三相六拍步進電機課程設計報告

1、<p><b>　　數(shù)字電子技術課程</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p><p><b>　　報</b></p><p><b>　　告</b></p>

2、<p>　　學院： 物理與信息工程 </p><p>　　班級： B11072011（自動化一)</p><p>　　學號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p>

3、<p>　　設計時間： 2013.6.3--6.14 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　步進電機相關知識介紹…………………………………………………3</p><p>　　方案設計…………………………………………………………………………3</p><p>　　1.電路要求

4、設計…………………………………………………………3</p><p>　　2.電路所用實驗儀器……………………………………………………………3</p><p>　　二、總體設計原理及框圖……………………………………………………4</p><p>　　三、步進電機原理…………………………………………………………………5</p><p>　　1.步

5、進電動機………………………………………………………………………5 </p><p>　　2.三相六狀態(tài)步進電機工作原理………………………………………………5</p><p>　　四、各分框圖中電路設計及計算…………………………………………6</p><p>　　1.時鐘脈沖電路的設計…………………………………………………………6</p><

6、;p>　　2.整形電路的設計…………………………………………………………………7</p><p>　　3.三相六拍環(huán)形分配器的設計…………………………………………………8</p><p>　　4.手動控制電路……………………………………………………………………9</p><p>　　5.功率放大電路設計………………………………………………………………9<

7、/p><p>　　五、元件表……………………………………………………………………………10</p><p>　　六、收獲體會………………………………………………………………………11</p><p>　　步進電機相關知識介紹</p><p>　　步進電機是一種數(shù)字信號控制的傳動機構，若在其輸入端加入一個脈沖信號，該電動機就會轉動一個角度或移動一定

8、距離。步進電機由轉子和定子兩部分組成。在定子的6個磁極上分別繞有繞組，對稱的繞組形成一相繞組，三相電機有A、B、C三相繞組。每給一相繞組通電一次稱為一拍。三相六拍步進電機的工作的次序為A—AB—B—BC—C—CA—A。步進電機每步旋轉的角度大小，稱為步距角。它是由電動機本身轉子的齒數(shù)和每一個通電循環(huán)內通電節(jié)拍決定的。本次課程設計采用轉子為4個齒的步進電機，三相六拍模式的步距角為15°。</p><p>

9、　　脈沖信號按規(guī)定的方式分配給步進電機各相繞組，使各相繞組輪流接受脈沖信號的控制，通常是由環(huán)形分配器來實現(xiàn)的。實現(xiàn)這種分配方式的電路稱為環(huán)形分配器。它是一個中間轉換環(huán)節(jié)，前面與脈沖振蕩器相接，后面接功率驅動器。三者組成了步進電機的驅動電路。環(huán)形脈沖分配器的設計是驅動電路設計的第一步，也就是本次課程設計的重點和難點。</p><p>　　環(huán)形分配器目前逐步走向集成電路化，各種相數(shù)的步進電機環(huán)形分配器的集成塊市場已有

10、出售，但采用各種門電路和常用芯片組成的環(huán)形分配器仍普遍應用。此次課程設計要求運用數(shù)字電路設計一個三相六拍步進電機控制器，其意義便在于此。</p><p><b>　　方案設計</b></p><p><b>　　電路設計要求</b></p><p>　　對三相六拍步進電機的控制，主要分為兩個方面：三相繞組的接通與斷開順序控

11、制。即：</p><p>　　正轉順序：A-AB-B-BC-C-CA-A：反轉順序：A-AC-C-CB-B-BA-A</p><p>　　以及每個步距角的行進速度。圍繞這兩個主要方面，可提出具體的控制要求如下：</p><p>　　（1）可正轉起動或反轉起動；</p><p>　　（2）運行過程中，點擊能夠正轉、反轉、保持；</p>

12、;<p>　?。?）可使用手動使時鐘頻率f=1~50Hz，連續(xù)可調。</p><p>　　2.電路用到的實驗儀器</p><p>　　74LS00*3（與非門）</p><p>　　74LS74*2（D觸發(fā)器）</p><p>　　74LS04 *1(非門) </p><p><b>　　LED

13、燈*3 </b></p><p>　　+5V 電源導線若干時鐘頻率發(fā)生器</p><p><b>　　總體設計原理及框圖</b></p><p>　　通常來說，步進電機驅動器所要實現(xiàn)的功能簡單來說就是控制電機的轉動方向和轉速。步進電動機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行元件。當步進電動機驅動器接收到一個脈沖信號（來自控制器），它就驅動

14、步進電動機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。依據(jù)本次設計的具體要求，步進電機驅動電路整體框圖如圖。</p><p><b>　　步進電機原理</b></p><p><b>　　步進電動機　　</b></p><p>　　一般電動機都是連續(xù)旋轉，而步進電動卻是一步一步

15、轉動的，故叫步進電動機。每輸入一個脈沖信號，該電動機就轉過一定的角度（有的步進電動機可以直接輸出線位移，稱為直線電動機）。因此步進電動機是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。 </p><p>　　步進電動機的轉子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉子就前進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機。&l

