數(shù)字邏輯課設報告--三相六拍步進電機控制器

1、 一、概述步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。若在其輸入端加入一個脈沖信號，該電機就會轉過一個步距角。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。三相六拍步進電動機是一典型單定子、徑向分組、反應式伺服電機。它與普通電機一樣，分為定子和轉子兩部分，在定子的6個磁極上分別繞有繞組，對稱的繞組形

2、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。三相六拍步進電機工作的正轉次序為AABBBCCCAA，反轉次序為AACCCBBBAA。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，三相六拍模式的步距角為15°。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。它是一個中間轉換環(huán)節(jié)，前面與時鐘脈沖電路相接，后面接驅動電路。三者組成了步進電機的控制器。環(huán)形脈沖分配器是本次課程設計的重點和難點。二、方案論證利用數(shù)字邏輯電路設計一個三相六拍步進電機控制器，可以

3、實現(xiàn)正轉、反轉、單步運行、停車等功能。 方案一：本方案由直流穩(wěn)壓電源電路提供電源；時鐘脈沖電路是555定時器芯片組成的多諧振蕩器；環(huán)形分配器部分由74LS191加減可逆計數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法組成6進制計數(shù)器，分別控制步進電機的正轉、反轉，再通過74LS138譯碼器和3個與非門電路實現(xiàn)六拍的組合邏輯函數(shù)，實現(xiàn)三相六拍步進電機的六拍循環(huán)。步進電機的單步運行功能的實現(xiàn)只需通過按動開關進行高低電平信號的轉換即可，停車功能只要停止脈沖就能實現(xiàn)。三相六拍步進電機控制器由直流穩(wěn)壓電源電路、時鐘脈沖電路、環(huán)形分配器、驅動電路組成，其原理框圖如圖1所示。圖1 方案一原理框圖步進電機必須加驅動才可以運轉，驅動

4、信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機停止，在輸入端加入一個脈沖信號，該步進電機就會轉過一個步距角。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉動的方向。該電路的時鐘脈沖電路給環(huán)形分配器提供輸入脈沖，環(huán)形分配器將輸入時鐘脈沖信號轉換成A、B、C三相繞組所需的順序控制信號，經驅動電路后，加到電機的三相繞組上，驅動三相六拍步進電機轉動。改變脈沖信號的輸入順序，就可以實現(xiàn)三相六拍步進電機的正轉和反轉。 方案二：本方案由555定時器芯片組成的施密特電路作為脈沖源；六拍循環(huán)電路部分由JK觸發(fā)器組成的可逆計數(shù)器和必要的門電路組成6進制計數(shù)器，再通過74LS138譯碼器和必要的門電路實現(xiàn)六拍的組合邏輯函數(shù)，就能實

5、現(xiàn)三相六拍步進電機的正轉、反轉；通過按動開關進行高低電平信號的轉換實現(xiàn)單步運行功能，停車功能的實現(xiàn)通過停止脈沖源提供脈沖即可。步進電機輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，就能改變步進電機的轉動方向。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。給電機加一個脈沖信號，電機就能轉過一個步距角。三相六拍步進電機控制器由直流穩(wěn)壓電源電路、脈沖源、單步運行電路、六拍循環(huán)電路、驅動電路組成，其原理框圖如圖2所示。圖2 方案二原理框圖脈沖源根據要求控制步進電機運轉，脈沖源給六拍循環(huán)電路提供輸入脈沖，JK觸發(fā)器組成的加減可逆計數(shù)器、74LS1

6、38譯碼器與非門電路構成六拍循環(huán)電路。JK觸發(fā)器是數(shù)字電路觸發(fā)器中的一種電路單元，具有置0、置1、保持和翻轉功能，利用JK觸發(fā)器的翻轉功能，計數(shù)器實現(xiàn)加法或減法計數(shù)，脈沖分配器的正反轉工作方式由JK觸發(fā)器的輸出端按其要求進行組合。本設計采用的是方案一，555構成的多諧振蕩電路作為脈沖源不需要外加信號，只要接通供電電源，就能自動產生矩形脈沖信號；74LS191做可逆計數(shù)器，電路比較簡單，性價比較高。三、電路設計1、直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源主要由三部分組成：電源變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。 該電路采用電源變壓器將220V，50Hz電網交流電壓u1變?yōu)檎麟娐匪璧慕涣麟妷簎2；由單相全波橋

