數(shù)字邏輯課設(shè)報告--三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器

1、 一、概述步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)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(jī)就會轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。三相六拍步進(jìn)電動機(jī)是一典型單定子、徑向分組、反應(yīng)式伺服電機(jī)。它與普通電機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)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(jī)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(jìn)電機(jī)工作的正轉(zhuǎn)次序?yàn)锳ABBBCCCAA，反轉(zhuǎn)次序?yàn)锳ACCCBBBAA。步進(jìn)電機(jī)每步旋轉(zhuǎn)的角度大小，稱為步距角。它是由電動機(jī)本身轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和每一個通電循環(huán)內(nèi)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(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)的。它是一個中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，前面與時鐘脈沖電路相接，后面接驅(qū)動電路。三者組成了步進(jìn)電機(jī)的控制器。環(huán)形脈沖分配器是本次課程設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。二、方案論證利用數(shù)字邏輯電路設(shè)計一個三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器，可以

3、實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單步運(yùn)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(jìn)制計數(shù)器，分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，再通過74LS138譯碼器和3個與非門電路實(shí)現(xiàn)六拍的組合邏輯函數(shù)，實(shí)現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的六拍循環(huán)。步進(jìn)電機(jī)的單步運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)只需通過按動開關(guān)進(jìn)行高低電平信號的轉(zhuǎn)換即可，停車功能只要停止脈沖就能實(shí)現(xiàn)。三相六拍步進(jìn)電機(jī)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(qū)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(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動

4、信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進(jìn)電機(jī)停止，在輸入端加入一個脈沖信號，該步進(jìn)電機(jī)就會轉(zhuǎn)過一個步距角。改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成A、B、C三相繞組所需的順序控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后，加到電機(jī)的三相繞組上，驅(qū)動三相六拍步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。改變脈沖信號的輸入順序，就可以實(shí)現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 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(jìn)制計數(shù)器，再通過74LS138譯碼器和必要的門電路實(shí)現(xiàn)六拍的組合邏輯函數(shù)，就能實(shí)

5、現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)；通過按動開關(guān)進(jìn)行高低電平信號的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行功能，停車功能的實(shí)現(xiàn)通過停止脈沖源提供脈沖即可。步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，就能改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)就能轉(zhuǎn)過一個步距角。三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器由直流穩(wěn)壓電源電路、脈沖源、單步運(yùn)行電路、六拍循環(huán)電路、驅(qū)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(jù)要求控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(gòu)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(zhuǎn)功能，利用JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能，計數(shù)器實(shí)現(xiàn)加法或減法計數(shù)，脈沖分配器的正反轉(zhuǎn)工作方式由JK觸發(fā)器的輸出端按其要求進(jìn)行組合。本設(shè)計采用的是方案一，555構(gòu)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(chǎn)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(shè)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(wǎng)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(chǎn)生的電感效應(yīng)，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(chǎn)生一系列頻率可調(diào)的方波脈沖，每當(dāng)一個脈沖的上升沿到來時即可觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)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(gòu)成的多諧振蕩器，組成信號產(chǎn)生電路。電路實(shí)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(shè)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(guān)鍵所在，這里利用4個邏輯與非門和1個74LS191和1個74LS138來實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。對步進(jìn)電機(jī)三個繞組的通電方式進(jìn)行控

9、制，三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)順序：A-AB-B-BC-C-CA-A，反轉(zhuǎn)順序：A-AC-C-BC-B-AB-A，由此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的步進(jìn)。用74LS191可逆計數(shù)器和必要的門電路組成6進(jìn)制計數(shù)器。74LS191本身有16個狀態(tài)，6進(jìn)制則取其中的6個狀態(tài)。根據(jù)表1可知當(dāng)M接低電平，74LS191實(shí)現(xiàn)加法計數(shù)，即步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。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(guān)系為（設(shè)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(jìn)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(guān)S1，控制加減法計數(shù)。當(dāng)MAX/MIN接低電平時，實(shí)現(xiàn)加法計數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)MAX/MIN接高電平時，實(shí)現(xiàn)減法計數(shù)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。由74LS191輸出的邏輯信號為QA、QB、QC，經(jīng)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(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)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(jù)邏輯表示用與非

11、門輸出A、B、C的相（設(shè)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(qū)動電路，控制三相六拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。4、單步運(yùn)行電路單步運(yùn)行觸發(fā)的原理跟連續(xù)運(yùn)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(shè)置一個單刀雙擲開關(guān)S2，用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行以及單步運(yùn)行的控制。圖中此時為連續(xù)運(yùn)行方式，當(dāng)S2開關(guān)切換至與按鈕開關(guān)J1相連時，為單步運(yùn)行方式電路。單步運(yùn)行電路的設(shè)計思想是：利用J1按鈕來控制高、低電平的切換。當(dāng)按鈕按下時，輸出為高電平，當(dāng)松開按鈕時，變?yōu)榈碗娖?。按下或松開按鈕J1即可

