步進電機控制課程設計--步進電機脈沖分配電路的設計

1、<p>　　數(shù)字電子技術課程設計報告）</p><p>　　步進電機脈沖分配電路的設計</p><p>　　院 系 物理與材料科學學院 </p><p>　　專 業(yè) 自動化（過程控制） </p><p>　　學 生 班 級 2010級3班 </p>

2、;<p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師單位 </p><p>　　指導教師姓名 </p><p>　　指

3、導教師職稱 副教授 </p><p><b>　　2013年6月</b></p><p>　　步進電機脈沖分配電路的設計</p><p>　　摘要 ：根據(jù)設計的指標和要求，結合平時所學的理論知識，設計一個能自啟動的具有正反轉功能的三相六拍步進電機脈沖分配電路。</p><p>　　關鍵詞

4、 ：電路，脈沖分配，步進電機，正反轉</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言 ………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1 設計技術指標與要求 …………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 設計技術指標 …

5、…………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 設計要求 …………………………………………………………………………1</p><p>　　2 方案論證與選擇 ………………………………………………………………………1</p><p>　　2.1 脈沖分配系統(tǒng)方案 ………………………………………………………………1</p&g

6、t;<p>　　2.2 電路狀態(tài)驅動方程 ………………………………………………………………2</p><p>　　2.3 脈沖分配電路 ……………………………………………………………………3</p><p>　　2.4 D觸發(fā)器………………… ………………………………………………………4</p><p>　　3 單元電路的設計和元器件的選擇 …

7、…………………………………………………4</p><p>　　3.1 步進電機實現(xiàn)三相六拍和正反轉功能…………………………………………5</p><p>　　3.2 輸出控制模塊的設計……………………………………………………………5</p><p>　　3.3 步進電機工作原理的設計………………………………………………………6</p><p

8、>　　3.4 主要元器件的選擇………………………………………………………………6</p><p>　　4 系統(tǒng)電路總圖及原理…………………………………………………………………7</p><p>　　5 電路連接測試 …………………………………………………………………………8</p><p>　　6 經(jīng)驗體會 …………………………………………………………

9、…………………9</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………………………………9</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　步進電動機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機。這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機的轉子由軟磁材料或永磁材料制

10、成多極的形式，定子上裝有多相不同連接的控制繞組。它的激勵信號有直流脈沖、方波、多相方波和邏輯序列多種。步進電動機的步距和速度不受電壓波動、環(huán)境溫度和負載變化的影響，而僅與脈沖頻率有關。改變脈沖頻率就能在很大范圍內(nèi)準確調(diào)節(jié)電動機的速度。因此步進電動機用于開環(huán)數(shù)字控制，可大大簡化控制系統(tǒng)。步進電動機配以位置檢測元件時也可用于閉環(huán)數(shù)字控制，常用于打印機、帶讀出器、計數(shù)器、繪圖機、數(shù)控機床、閥門執(zhí)行機構、定位平臺和數(shù)模轉換器等。步進電動機種類繁

11、多，按運動形式分為旋轉式步進電動機和直線式步進電動機。</p><p>　　1 設計技術指標與要求</p><p>　　1.1 設計技術指標 </p><p>　　設計一個能自啟動的具有正反轉功能的三相六拍步進電機脈沖分配電路。電路的狀態(tài)轉換圖。M為控制變量，當M=0時，電路按順時針轉；當M=1時，電路按逆時針轉。</p><p><

12、;b>　　1.2 設計要求</b></p><p>　　1. 畫出電路原理圖（或仿真電路圖）；</p><p>　　2. 元器件及參數(shù)選擇；</p><p>　　3. 編寫設計報告 寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙，有心得體會。 </p><p>　　2 方案論證與選擇</p><p>　　

13、2.1 脈沖分配的系統(tǒng)方案</p><p>　　環(huán)形分配器的主要功能是把來源于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電動機驅動器的各相輸入端。環(huán)形分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的。步進電機脈沖分配的方框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 步進電機脈沖分配方案框圖</p><p>　　2.2 電路狀態(tài)驅動方程</p><p>

14、;　　將控制變量作為一個輸入變量畫在Qn+1的卡諾圖中，如圖2所示?？紤]到電路的自啟動，應讓電路無效狀態(tài)的次態(tài)能進入有效狀態(tài)的循環(huán)圈中。111狀態(tài)的次態(tài)為000，000的次態(tài)110，實現(xiàn)了電路的自啟動。</p><p>　　圖2 電路狀態(tài)的卡諾圖 </p><p>　　將圖4的卡諾圖分開畫成圖5所示的、、卡諾圖。分別化簡各圖，可求得電路的驅動方程。</p><