7、式整流電路將變壓器次級交流電壓u2變?yōu)閱蜗虻闹绷麟妷簎3；由濾波電路濾除脈動電壓u3中的諧波分量，輸出比較平滑的直流電壓u4；由穩(wěn)壓電路C1抵消輸入線較長時產生的電感效應，防止電路自激振蕩；C2用于消除輸出電壓中的高頻噪聲。電路如圖3所示。圖3 直流穩(wěn)壓電源電路圖計算公式如下： 電源變壓器 u2=u1÷n=220÷10=22 V 整流濾波電路 u4=1.1×u2=22.4 V 穩(wěn)壓電路 uo=5 V 2、時鐘脈沖電路這里采用的是555定時器來作為時鐘脈沖電路，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)步進電機轉過一個步距角。555定時器是一種

8、集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，由555定時器構成的多諧振蕩器，組成信號產生電路。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4所示。圖4 時鐘脈沖電路圖圖4中R1=85k,R1=100k,C1=10nF,則電路的振蕩周期為 T=(R1+2×R2)×C1×ln2 T=1.995ms振蕩頻率為 f=1÷T f=501.2Hz 3、環(huán)形分配器電路這一部分是整個電路的關鍵所在，這里利用4個邏輯與非門和1個74LS191和1個74LS138來實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。對步進電機三個繞組的通電方式進行控

9、制，三相六拍步進電機的正轉順序：A-AB-B-BC-C-CA-A，反轉順序：A-AC-C-BC-B-AB-A，由此實現(xiàn)電機的步進。用74LS191可逆計數(shù)器和必要的門電路組成6進制計數(shù)器。74LS191本身有16個狀態(tài)，6進制則取其中的6個狀態(tài)。根據表1可知當M接低電平，74LS191實現(xiàn)加法計數(shù)，即步進電機正轉；反之，步進電機反轉。表1 74LS191功能表 譯碼器采用3線8線74LS138芯片，由表2可得邏輯關系為（設A相為X，B相為Y，C相為Z）：X(A,B,C,)=(Y0Y1Y5) Y(A,B,C,)=(Y1Y2Y3) Z(A,B,C,)=(Y3Y4Y5) 表2 74LS138譯碼器真

10、值表環(huán)形分配器電路圖如圖5所示圖5 環(huán)形分配器電路圖用74LS191可逆計數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法連接成6進制計數(shù)器，QB、QC接與非門接到置數(shù)端（LOAD），在MAX/MIN端接一個開關S1，控制加減法計數(shù)。當MAX/MIN接低電平時，實現(xiàn)加法計數(shù)，步進電機正轉；當MAX/MIN接高電平時，實現(xiàn)減法計數(shù)，步進電機反轉。由74LS191輸出的邏輯信號為QA、QB、QC，經74LS138和與非門譯碼后輸出A、B、C的六拍工作狀態(tài)。三相六拍步進電機正轉順序：A-AB-B-BC-C-CA-A，其邏輯表示為A=000，AB=001，B=010，BC=011，C=101，CA=101。根據邏輯表示用與非

11、門輸出A、B、C的相（設A的相為X,B的相為Y,C的相為Z，X(A,B,C,)=(Y0Y1Y5) ，Y(A,B,C,)=(Y1Y2Y3) ，Z(A,B,C,)=(Y3Y4Y5) ），接到驅動電路，控制三相六拍步進電機的轉動。4、單步運行電路單步運行觸發(fā)的原理跟連續(xù)運行觸發(fā)的通電方式相同。如圖6，在時鐘脈沖電路的輸出端設置一個單刀雙擲開關S2，用來實現(xiàn)連續(xù)運行以及單步運行的控制。圖中此時為連續(xù)運行方式，當S2開關切換至與按鈕開關J1相連時，為單步運行方式電路。單步運行電路的設計思想是：利用J1按鈕來控制高、低電平的切換。當按鈕按下時，輸出為高電平，當松開按鈕時，變?yōu)榈碗娖?。按下或松開按鈕J1即可