12、實(shí)現(xiàn)脈沖信號的產(chǎn)生，脈沖信號的頻率由按下按鈕的頻率決定。當(dāng)S2打到與J1相連，J1處于低電平狀態(tài)時，三相六拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)停車功能。單步運(yùn)行電路圖如圖6所示。圖6 單步運(yùn)行電路圖5、驅(qū)動電路驅(qū)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(jìn)行放大的中間電路。驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)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(guān)斷的信號。本設(shè)計用功率放大電路作為驅(qū)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(qū)動負(fù)載，能夠向負(fù)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(bǔ)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(jī)負(fù)載為R=8歐。則電機(jī)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(shè)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(jié)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(shè)計要求。理論值 T=(R1+2×R2)×C1×ln2=1.995ms f=1÷T=501.2Hz 實(shí)驗(yàn)值 由圖10得T=2ms f=1÷T=1÷0.002=500Hz圖10 脈沖源產(chǎn)生的測試電路圖圖11 示波器測試結(jié)果圖3、連續(xù)運(yùn)行電路測試如圖12，將開關(guān)S2置換到連續(xù)運(yùn)行狀態(tài) ,用邏輯分析儀測試信號輸出端的關(guān)系。圖12 連續(xù)運(yùn)行的測試電路圖圖13 邏輯分析儀測試正轉(zhuǎn)結(jié)果圖 圖14 邏輯分析儀測試反轉(zhuǎn)結(jié)果圖如圖12中將S2接到連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，S1接到低電平時，步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正

15、轉(zhuǎn)，測試結(jié)果如圖13所示；S1接到高電平時，步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，測試結(jié)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(zhuǎn)順序：A-AB-B-BC-C-CA-A，圖14可看出反轉(zhuǎn)順序：A-AC-C-BC-B-AB-A，符合三相六拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動規(guī)則，滿足連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的電路設(shè)計要求。4、單步運(yùn)行電路測試把單刀雙擲開關(guān)S2打到與J1相連，即單步運(yùn)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(guān)J1，輸出一個脈沖信號，三相六拍步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一次。S1接低電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，接高電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。三相六拍步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)：A-AB-B-BC-C-CA-A，反轉(zhuǎn)：A-AC-C

16、-BC-B-AB-A。當(dāng)S2打到與J1相連，J1處于低電平狀態(tài)時，三相六拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)停車功能。測試如圖15所示。圖15 單步運(yùn)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(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單步運(yùn)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(jìn)制計數(shù)器，再通過74LS138譯碼器和3個與非門電路實(shí)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(shí)現(xiàn)三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，用開關(guān)控制高低電瓶之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)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(jié)論本次課程設(shè)計實(shí)現(xiàn)了題目所要求的以下功能：三相六拍步進(jìn)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單步運(yùn)行、停車功能，從而實(shí)現(xiàn)了對三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計。在這過程中也遇到了一些問題，比如單步運(yùn)行實(shí)現(xiàn)不了，但經(jīng)過老師的幫助，得到了很好的解決。雖然沒有進(jìn)行實(shí)物連接，但是通過仿真軟件對電路進(jìn)行了嚴(yán)格的仿真，可以說達(dá)到了預(yù)期的目的。電路是由555構(gòu)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(chǎn)生矩形脈沖信號關(guān)鍵部分是環(huán)形分配電路；最關(guān)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(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配，通過開關(guān)進(jìn)行控制單

18、步運(yùn)行和停車。整個電路簡單可靠，操作方便，實(shí)用性高。通過兩周的課程設(shè)計，使我對數(shù)字電路有了進(jìn)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(rèn)識，既增強(qiáng)了我對電路原理的理解能力,也使我能將所學(xué)的知識運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且加強(qiáng)了我的動手、思考和解決問題的能力。六、性價比本次課程設(shè)計用的芯片和電阻電容都是用了一些在平時做實(shí)驗(yàn)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(yīng)要求的情況下較其他元件相比性價比較高,有很強(qiáng)的實(shí)用性。七、課設(shè)體會

19、及合理化建議這次做課程設(shè)計的過程中，感覺自己的收獲不少。通過這次課程設(shè)計使我對以前學(xué)過的模電、數(shù)電等知識又重新的復(fù)習(xí)了一遍，又學(xué)到了很多相關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并且對Multisim軟件有了比較深入的學(xué)習(xí)和了解，對于我以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有很大的指導(dǎo)意義。剛開始做這個課程設(shè)計的時候我對這個題目的了解不是很詳細(xì)，通過查閱書籍收集了一些資料，我知道了步進(jìn)電機(jī)的工作原理，也了解了三相六拍的含義。確定了最初的設(shè)計方案，在實(shí)際設(shè)計過程中，也遇到了許多的問題，比如單步運(yùn)行實(shí)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(jié)果基本上可以完成題目的要求。我在整個設(shè)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(rèn)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(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)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(rèn)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(guān)于其他類型的不同的見解。這次課程

21、設(shè)計使我真的了解并學(xué)到了許多自己在理論課上學(xué)不到的東西，將我在課堂上學(xué)到的東西應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，使自己對相關(guān)的知識學(xué)習(xí)的更加透徹，也從中明白了實(shí)踐的重要性，明白光學(xué)習(xí)理論知識是不夠的，我們還要與實(shí)際聯(lián)系起來才能對知識有更好的了解。在實(shí)際設(shè)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(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中多加練習(xí)。在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學(xué)會將知識應(yīng)用于實(shí)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(dǎo)和幫助，忠心感謝學(xué)校給我們提供這次機(jī)會。讓我能夠更好的更系統(tǒng)的學(xué)習(xí)數(shù)字電路和模擬電路這些課程，能夠更好的理解電子設(shè)計的相關(guān)知識。加強(qiáng)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(shí)踐水平。參考文獻(xiàn)1 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社