15、p>　　用D觸發(fā)器、與或非門組成的脈沖分配電路。</p><p>　　圖 3 卡諾圖的分解</p><p>　　2.3 脈沖分配電路</p><p>　　一般采用 CC40106由六個斯密特觸發(fā)器電路組成。每個電路均為在兩輸入端具有斯密 特觸發(fā)器功能的反相器。觸發(fā)器在信號的上升和下降沿的不同點開、關。上升電壓(V T+)和下降電壓(V T-)之差定義為滯后

16、電壓。</p><p>　　圖4 CC40160內(nèi)部功能圖</p><p><b>　　D觸發(fā)器</b></p><p>　　在TTL電路中，比較典型的d觸發(fā)器電路有74ls74。74ls74是一個邊沿觸發(fā)器數(shù)字電路器件，每個器件中包含兩個相同的、相互獨立的邊沿觸發(fā)d觸發(fā)器電路。</p><p>　　SD 和RD 接至

17、基本RS 觸發(fā)器的輸入端，它們分別是預置和清零端，低電平有效。當SD=0且RD=1時,不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使Q=1，Q=0，即觸發(fā)器1；當SD=1，RD=0時，觸發(fā)器的狀態(tài)為0,SD和RD通常又稱為直接置1和置0端。我們設它們均已加入了高電平，不影響電路的工作。工作過程如下：</p><p>　　1.CP=0時，與非G3和G4封鎖，其輸出Q3=Q4=1</p><p>　　，觸發(fā)器

18、的狀態(tài)不變。同時，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反饋信號將這兩個門打開，因此可接收輸入信號D，Q5=D，Q6=Q5=D。</p><p>　　2.當CP由0變1時觸發(fā)器翻轉。這時G3和G4打開它們的輸入Q3和Q4的狀態(tài)由G5和G6的輸出狀態(tài)決定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS觸發(fā)器的邏輯功能可知，Q=D。</p><p>　　3.觸發(fā)器翻轉后，在CP=1時輸入信號被封鎖。這是因為

19、G3和G4打開后，它們的輸出Q3和Q4的狀態(tài)是互補的,即必定有一個是0，若Q3為0，則經(jīng)G3輸出至G5輸入的反饋線將G5封鎖，即封鎖了D通往基本RS 觸發(fā)器的路徑；該反饋線起到了</p><p>　　使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用。</p><p>　　圖5 74LS74內(nèi)部電路圖</p><p>　　3 單元電路的設計與元器件選擇</p

20、><p>　　3.1 步進電機實現(xiàn)三相六拍和正反轉功能</p><p>　　該部分實現(xiàn)步進電機的正反轉和三相六拍功能。原理圖為圖6所示。用兩個7474雙D觸發(fā)器加邏輯門實現(xiàn)。每當復位端有低電平脈沖輸入，該電路自動置入初始相位ABC（110）。正轉通電順序為：AB→BC→CA→AB→…反轉通電順序為：AB→CA→BC→AB→…相位A（100）。正轉通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A→

21、…反轉通電順序為：A→CA→C→BC→B→AB→A→…</p><p>　　圖6 正反轉功能原理圖</p><p><b>　　輸出控制模塊的設計</b></p><p>　　輸出控制模塊圖7所示。采用7240三態(tài)傳輸門實現(xiàn)輸出端得控制，使用三態(tài)門的好處是輸出端可以直接相連，通過使能端選擇要通過的信號，比如三相六拍還是三相三拍。</p&

22、gt;<p>　　圖7 輸出控制模塊圖</p><p>　　3.3 步進電機工作原理的設計</p><p>　　若以三相六拍通電方式工作，當A相通電轉為A和B同時通電時，轉子的磁極將同時受到A相繞組產(chǎn)生的磁場和B相繞組產(chǎn)生的磁場的共同吸引，轉子的磁極只好停在A和B兩相磁極之間，這時它的步距角α等于30°。當由A和B兩相同時通電轉為B相通電時，轉子磁極再沿順時針旋

