数字电子设计课程实验报告2013 - 图文

数字电子技术 课程设计报告

步进电机控制电路

数字电子技术课程设计

设计题目3：步进电机控制电路

课程设计要求

一、 设计任务

本课题要求设计一个步进电机控制电路,该电路能对步进电机的运行状态进行控制. 二、基本要求

1.能控制步进电机的正转与反转及运行速度,并由LED显示运行状态(步进电机工作方式可为单四拍或双四拍).

2.测量步进电机的步距角.(通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数,推算出步进电机的步距角). 三、扩展要求

设计步进电机工作方式为四相八拍. 说明:

a.本实验提供的是四相步进电机,它对外有五条引线,其中一条为公共端,另四条分别为 A相.B相.C相.D相,但引线具体排序未知,故在使用前需对步进电机进行分析.测试,并判断出具体的相序.

b.四相步进电机励磁方式基本有三种: ⅰ.单四拍方式,通电顺序为A→B→C→D→A; ⅱ.双四拍方式,通电顺序为AB→BC→CD→DA→AB;

ⅲ.四相八拍方式,通电顺序为A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A.

如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电,则步进电机将正转.若通电顺序与上述相反,如单四拍方式,通电顺序为A→D→C→B→A,则步进电机将反转,如下表所示为步进电机的单四拍和双四拍的励磁方式及A.B.C.D相的输入逻辑信号.有关步进电机的工作原理及使用方法请自查资料.

工作方式 单四拍工作 励磁方式 A B C D D C B A 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 双四拍工作 AB BC CD DA AB

四、设计框图

步进电机控制电路主要由脉冲发生电路.环行脉冲分配电路.控制逻辑及正反控制门.功率放大器(驱动电路)和步进电机等组成.

五、参考元器件

NE555,计数器74LS161,74LS08,74LS14(04),74L74,74LS138(74LS153),

四相步进电机,发光二极管,续流二极管IN4004,复合三极管TIP122,5Ω(1w) 阻,其它电容,电阻若干.

步进机的原理

一、步进电机简单介绍：

本实验提供的是四向步进电机，它对外有五条引线，其中一条为公共端，令四条分别为A相、B相、C相、D相。由于引线具体排序未知，故在实验前需对步进电机进行分析，测试，并判断出具体的相序。

四向步进电机分别有三种电机励磁方式:

a 单四拍方式，通电顺序为A—B—C—D—A

b 双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB

c 四相八拍方式，通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A

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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常

的简单。

四相步进电机的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、1/4(T)、1/2(T),3/4(T),（相邻两轴子齿轴线间的距离为齿距以T表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/4（T），C与齿3向右错开1/2（T），D与齿4向右错开3/4（T）A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）

当控制电路对电机通电时：A相通电，B，C，D不通电时，作用齿1与A对齐，（假设转子不受任何力，以下均同）。进行转动时：如B通电，A，C, D不通电时，齿2应与C偏移为1/4（T），齿4与A偏移（T-1/4T）=3/4（T）。如C相通电，A，B ，D相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/4T，此时齿4与A偏移为1/4T对齐。如D相通电，A，B ，C相不通电，此时转子又向右移过1/4T，如A相通电，B，C ,D相不通电，齿5与A对齐，转子又向右移过1/4T。这样经过A、B、C、D、A分别通电状态，齿5（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，D, A……通电，电机就每步（每脉冲）1/4T,向右旋转。如按A，D, 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）和频率成一一对应关系。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—CD—D—DA—A这种导电状态，这样将原来每步1/4T改变为1/8T。即四相八拍的通电工作方式。

二、相关步进电机的部分概念：

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数*运行拍数），以四相、转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

失步：机运转时运转的步数不等于理论上的步数。这一现象称为失步。

电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。

设计方案:

通过了解并分析课设题目，我把题目分成五个部分分别实现。脉冲发生电路、环形脉冲分配电路、控制电路、驱动电路和脉冲显示电路。下面部分是通过前期准备分析设计出的实验电路方案。

用555定时器接成的多谐振荡器

用555定时器可以很方便的接成施密特触发器，那么我们就可以下把它接成施密特触发器，然后利用方案二中的方法，在施密特触发器的基础上改接成多谐振荡器。

根据学过的知识，只要把施密特触发器的反向输出端经RC积分电路接回它的输入端，

就构成了多谐振荡器。因此，只要将555定时器的VI1和VI2连在一起接 成施密特触发器，然后再将vO经RC积分电路接回输入端就 可以了。

由方案二中的分析得知，电容上的电压vC将在VT?和VT?之间往复振荡，vC和vO的波形如图10所示

电路的振荡周期为

T=T1+T2=（R1+2R2）C㏑2 振荡频率为

f=1/T

输出脉冲的占空比为 q=

在查阅资料后得知，步进电机应用于低速场合，即每分钟转速不超过1000转，此时电机工作效率高，噪音低。且当电机的脉冲过高时会产生严重的失步现象，所以脉冲发生电路的脉冲不能过高。μA741，构成矩形波发生电路是一个很好的脉冲发生器，实验室未提供μA741、稳压二极管等元件，故我组仍采用555构成的多谐振荡器作为基本脉冲发生电路。

