武汉理工大学数字电子线路课程设计四相一拍步进电机仿真制作.doc

武汉理工大学数字电子线路课程设计四相一拍步进电机仿真制作

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2020年4月19日
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目录
前言 ………………………………………………………………………………………1
1 设计技术指标与要求 …………………………………………………………………2
1.1 设计技术指标 ……………………………………………………………………2
1.2 设计要求 …………………………………………………………………………2
2 方案论证与选择 ………………………………………………………………………2
2.1 脉冲分配系统方案 ………………………………………………………………2
2.2 脉冲分配电路 ………………………………………………………………3
3 单元电路的设计和元器件的选择 ……………………………………………………4
3.1 步进电机实现四相四拍和正反转功能…………………………………………4
3.2 输出控制模块的设计……………………………………………………………4
3.3 步进电机工作原理的设计………………………………………………………5
3.4 主要元器件的选择………………………………………………………………6
4 系统电路总图及原理…………………………………………………………………6
5 电路连接测试 …………………………………………………………………………7
6 性能测试 ……………………………………………………………………………9
6.1时钟脉冲电路…………………………………………………………………9
6.2连续运行电路测试………………………………………………………10
7 结论……………………………………………………………………………12
8 性价比…………………………………………………………………………12
9 心得体会………………………………………………………………………13
参考文献 …………………………………………………………………………………14

前言
步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机。这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，因此又称脉冲电动机。步进电动机的转子由软磁材料或永磁材料制成多极的形式，定子上装有多相不同连接的控制绕组。它的激励信号有直流脉冲、方波、多相方波和逻辑序列多种。步进电动机的步距和速度不受电压波动、环境温度和负载变化的影响，而仅与脉冲频率有关。改变脉冲频率就能在很大范围内准确调节电动机的速度。因此步进电动机用于开环数字控制，可大大简化控制系统。步进电动机配以位置检测元件时也可用于闭环数字控制，常见于打印机、带读出器、计数器、绘图机、数控机床、阀门执行机构、定位平台和数模转换器等。步进电动机种类繁多，按运动形式分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。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。
步进电机若在其输入端加入一个脉冲信号，该电机就会转过一个步距角。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。因此可用控制脉冲数量、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。
四相四拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，在定子的4个磁极上分别绕有绕组，对称的绕组形成一相绕组，四相电机有A、B、C、D四相绕组。每给一相绕组通电一次称为一拍。四相四拍步进电机工作的正转次序为A——B—C—D，反转次序为D—C—B—A。步进电机每步旋转的角度大小，称为步距角。它是由电动机本身转子的齿数和每一个通电循环内通电节拍决定的，四相四拍模式的步距角为90°。
脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相绕组，使各相绕组轮流接受脉冲信号的控制，一般是由环形分配器来实现的。它是一个中间转换环节，前面与时钟脉冲电路相接，后面接驱动电路。三者组成了步进电机的控制器。环形脉冲分配器是本次课程设计的重点和难点。

1 设计技术指标与要求
1.1 设计技术指标
设计一个能自启动的具有正反转功能的四相四拍步进电机脉冲分配电路。电路的状态转换图。M为控制变量，当M=0时，电路按顺时针转；当M=1时，电路按逆时针转。
本方案由直流稳压电源电路提供电源；时钟脉冲电路是555定时器芯片组成的多谐振荡器；环形分配器部分由74LS191加减可逆计数器和与非门电路用置数法组成4进制计数器，分别控制步进电机的正转、反转，再经过74LS138译码器和个4与非门电路实现四拍的组合逻辑函数，实现四相四拍步进电机的四拍循环。步进电机的单步运行功能的实现只需经过按动开关进行高低电平信号的转换即可，停车功能只要停止脉冲就能实现。步进电机必须加驱动才能够运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机停止，在输入端加入一个脉冲信号，该步进电机就会转过一个步距角。改变脉冲的顺序，能够方便的改变转动的方向。该电路的时钟脉冲电路给环形分配器提供输入脉冲，环形分配器将输入时钟脉冲信号转换成A、B、C、D四相绕组所需的顺序控制信号，经驱动电路后，加到电机的四相绕组上，驱动四相四拍步进电机转动。改变脉冲信号的输入顺序，就能够实现四相四拍步进电机的正转和反转。