23、轉30°，與B相磁極對齊。其余依此類推。采用三相六拍通電方式，可使步距角α縮小一半。</p><p>　　圖8 步進電機工作原理圖</p><p>　　3.4主要元器件的選擇</p><p>　　1.74LS74集成塊2塊；</p><p>　　2.CC4085集成塊2塊；</p><p>　　3.CC40

24、106集成塊1塊；</p><p>　　4.CC4020集成塊1塊；</p><p><b>　　5.按鍵開關3個；</b></p><p>　　6.電阻560K3個；</p><p>　　7.發(fā)光二極管3個。</p><p>　　4 系統(tǒng)電路總圖及原理</p><p>

25、　　將設計的各個單元電路進行級聯(lián)，得到步進電機脈沖分配電路原理圖如圖16所示。</p><p>　　圖9 步進電機脈沖分配電路電路總圖</p><p>　　圖9中M為控制變量，當M=0時，電路按順時針轉；當M=1時，電路按逆時針轉。 </p><p>　　即當M為高電平時，發(fā)光二極管的亮燈順序為Q1-Q2-Q3,當M為低電平時亮燈的順序為Q3-Q2-Q1。圖中的滑

26、變電阻的改變可以可以控制步進電機的轉速，當滑變電阻越大時，發(fā)光二極管燈光閃爍就隨著變慢，當滑變電阻的電阻調(diào)小時，發(fā)光二極管的燈光閃爍跟著變快，這就實現(xiàn)了步進電機的脈沖功能。</p><p>　　按下啟動開始按鈕，步進機進行三相六拍工作方式，選擇正轉或反轉，擇代表Q1,Q2,Q3的三展LED燈按照正轉或反轉的順序輪流亮。</p><p><b>　　5 電路連接測試</b&

27、gt;</p><p>　　按圖9電路做成PCB板正面如圖10所示，反正面如圖11所示。經(jīng)通電測試各項指標均符合要求。</p><p>　　圖10 實驗電路板的正面圖</p><p>　　圖11 實驗電路板的背面圖</p><p>　　接通+5V電源，當開關打向高電平時，紅黃綠燈先后按順序循環(huán)點亮，實現(xiàn)了步進電機的正轉；當開關打向低電瓶時

28、，綠黃紅先后按順序循環(huán)點亮，實現(xiàn)了步進電機的反轉。電路完好，能實現(xiàn)要求的功能。</p><p><b>　　6 經(jīng)驗體會</b></p><p>　　通過這次對步進電機脈沖分配電路的設計作，讓我了解了電路設計的基本步驟，也讓我了解了關于數(shù)字鐘的原理與設計理念，要設計一個電路先進行軟件模擬仿真再進行實際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與仿真時完全一樣，因為，再實際接

29、線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無法成功的電路接法，在實際中因為芯片本身的特性而能夠成功。所以，在設計時應考慮兩者的差異，從中找出最適合的設計方法?？偟膩碚f，這次設計的步進電機控制電路還是比較成功的，在設計中遇到了很多問題，最后在自己的思考下，宿舍大家一起經(jīng)過激烈的探討下，終于游逆而解，有點小小的成就感，終于覺得平時所學的知識有了實用的價值，達到了理論與實際相結合的目的，不僅學到了不少知識，而且鍛煉了自己的能力，使自己對以后

30、的路有了更加清楚的認識，同時，對未來有了更多的信心。最后，對指導老師表示忠心的感謝，老師，你辛苦了！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]彭介華.電子技術課程設計指導[M].北京:高等教育出版社,2005.</p><p>　　[2]余孟嘗.數(shù)字電子技術基礎簡明教程（第三版）[M].北京:高等教育出版社,20

31、06.</p><p>　　[3]李慶常.電子技術課程設計[M].北京:理工大學出版社,1994.</p><p>　　[4]張大平.數(shù)字電子技術基礎(實驗指導). 2008.</p><p>　　[5]閻石.數(shù)字電子技術基礎(第五版) [M].北京:高等教育出版社,2006.</p><p>　　[6]邱寄帆,唐程山.數(shù)字電子技術學習指導[

32、M].北京:人民郵電出版社,2005. </p><p>　　[7]王衛(wèi)兵.Prote 99 SE基礎教程[M].北京:北京郵電大學出版社,2008.</p><p>　　[8]孫惠芹.電路設計PROTEL[M].天津:天津大學出版社,2008.</p><p>　　[9]張睿.Altium Designer6.0原理圖與PCB設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,20