附：脉冲发生电路最终电路图：

T1R1?R2= TR1?2R2

为实现步进电机的速度可调性，我组在充分利用实验室资源的前提下，采用了两片100K欧姆的可变电阻与两片1μ的电容构成可变多谐振荡器。值得注意的是，由于电容较大，需特别注意电容接入电路时的正反方向问题。

脉冲分配电路、控制电路

以下电路是我通过上学期在数字电子技术和数字电子技术实验课上所学知识，按所用芯片的工作原理设计完成的。

环形脉冲分配电路是步进电机中一个重要环节，利用环形脉冲分配电路可以产生所需要的脉冲波形，以实现对步进电机的控制。生成题目所要要求的单四拍，双四拍，和四相八拍三种工作模式。

图3.2

上图为74LS161的管脚图。74LS161计数脉冲由单次脉冲源提供，清零端制端

、置数控

、工作状态控制端CTPCTT、并行数据输入端D3—D0分别接逻辑电平开关，进位信号输

出端CO、计数器状态输出端Q3—Q0均接逻辑电平显示。按如下逐项测试并判断该集成块的功能是否正常。 1、异步清零功能：当

=0时，这时Q3Q2Q1Q0=0000，计数器清零。其它输入信号都不起作

用，与CP无关，故称为异步清零。 2、同步并行置数功能：当置入计数器。

3、步二进制加法计数功能：当加法计数。

4、保持功能：若CTP·CTT=0，则计数器将保持原来状态不变；若CTP·CTT=1，则计数器将保持正常工作状态，可以正常计数。

=1，若CTP=CTT=1，则计数器对CP信号按照8421码进行=1，

=0时，在CP上升沿操作下，并行输入数据d3 d2 d1 d0

用NE555为74LS161提供时钟脉冲，使74LS161进行十六进制计数，将QA、QB、QC三个输出端的信号作为74LS138芯片的输入信号由其进行译码工作。电路图如下：

3、控制电路

以下为单四拍、双四拍及四项八拍的所要输出地逻辑信号。 单四拍： 工作方式 励磁方式 A 单四拍 B C D A

D 1 1 1 0 1 C 1 1 0 1 1 B 1 0 1 1 1 A 0 1 1 1 0

双四拍： 工作方式 励磁方式 AB 双四拍 BC CD DA AB

四相八拍： 工作方式 励磁方式 A AB B 四项 八拍 BC C CD D DA A

D 1 1 1 1 1 0 0 0 1 C 1 1 1 0 0 0 1 1 0 B 1 0 0 0 1 1 1 1 0 A 0 0 1 1 1 1 1 0 0 D 1 1 0 0 1 C 1 0 0 1 1 B 0 0 1 1 0 A 0 1 1 0 0

（1）四项八拍电路

根据74LS138的工作原理，ABCD四相即为要求的输出项，我们要求从74LS161输出从000到111的循环逻辑信号，从而可以列出74LS138的真值表。如图3.3

图3.3

Y0 0 1 1 1 1 1 1 1 ’Y1 1 0 1 1 1 1 1 1 ’Y2 1 1 0 1 1 1 1 1 ’Y3 1 1 1 0 1 1 1 1 ’Y4 1 1 1 1 0 1 1 1 ’Y5 1 1 1 1 1 0 1 1 ’Y6 1 1 1 1 1 1 0 1 ’’Y7 工作项 1 1 1 1 1 1 1 0 A AB B BC C CD D DA 从图中可以分析出： A= Y0

’

Y1Y7

’

’’

B= Y1Y2Y3

’

’

’’’

C= Y3Y4Y5

’’

D= Y5Y6Y7

’

说明：发生的脉冲频率不能太高，否则电机不转，还有可能产生失步现象。 二、对发光二极管：

1.在对环形脉冲分配电路的调试过程中，出现的问题是： LED灯全部不亮。经查资料，得到以下结论：发光二极管是一种电流型器件，虽然在它的两端直接接上3V的电压后能够发光，但容易损坏，在实际使用中一定要串接限流电阻，工作电流根据型号不同一般为1mA到30mA。另外，由于发光二极管的导通电压一般为1.7V以上，所以一节1.5V的电池不能点亮发光二极管。同样，一般万用表的R×1档到R×1K档均不能测试发光二极管，而R×10K档由于使用15V的电池，能把有的发光管点亮。

