）之间。100 KΩ电位器连接在放电引脚（引脚7）和阈值引脚（引脚6）之间，该引脚又与触发引脚（引脚2）短接。一个1µF电容器连接在触发引脚（引脚2）和GND之间。100 pF的旁路电容器连接在控制电压引脚（引脚5）上。其他引脚，即VCC（引脚8）连接到12V电源，复位引脚（引脚4）连接到12V电源，接地引脚（引脚1）连接到GND。

　　555定时器IC的输出，即引脚3作为时钟输入提供给CD4017计数器IC，即其第14引脚。CD4017的VDD和VSS引脚，即引脚16和8分别连接到12V电源和GND。使能引脚（引脚13）接地。需要控制步进电机中两个线圈的4个线圈端子。因此，只需要驱动程序的4个输出。这些输出是Q0至Q3，即分别为引脚3、2、4和7。计数器的输出通过单独的1 KΩ电阻器连接到4个晶体管的基极端子。

　　计数器必须在第五个脉冲上复位，因此Q4（引脚10）除了第五个输出之外什么都没有，连接到CD4017的复位引脚，即引脚15，该引脚通过一个470Ω电阻器连接到GND。

　　步进电机是5线配置的单极型。中心引脚在内部短路并连接到电源（此处为12V）。步进电机的另外4个端子是两个线圈的末端。它们必须连接到四个晶体管的集电极端子。重要的是，它们按输出的触发顺序连接。最后，四个二极管连接在集电极端子和电源之间。二极管非常重要，因为它们可以保护晶体管免受电感尖峰的影响。

　　步进电机驱动电路的工作：

　　这个步进电机驱动电路的工作非常简单。将看到一步一步的工作解释。首先，555定时器IC被配置为一个非稳态多谐振荡器，即它作为一个方波发生器。根据电位器的位置，方波的频率将在7 Hz到340 Hz之间的任何位置变化。该方波作为其时钟输入提供给CD4017计数器IC。对于时钟信号的每次正转变，即从低到高的转变，计数器输出增加一个计数。

　　对于时钟上的第一个正转换，Q0将为高电平，对于第二个正转换，Q1将为高电平，依此类推。由于只需要4个输出，因此第五个输出，即Q4连接到复位引脚，以便计数器将复位并再次开始计数。

　　计数器IC CD4017的输出提供给4个不同的晶体管，这些晶体管依次连接到步进电机的4个线圈端子。可以从下图中更好地理解。

　　假设点A、B、C和D是连接到晶体管的线圈的触点。步进电机中的公共线提供12V电源。当第一个时钟信号施加到CD4017时，Q0变为高电平。这将打开相应的晶体管。结果，来自公共导线的电源通过A点接地。这将使线圈通电并充当电磁体。转子将被吸引并转向该位置。

　　在第二个时钟脉冲期间，输出Q1变为高电平，因此与其关联的晶体管导通。现在，电流从公共线通过B点流向GND。因此，该线圈将通电并变成电磁体。这将进一步旋转转子。这个过程继续进行，根据时钟信号的频率，步进电机的旋转速度会发生变化。

　　优点

　　·这里设计了一个DIY型步进电机驱动器，可以驱动单极步进电机。

　　·通过使用此步进电机驱动器，可以避免昂贵的专用步进电机驱动器板。

　　缺点

　　·这种设计效率不高。

　　·小型应用需要大量复杂的布线。

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