步進(jìn)電機(jī)控制課程設(shè)計--步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路的設(shè)計

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

2、;<p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　指導(dǎo)教師單位 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名 </p><p>　　指

3、導(dǎo)教師職稱 副教授 </p><p><b>　　2013年6月</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路的設(shè)計</p><p>　　摘要 ：根據(jù)設(shè)計的指標(biāo)和要求，結(jié)合平時所學(xué)的理論知識，設(shè)計一個能自啟動的具有正反轉(zhuǎn)功能的三相六拍步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞

4、 ：電路，脈沖分配，步進(jìn)電機(jī)，正反轉(zhuǎn)</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　前言 ………………………………………………………………………………………1</p><p>　　1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)與要求 …………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo) …

5、…………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 設(shè)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(qū)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(shè)計和元器件的選擇 …

7、…………………………………………………4</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)三相六拍和正反轉(zhuǎn)功能…………………………………………5</p><p>　　3.2 輸出控制模塊的設(shè)計……………………………………………………………5</p><p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理的設(shè)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(xiàn) …………………………………………………………………………………9</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動機(jī)。這種電動機(jī)每當(dāng)輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)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(jìn)電動機(jī)的步距和速度不受電壓波動、環(huán)境溫度和負(fù)載變化的影響，而僅與脈沖頻率有關(guān)。改變脈沖頻率就能在很大范圍內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。因此步進(jìn)電動機(jī)用于開環(huán)數(shù)字控制，可大大簡化控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)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(jī)、帶讀出器、計數(shù)器、繪圖機(jī)、數(shù)控機(jī)床、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位平臺和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。步進(jìn)電動機(jī)種類繁

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

12、;b>　　1.2 設(shè)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(shè)計報告 寫出設(shè)計的全過程，附上有關(guān)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(jìn)電動機(jī)驅(qū)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(jìn)電機(jī)脈沖分配的方框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配方案框圖</p><p>　　2.2 電路狀態(tài)驅(qū)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(yīng)讓電路無效狀態(tài)的次態(tài)能進(jìn)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(qū)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(guān)。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(yù)置和清零端，低電平有效。當(dāng)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(dāng)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(shè)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(dāng)CP由0變1時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(shè)計與元器件選擇</p

20、><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)三相六拍和正反轉(zhuǎn)功能</p><p>　　該部分實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)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(dāng)復(fù)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(zhuǎn)通電順序為：AB→BC→CA→AB→…反轉(zhuǎn)通電順序為：AB→CA→BC→AB→…相位A（100）。正轉(zhuǎn)通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A→

21、…反轉(zhuǎn)通電順序為：A→CA→C→BC→B→AB→A→…</p><p>　　圖6 正反轉(zhuǎn)功能原理圖</p><p><b>　　輸出控制模塊的設(shè)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(jìn)電機(jī)工作原理的設(shè)計</p><p>　　若以三相六拍通電方式工作，當(dāng)A相通電轉(zhuǎn)為A和B同時通電時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)由A和B兩相同時通電轉(zhuǎn)為B相通電時，轉(zhuǎn)子磁極再沿順時針旋

23、轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)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(guān)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(shè)計的各個單元電路進(jìn)行級聯(lián)，得到步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路原理圖如圖16所示。</p><p>　　圖9 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路電路總圖</p><p>　　圖9中M為控制變量，當(dāng)M=0時，電路按順時針轉(zhuǎn)；當(dāng)M=1時，電路按逆時針轉(zhuǎn)。 </p><p>　　即當(dāng)M為高電平時，發(fā)光二極管的亮燈順序為Q1-Q2-Q3,當(dāng)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)滑變電阻越大時，發(fā)光二極管燈光閃爍就隨著變慢，當(dāng)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(jìn)電機(jī)的脈沖功能。</p><p>　　按下啟動開始按鈕，步進(jìn)機(jī)進(jìn)行三相六拍工作方式，選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，擇代表Q1,Q2,Q3的三展LED燈按照正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)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(biāo)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(dāng)開關(guān)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(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；當(dāng)開關(guān)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(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。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(jìn)電機(jī)脈沖分配電路的設(shè)計作，讓我了解了電路設(shè)計的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字鐘的原理與設(shè)計理念，要設(shè)計一個電路先進(jìn)行軟件模擬仿真再進(jìn)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(shè)計時應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計方法?？偟膩碚f，這次設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)控制電路還是比較成功的，在設(shè)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(xué)的知識有了實用的價值，達(dá)到了理論與實際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)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(rèn)識，同時，對未來有了更多的信心。最后，對指導(dǎo)老師表示忠心的感謝，老師，你辛苦了！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2005.</p><p>　　[2]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)課程設(shè)計[M].北京:理工大學(xué)出版社,1994.</p><p>　　[4]張大平.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(實驗指導(dǎo)). 2008.</p><p>　　[5]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(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(shù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[

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