1.2 设计要求
1. 画出电路原理图（或仿真电路图）；
2. 元器件及参数选择；
3. 编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。
2 方案论证与选择
2.1 脉冲分配的系统方案
环形分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端。环形分配器的输出既是周期性的，又是可逆的。
这里采用的是555定时器来作为时钟脉冲电路，产生一系列频率可调的方波脉冲，每当一个脉冲的上升沿到来时即可触发步进电机转过一个步距角。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，由555定时器构成的多谐振荡器，组成信号产生电路。电路实现的原理是：经过对电容的充放电来得到一系列脉冲，改变充电或放电的时间即可改变脉冲的频率。
R1=85kΩ,R1=100kΩ,C1=10uF,则
电路的振荡周期为
T=(R1+2×R2)×C1×ln2
T=1.995s
振荡频率为
f=1÷T
f=0.501Hz

2.2 脉冲分配电路
这一部分是整个电路的关键所在，这里利用4个逻辑与非门和1个74LS191和1个74LS138来实现环形脉冲分配。对步进电机三个绕组的通电方式进行控制，三相六拍步进电机的正转顺序：A-B-C-D，反转顺序：D-C-B-A，由此实现电机的步进。
用74LS191可逆计数器和必要的门电路组成4进制计数器。74LS191本身有16个状态，4进制则取其中的4个状态。根据表1可知当M接低电平，74LS191实现加法计数，即步进电机正转；反之，步进电机反转译码器采用3线—8线74LS138芯片，由表2可得逻辑关系为：
X(A,B,C,D)=(Y0ˊY1ˊY2ˊY3)

74LS191功能表

74LS138译码器真值表

环形分配器电路图如图所示

环形分配器电路图

3 单元电路的设计与元器件选择
3.1 步进电机实现四相四拍和正反转功能
用74LS191可逆计数器和与非门电路用置数法连接成4进制计数器，QC接与非门接到置数端（LOAD），在U/D端接一个开关S1，控制加减法计数。当接低电平时，实现加法计数，步进电机正转；当接高电平时，实现减法计数，步进电机反转。由74LS191输出的逻辑信号为QA、QB、QC、QD、，经74LS138和与非门译码后输出A、B、C、D的四拍工作状态。四相四拍步进电机正转顺序：A-B-C-D,其逻辑表示为A=000，B=001，C=010，D=011。根据逻辑表示用与非门输出A、B、C、D的相（X(A,B,C,D)=(Y0ˊY1ˊY2ˊY3) ），接到驱动电路，控制四相四拍步进电机的转动。

3.2 输出控制模块的设计

输出控制模块图
3.3 步进电机工作原理的设计
四相四拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，在定子的4个磁极上分别绕有绕组，对称的绕组形成一相绕组，四相电机有A、B、C、D四相绕组。每给一相绕组通电一次称为一拍。四相四拍步进电机工作的正转次序为A——B—C—D，反转次序为D—C—B—A。步进电机每步旋转的角度大小，称为步距角。它是由电动机本身转子的齿数和每一个通电循环内通电节拍决定的，四相四拍模式的步距角为90°。

步进电机工作原理图

3.4主要元器件的选择
序号
编号
名称
型号
数量
1
U7
555定时器
TIMER-RATED
1
2
U1
可逆计数器
74LS191D
1
3
U2
译码器
74LS138D
1
4
U3
四输入与非门
74LS00D
2
5
C1
电容
10uF
1
6
C2
电容
10nF
1
7
R1
滑动电阻
200kΩ
1
8
S1
单刀双掷开关
Key=A
1
9
S2
单刀双掷开关
Key=C
1
10
X1、X2、X3、X4
小灯泡
2.5V
4

4 系统电路总图及原理
将设计的各个单元电路进行级联，得到步进电机脉冲分配电路原理图如图所示。

步进电机脉冲分配电路电路总图

图中M为控制变量，当M=0时，电路按顺时针转；当M=1时，电路按逆时针转。 即当M为高电平时，发光二极管的亮灯顺序为正,当M为低电平时亮灯的顺序为反。图中的滑变电阻的改变能够能够控制步进电机的转速，当滑变电阻越大时，发光二极管灯光闪烁就随着变慢，当滑变电阻的电阻调小时，发光二极管的灯光闪烁跟着变快，这就实现了步进电机的脉冲功能。
按下启动开始按钮，步进机进行四相四拍工作方式，选择正转或反转，择代表LED灯按照正转或反转的顺序轮流亮。
5 电路连接测试
按电路做成PCB板正面如图所示，反正面如图所示。经通电测试各项指标均符合要求。

实验电路板的正面图

实验电路板的背面图
接通+5V电源，当开关打向高电平时，灯先后按顺序循环点亮，实现了步进电机的正转；当开关打向低电瓶时，先后按反顺序循环点亮，实现了步进电机的反转。电路完好，能实现要求的功能。
6性能的测试
6.1时钟脉冲电路
将时钟脉冲电路输出端接示波器，如图10所示。观测其输出波形，由图11知脉冲周期T=2ms，f=500Hz，理论值： T=1.995ms，f=501.2Hz，满足设计要求。
理论值 电路的振荡周期为
T=(R1+2×R2)×C1×ln2
T=1.995s
振荡频率为
f=1÷T
f=0.501Hz

