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第页1湖北汽车工业学院数字电子技术课程设计报告一、步进电机相关知识介绍步进电机是一种数字信号控制的传动机构，若在其输入端加入一个脉冲信号，该电动机就会转动一个角度或移动一定距离。步进电机由转子和定子两部分组成。在定子的6个磁极上分别绕有绕组，对称的绕组形成一相绕组，三相电机有A、B、C三相绕组。每给一相绕组通电一次称为一拍。三相六拍步进电机的工作的次序为A—AB—B—BC—C—CA—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。本次课程设计采用转子为4个齿的步进电机，三相六拍模式的步距角为15°。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，通常是由环形分配器来实现的。实现这种分配方式的电路称为环形分配器。它是一个中间转换环节，前面与脉冲振荡器相接，后面接功率驱动器。三者组成了步进电机的驱动电路。环形脉冲分配器的设计是驱动电路设计的第一步，也就是本次课程设计的重点和难点。环形分配器目前逐步走向集成电路化，各种相数的步进电机环形分配器的集第页2成块市场已有出售，但采用各种门电路和常用芯片组成的环形分配器仍普遍应用。此次课程设计要求运用数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器，其意义便在于此。二、方案设计1.电路设计要求对三相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制。即：正转顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A：反转顺序：A-AC-C-CB-B-BA-A以及每个步距角的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：（1）可正转起动或反转起动；（2）运行过程中，点击能够正转、反转、保持；（3）可使用手动使时钟频率f=1~50Hz，连续可调。2.电路用到的实验仪器74LS00*3（与非门）74LS74*2（D触发器）74LS04*1(非门)LED灯*3+5V电源导线若干时钟频率发生器三、总体设计原理及框图通常来说，步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动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。依据本次设计的具体要求，步进电机驱动电路整体框图如图。第页3四、步进电机原理第页41、步进电动机一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。2、三相六状态步进电机工作原理设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图2.a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图(2.b)所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图2.c），转子从图(2.b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A„的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A„的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。第页5图2步进电机通电方式及原理图五、各分框图中电路设计及计算1.时钟脉冲发生器这里采用的是555定时器来作为脉冲发生器，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动一定角度。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。其内部电路由分压器、电压比较器、SR锁存器、放电三极管以及缓冲器组成，外部引出8个端口，分别是8号引脚电源端，4号引脚复位端，3号引脚输出端，1号引脚接地端，7号引脚放电端，2号引脚触发输入端，6号引脚阀值输入端和5号引脚控制电压端。电路实现的原理是，通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。具体设计电路如图3所示。第页6图3脉冲产生电路图4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,则电路的振荡周期为T=(R1+R2)C1ln3T=0.24ms振荡频率为f=1/Tf=4.1KHz采用555定时器构成的斯密特触发器作为整形电路。3.环形脉冲分配器步进电动机的脉冲分配可以由硬件和软件两种方法来实现。硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式而设计专门的电路，图5所示为一个三相六拍的环形分配器。分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线与步进电动机A、B、C三相绕组连接。当QA＝1时，A相绕组通电；QB＝1时，B相绕组通电；QC＝1时，C相绕组通电。DR+和DR-是步进电动机的正反转控制信号。正转时，各相通电顺序：A－AB－B－BC－C－CA反转时，各相通电顺序：A－AC－C－CB－B－BA第页7环形分配器输出的三路信号A、B、C分别经过脉冲放大器放大后驱动步进电机的三相绕组。图5所示为的三相六拍环形分配器逻辑真值表如表5.1所示。第页8状态图4.手动控制电路在脉冲源输出端接入一个单刀双掷开关，控制两种状态的转换。点动控制由按动开关实现，开关两端分别接入高电平和低电平，触动开关使其在高低电平之间转换便实现了点动控制。电路如图6所示。第页9图6点动控制5.驱动电路该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大，从而足够驱动步进电机。该部分电路图如图所示。由于脉冲分配器输出端输出电流很小，而步进电动机的驱动电流较大。为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。图中使用三级晶体管放大，经A相、B相、C相三极管放大，在通过电机电源和电机线圈放大电流，由稳压管进行限流，大小随配电机不同而异。由于电机各相绕组部是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制。因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势。第页10至此，时钟脉冲电路，环形脉冲分配电路，功率放大电路三大主要单元电路都已设计完成。其中，驱动电路由于实验条件的限制在实际操作中省略，步进电机用三个LED进行模拟。六、元件表序号编号名称数量555555定时器1片S1—S3单刀双置开关3只R11千欧7只R2200千欧1只D1二极管6只D2稳压管4只C11uF1只C20.01uF1只C3100uF1只C40.1uF1只七、收获体会第页11通过这次课程设计，我加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过对各个元件的比较和认识，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，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。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，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并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，要多看一些关于其他类型的不同的见解。希望课程设计的题目多联系实际，解决生活中一些与电子技术有关的常见的问题；尽可能的多提供实物连接的机会，不仅仅局限于理论的设计与软件仿真，让学生的动手实践的能力得到真正提高。参考资料：