12、實現(xiàn)脈沖信號的產生，脈沖信號的頻率由按下按鈕的頻率決定。當S2打到與J1相連，J1處于低電平狀態(tài)時，三相六拍步進電機實現(xiàn)停車功能。單步運行電路圖如圖6所示。圖6 單步運行電路圖5、驅動電路驅動電路是主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路。驅動電路的基本任務，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。本設計用功率放大電路作為驅動電路，功率放大電路是放大電路的末級（即輸出級）輸出一定的功率，以驅動負載，能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路。功率放大電路圖如圖7所示。圖7 甲乙互補功率放大電路功放工作電

13、壓為Vcc=15V，飽和管壓降為|Uces|=3V,電機負載為R=8歐。則電機最大不失真電壓為：Uom=Vcc-|Uces|=12V,電流為I=Uom÷R=(Vcc-|Uces|)÷R= 1.5A ，功率為P=U×I=12×1.5=18W. 四、性能的測試1、直流穩(wěn)壓電源的測試將直流穩(wěn)壓電源輸出端接萬用表，如圖8所示。觀測其輸出值，由圖9知輸出直流為5.024V，理論值為5V，滿足設計要求。圖8 直流穩(wěn)壓電源的測試電路圖圖9 萬用表測試結果圖2、時鐘脈沖電路將時鐘脈沖電路輸出端接示波器，如圖10所示。觀測其輸出波形，由圖11知脈沖周期T=2ms，f=50

14、0Hz，理論值： T=1.995ms，f=501.2Hz，滿足設計要求。理論值 T=(R1+2×R2)×C1×ln2=1.995ms f=1÷T=501.2Hz 實驗值 由圖10得T=2ms f=1÷T=1÷0.002=500Hz圖10 脈沖源產生的測試電路圖圖11 示波器測試結果圖3、連續(xù)運行電路測試如圖12，將開關S2置換到連續(xù)運行狀態(tài) ,用邏輯分析儀測試信號輸出端的關系。圖12 連續(xù)運行的測試電路圖圖13 邏輯分析儀測試正轉結果圖 圖14 邏輯分析儀測試反轉結果圖如圖12中將S2接到連續(xù)運行狀態(tài)，S1接到低電平時，步進電機實現(xiàn)正

15、轉，測試結果如圖13所示；S1接到高電平時，步進電機實現(xiàn)反轉，測試結果如圖14所示。圖13和圖14中三個信號分別為A、B、C，由圖13可看出正轉順序：A-AB-B-BC-C-CA-A，圖14可看出反轉順序：A-AC-C-BC-B-AB-A，符合三相六拍步進電機的轉動規(guī)則，滿足連續(xù)運行狀態(tài)的電路設計要求。4、單步運行電路測試把單刀雙擲開關S2打到與J1相連，即單步運行狀態(tài)，輸出端接入三個小燈泡便于觀察信號的變化，每按動一次開關J1，輸出一個脈沖信號，三相六拍步進電機轉動一次。S1接低電平實現(xiàn)電機正轉，接高電平實現(xiàn)電機反轉。三相六拍步進電機正轉：A-AB-B-BC-C-CA-A，反轉：A-AC-C

16、-BC-B-AB-A。當S2打到與J1相連，J1處于低電平狀態(tài)時，三相六拍步進電機實現(xiàn)停車功能。測試如圖15所示。圖15 單步運行測試電路圖5、電路整體性能測試用直流穩(wěn)壓電源電路提供電源，使三相六拍步進電機控制器實現(xiàn)正轉、反轉、單步運行、停車功能。直流穩(wěn)壓電源提供5V的電壓給時鐘脈沖電路（555定時器組成的多諧振蕩器）、環(huán)形分配器（由74LS191加減可逆計數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法組成6進制計數(shù)器，再通過74LS138譯碼器和3個與非門電路實現(xiàn)六拍的組合邏輯函數(shù)），時鐘脈沖電路提供脈沖給環(huán)形分配器，實現(xiàn)三相六拍步進電機的正轉、反轉，用開關控制高低電瓶之間的轉換，實現(xiàn)單步運行和停車功能。測試圖如