16、t;/p><p>　　三相六狀態(tài)步進電機工作原理 </p><p>　　設A相首先通電，轉子齒與定子A、A′對齊（圖2.a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時定子B、B′極對轉子齒2、4產生磁拉力，使轉子順時針方向轉動，但是A、A′極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉子將轉到兩個磁拉力平衡為止。這時轉子的位置如圖(2.b)所示，即轉子從圖(a)位置順時針轉過了15°。接著A相斷電，B

17、相繼續(xù)通電。這時轉子齒2、4和定子B、B′極對齊（圖2.c），轉子從圖(2.b)的位置又轉過了15°。其位置如圖3d所示。這樣，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A?的順序輪流通電，則轉子便順時針方向一步一步地轉動，步距角15°。電流換接六次，磁場旋轉一周，轉子前進了一個齒距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A?的順序通電，則電機轉子逆時針方向轉動。</p><p>　　圖

18、 2 步進電機通電方式及原理圖</p><p>　　各分框圖中電路設計及計算</p><p><b>　　時鐘脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　這里采用的是555定時器來作為脈沖發(fā)生器，產生一系列頻率可調的方波脈沖，每當一個脈沖的上升沿到來時即可觸發(fā)步進電機轉動一定角度。555定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應用極為廣泛

19、。它不僅用于信號的產生和變換，還常用于控制與檢測電路中。其內部電路由分壓器、電壓比較器、SR鎖存器、放電三極管以及緩沖器組成，外部引出8個端口，分別是8號引腳電源端，4號引腳復位端，3號引腳輸出端，1號引腳接地端，7號引腳放電端，2號引腳觸發(fā)輸入端，6號引腳閥值輸入端和5號引腳控制電壓端。電路實現(xiàn)的原理是，通過對電容的充放電來得到一系列脈沖，改變充電或放電的時間即可改變脈沖的頻率。具體設計電路如圖3所示。</p><

20、p>　　圖 3 脈沖產生電路</p><p>　　圖4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,則 </p><p><b>　　電路的振蕩周期為 </b></p><p>　　T=(R 1+R 2)C 1ln3 </p><p>　　T=0.24ms 振蕩頻率為 </p><p>

21、;<b>　　f=1/T </b></p><p><b>　　f=4.1KHz</b></p><p><b>　　整流電路</b></p><p>　　采用555定時器構成的斯密特觸發(fā)器作為整形電路。</p><p><b>　　3.環(huán)形脈沖分配器</b

22、></p><p>　　步進電動機的脈沖分配可以由硬件和軟件兩種方法來實現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器需要根據(jù)步進電動機的相數(shù)和要求的通電方式而設計專門的電路，圖5所示為一個三相六拍的環(huán)形分配器。</p><p>　　分配器的主體是三個J-K觸發(fā)器。三個J-K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放線與步進電動機A、B、C三相繞組連接。當QA＝1時，A相繞組通電；QB＝1時，B相繞組通電；QC＝1時，C

23、相繞組通電。DR+和DR-是步進電動機的正反轉控制信號。</p><p>　　正轉時，各相通電順序：A－AB－B－BC－C－CA </p><p>　　反轉時，各相通電順序：A－AC－C－CB－B－BA </p><p>　　環(huán)形分配器輸出的三路信號A、B、C分別經(jīng)過脈沖放大器放大后驅動步進電</p><p><b>　　機的三相繞

24、組。</b></p><p>　　圖5所示為的三相六拍環(huán)形分配器邏輯真值表如表5.1所示。</p><p><b>　　手動控制電路</b></p><p>　　在脈沖源輸出端接入一個單刀雙擲開關，控制兩種狀態(tài)的轉換。點動控制由按動開關實現(xiàn)，</p><p>　　開關兩端分別接入高電平和低電平，觸動開關使其在

25、高低電平之間轉換便實現(xiàn)了點動控制。電路如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 點動控制</b></p><p><b>　　功率放大電路</b></p><p>　　該部分電路的唯一功能就是對前級電路的輸出端的電流放大，從而足夠驅動步進電機。該部分電路圖如圖所示。</p><p>　　由于

26、脈沖分配器輸出端輸出電流很小，而步進電動機的驅動電流較大。為了滿足驅動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅動步進電機。圖中使用三級晶體管放大，經(jīng)A相、B相、C相三極管放大，在通過電機電源和電機線圈放大電流，由穩(wěn)壓管進行限流，大小隨配電機不同而異。</p><p>　　由于電機各相繞組部是繞在鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時，電流上升率受到限制。因而影響電機繞組電流的大小。繞組斷電

27、時，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時會產生反電動勢。</p><p>　　至此，時鐘脈沖電路，環(huán)形脈沖分配電路，功率放大電路三大主要單元電路都已設計完成。</p><p><b>　　元件表</b></p><p><b>　　收獲體會</b></p><p>　　通

28、過這次課程設計，我加強了動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，通過對各個元件的比較和認識，找到了簡單、正確的方法。對電路條件的限制，要求能更深次地理解各種器件的原理及使用規(guī)則，對具體的情況做到正確的判斷，提高了我們對書本知識的掌握，也把我從理論水平提高到實踐水平。做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我了解了