得到此信息后我们马上串连1K电阻在LED回路中，LED 终于亮了。

LED1IN1R11.0kohm

2.串联电阻后，有些LED仍然不亮，由此我们组开始怀疑最初判断LED正负极的方法，于是使用5V电源对其一一进行了测试，问题解决。

三步进电机部分：

在整合步进电机与驱动电路时发现问题： 1、发光二极管正常工作但电机不转。

2、步进电机的A B C D和两个公共端不能正确分辨。表现出的现象是：电机正转一步、反转一步。

电机不转是由于电流太小了，我们将与电机并联的电阻换成了5Ω的，这样在两端电压不变的情况下，电阻减小，电压增加。此外，对资料进行查询后，我们发现步进电机的线圈如下图所示：

+5VVCCACAVCCCDBDB

用万用表的电阻档位分别测量步进电机的两个管角，如果电阻为无穷，则此两个角不在一端；如果电阻为大约12欧姆，则此两角为AB或CD如果电阻为大约6欧姆则此两个角中有一个为公共端。如此就把步进电机的6个端分别确定。将公共端均接＋5v。并将A B C D 四端分别接入电路当中，电阻换成5 Ω后，步进电机正常转动。单四拍方式运行成功。这也证明了前段的驱动电路正确。

电机错转是因为干扰问题，改进布线后，问题解决。 四、控制电路部分：

1.在最终测试时我们发现四相八拍电路与四相可变电路发生了冲突，于是我们通过两个单刀双掷开关将若干管脚强制清零，解决了这个问题。

2.控制电路的庞大无比也造成了庞大不已的干扰信号，尽管我避免了所有跨线，但仍然无法避免干扰，这对我最后的调试造成了极大的困难。好在最终解决了。

实验感受

此次的实验我们做的很慢，也许是第一次动手设计并连接一个电路，大脑一片空白根本没有什么思路。于是我们不得不又拿起数电书一点一点的寻找破解之法，虽然做的很慢但是还是将实验完整的做出来了。

对数电课设本身来说，我们通过实际操作，巩固了我们所学的专业知识，实验室操作规则，并将书本上的知识灵活运用于实际的同时掌握了很多技能技巧。比如在接线时应尽量减少用线量以保持面包板的整洁和线路的清晰直观，这一点在实际生产中有着节约成本、减小体积、便于维修等优点；再比如，对于多单元电路应进行分单元调试，这样可以对电路的每个环节做到心中有数，可以把寻找问题的范围缩到最小，以节约时间。像这样的例子还有很多。总之，通过这次数电课设，我们将书本上的“死”知识灵活运用于实际并从中学到了许多书本上没有的东西，我觉得这才是课设的真正意义，这才是真正的收获。

除了课设本身带给我们的启迪，我们还在完成课设的过程中锻炼了各方面的能力。比如当我们遇到问题时我们学会了思考，而不是莽撞的拆线重插；在发现问题后多问自己几个为什么，而不是等着老师解惑；在解决问题时和组员一起分析商量、配合协作，而不是固执己见、不听取他人建议。这些能力将是我们受用终身的，并为我们走上工作岗位、走进社会打下了基础，我想这正是课设的魅力所在。

我们大部分同学在上课设前都对课设充满好奇和期待，总觉得走进实验室触摸新奇的事物是件好玩的事情，刚一拿到手中的实验题目时心中不免一片茫然，渐渐的通过查阅资料，分析实验原理，我们寻觅出解决方案，并加以实施最终获得了成功，尤其是想到自己即将亲手造出个“前所未有”东西时就被感兴奋。当我们拿着成品走出实验室结束为期5周的课设时，我们是喜悦的并极具成就感的，但是这过程中的努力和收获是我们以前没有感受过的，我相信，大二这一年的课设将是我们每个人心中难忘的回忆。

附录

一、所用元器件：

74LS161一片、NE555一片、74LS138一片、74LS20两片、74LS08一片、74LS04一片、74LS21一片、IN4004四个、TIP 122四个、1uf电容两个、1k欧姆电阻八个、100K欧姆可变电阻两个、单刀双掷开关四个、发光二极管四个。 二、部分芯片管脚图

74ls161

74ls138

74LS20

三、参考书目：

《数字电路综合实验》——北京工业大学电工电子实验教学中心 《数子技术实验指导书》——北京工业大学电工电子教学中心

《数字电路逻辑设计》——王毓银 高等教育出版社

《数字电子技术基础》——清华大学电子学教研组编，阎石主编高等教育出版社 21IC中国电子网——http://www.21ic.com/

中国工控网——http://www.gongkong.com/ 百度百科——http://www.http://www.wodefanwen.com//

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lv4x.html