17、圖16所示。圖16 整體性能測試電路圖五、結論本次課程設計實現(xiàn)了題目所要求的以下功能：三相六拍步進電機能實現(xiàn)正轉、反轉、單步運行、停車功能，從而實現(xiàn)了對三相六拍步進電機控制器的設計。在這過程中也遇到了一些問題，比如單步運行實現(xiàn)不了，但經過老師的幫助，得到了很好的解決。雖然沒有進行實物連接，但是通過仿真軟件對電路進行了嚴格的仿真，可以說達到了預期的目的。電路是由555構成的多諧振蕩電路作為脈沖源不需要外加信號，只要接通供電電源，就能自動產生矩形脈沖信號關鍵部分是環(huán)形分配電路；最關鍵部分是脈沖分配器，我利用4個邏輯與非門和1個74LS191和1個74LS138來實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配，通過開關進行控制單

18、步運行和停車。整個電路簡單可靠，操作方便，實用性高。通過兩周的課程設計，使我對數(shù)字電路有了進一步的了解，對各電路器件（如：555定時器、可逆計數(shù)器、譯碼器及與非門等）及原理有了更深一層次的認識，既增強了我對電路原理的理解能力,也使我能將所學的知識運用到實際當中去，而且加強了我的動手、思考和解決問題的能力。六、性價比本次課程設計用的芯片和電阻電容都是用了一些在平時做實驗中用過的，555定時器芯片組成的多諧振蕩器、與非門、可逆計數(shù)器74LS191、譯碼器74LS138及電壓源等。電路中所用的器件都是易于購買且價格便宜，在能夠完成相應要求的情況下較其他元件相比性價比較高,有很強的實用性。七、課設體會

19、及合理化建議這次做課程設計的過程中，感覺自己的收獲不少。通過這次課程設計使我對以前學過的模電、數(shù)電等知識又重新的復習了一遍，又學到了很多相關知識，掌握了可逆計數(shù)器74LS191、譯碼器74LS138、555定時器及一些門電路的內部結構及工作原理，并且對Multisim軟件有了比較深入的學習和了解，對于我以后的學習和實踐有很大的指導意義。剛開始做這個課程設計的時候我對這個題目的了解不是很詳細，通過查閱書籍收集了一些資料，我知道了步進電機的工作原理，也了解了三相六拍的含義。確定了最初的設計方案，在實際設計過程中，也遇到了許多的問題，比如單步運行實現(xiàn)不了，但是通過查閱資料及老師的幫助后一一解決了，最

20、終的結果基本上可以完成題目的要求。我在整個設計過程中，通過對各個元件（555定時器、74LS191、74LS138芯片等）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，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，我了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。在對陌生各種元件使用時，我們才了解到我們現(xiàn)在的知識水平還很有限，需要我們自己拓展，要多看一些關于其他類型的不同的見解。這次課程

21、設計使我真的了解并學到了許多自己在理論課上學不到的東西，將我在課堂上學到的東西應用到實際當中，使自己對相關的知識學習的更加透徹，也從中明白了實踐的重要性，明白光學習理論知識是不夠的，我們還要與實際聯(lián)系起來才能對知識有更好的了解。在實際設計過程中，我還意識到了還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學習和實驗中多加練習。在理論和實驗教學基礎上進一步鞏固已學基本理論及應用知識并加以綜合提高，學會將知識應用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。在此，忠心感謝曹老師給我的教導和幫助，忠心感謝學校給我們提供這次機會。讓我能夠更好的更系統(tǒng)的學習數(shù)字電路和模擬電路這些課程，能夠更好的理解電子設計的相關知識。加強了動手、思考和解決問題的能力。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。參考文獻1 閻石主編. 數(shù)字電子技術基礎. M北京：高等教育出版社