实验值 由图10得T=2s
f=1÷T=1÷0.002=0.500Hz

脉冲源产生的测试电路图

示波器测试结果图

6.2连续运行电路测试
如图，将开关置换到连续运行状态 ,用逻辑分析仪测试信号输出端的关系。

连续运行的测试电路图

逻辑分析仪测试正转结果图

逻辑分析仪测试反转结果图
7结论
本次课程设计实现了题目所要求的以下功能：三相六拍步进电机能实现正转、反转、单步运行、停车功能，从而实现了对三相六拍步进电机控制器的设计。在这过程中也遇到了一些问题，比如单步运行实现不了，但经过老师的帮助，得到了很好的解决。虽然没有进行实物连接，可是经过仿真软件对电路进行了严格的仿真，能够说达到了预期的目的。
电路是由555构成的多谐振荡电路作为脉冲源不需要外加信号，只要接通供电电源，就能自动产生矩形脉冲信号关键部分是环形分配电路；最关键部分是脉冲分配器，我利用4个逻辑与非门和1个74LS191和1个74LS138来实现环形脉冲分配，经过开关进行控制单步运行和停车。整个电路简单可靠，操作方便，实用性高。
经过两周的课程设计，使我对数字电路有了进一步的了解，对各电路器件（如：555定时器、可逆计数器、译码器及与非门等）及原理有了更深一层次的认识，既增强了我对电路原理的理解能力,也使我能将所学的知识运用到实际当中去，而且加强了我的动手、思考和解决问题的能力。
8性价比
本次课程设计用的芯片和电阻电容都是用了一些在平时做实验中用过的，555定时器芯片组成的多谐振荡器、与非门、可逆计数器74LS191、译码器74LS138及电压源等。电路中所用的器件都是易于购买且价格便宜，在能够完成相应要求的情况下较其它元件相比性价比较高,有很强的实用性。

9 经验体会
经过这次对步进电机脉冲分配电路的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。可是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。因此，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。总的来说，这次设计的步进电机控制电路还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在自己的思考下，宿舍大家一起经过激烈的探讨下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不但学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。这次做课程设计的过程中，感觉自己的收获不少。
经过这次课程设计使我对以前学过的模电、数电等知识又重新的复习了一遍，又学到了很多相关知识，掌握了可逆计数器74LS191、译码器74LS138、555定时器及一些门电路的内部结构及工作原理，而且对Multisim软件有了比较深入的学习和了解，对于我以后的学习和实践有很大的指导意义。刚开始做这个课程设计的时候我对这个题目的了解不是很详细，经过查阅书籍收集了一些资料，我知道了步进电机的工作原理，也了解了三相六拍的含义。确定了最初的设计方案，在实际设计过程中，也遇到了许多的问题，比如单步运行实现不了，可是经过查阅资料及老师的帮助后一一解决了，最终的结果基本上能够完成题目的要求。
我在整个设计过程中，经过对各个元件（555定时器、74LS191、74LS138芯片等）的比较和认识，找到了简单、正确的方法。对电路条件的限制、要求能更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，因此在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，而且对于其在电路中的使用有了更多的认识。在对陌生各种元件使用时，我们才了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其它类型的不同的看法。这次课程设计使我真的了解并学到了许多自己在理论课上学不到的东西，将我在课堂上学到的东西应用到实际当中，使自己对相关的知识学习的更加透彻，也从中明白了实践的重要性，明白光学习理论知识是不够的，我们还要与实际联系起来才能对知识有更好的了解。在实际设计过程中，我还意识到了还有一些地方掌握得不是很好，还需在以后的学习和实验中多加练习。
在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。在此，忠心感谢曹老师给我的教导和帮助，忠心感谢学校给我们提供这次机会。让我能够更好的更系统的学习数字电路和模拟电路这些课程，能够更好的理解电子设计的相关知识。加强了动手、思考和解决问题的能力。提高了我们对书本知识的掌握，也把我从理论水平提高到实践水平。

参考文献
[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社, .
[2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京:高等教育出版社, .
[3]李庆常.电子技术课程设计[M].北京:理工大学出版社,1994.
[4]张大平.数字电子技术基础(实验指导). .
[5]阎石.数字电子技术基础(第五版) [M].北京:高等教育出版社, .
[6]邱寄帆,唐程山.数字电子技术学习指导[M].北京:人民邮电出版社, .