步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制電路,南昌航空大學(xué)

1、 數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2012 2013 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 6 周 7 周 題目步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制電路內(nèi)容及要求：基本要求：采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸入的脈沖旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的圈數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位、正反轉(zhuǎn)控制。實(shí)際試驗(yàn)由可以使用4個(gè)LED代替4個(gè)線圈。提高要求：顯示輸入的脈沖數(shù)目，從而顯示轉(zhuǎn)速。進(jìn)度安排：1. 布置任務(wù)、查閱資料、選擇方案，領(lǐng)儀器設(shè)備： 3天； 2. 領(lǐng)元器件、制作、焊接：3天；3調(diào)試： 3.5天；4. 驗(yàn)收：0.5天；學(xué)生姓名:指導(dǎo)時(shí)間：指導(dǎo)地點(diǎn)：任務(wù)下達(dá)2012年10月8日任務(wù)完成2012年10月17日考核方式1.評(píng)閱 2.答辯 3.實(shí)際操作

2、4.其它指導(dǎo)教師系（部）主任摘要步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁式機(jī)械裝置，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件。本次設(shè)計(jì)采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制電路，用四個(gè)LED燈來(lái)代替步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈，采用74LS190計(jì)其脈沖的個(gè)數(shù)，再經(jīng)過(guò)74LS138譯碼器譯碼后來(lái)控制4個(gè)LED的工作。由開(kāi)關(guān)控制74LS190的加、減計(jì)數(shù)和清零來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)LED的正反轉(zhuǎn)和復(fù)位。另外由另一個(gè)555控制一個(gè)74LS161的工作使計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，并由數(shù)碼管顯示。從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。關(guān)鍵字：角位移、脈沖、譯碼器、轉(zhuǎn)速目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求41.1 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)

3、計(jì)任務(wù)41.2 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求4第二章 控制電路的原理分析與設(shè)計(jì)52.1 控制電路原理分析52.2 控制電路的設(shè)計(jì)62.3 方案比較與選擇8第三章 單元電路設(shè)計(jì)93.1 多諧振蕩電路93.2 步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)控制電路103.3 轉(zhuǎn)速的測(cè)量與顯示電路12第四章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析154.1 電路板的排版與制作154.2 電路的調(diào)試及遇到的問(wèn)題15第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論16第六章 心得與體會(huì)17參考文獻(xiàn)18 附錄 元器件清單19附錄 總原理圖20第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1、步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)任務(wù)本課題要求采用數(shù)字電路的相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制電路，該電路可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，本次設(shè)

4、計(jì)使用四個(gè)LED燈來(lái)代替步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈。1.2、步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)要求1、基本要求：采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單控制，能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)根據(jù)輸入的脈沖旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的圈數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位、正反轉(zhuǎn)控制。2、提高要求：利用數(shù)碼管顯示輸入的脈沖數(shù)目，從而顯示轉(zhuǎn)速，利用控制電路可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)碼管的復(fù)位。第二章 控制電路原理分析與設(shè)計(jì)2.1、控制電路原理分析步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）。您可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

5、的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。常見(jiàn)的有四相步進(jìn)電機(jī)，示意圖如圖2.1所示圖2.1四相步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)SB接通電源，Sa、Sc、Sd斷開(kāi)，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開(kāi)關(guān)Sc接通電源，Sb、Sa、Sd斷開(kāi)時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。本次課程設(shè)計(jì)用四個(gè)LED燈來(lái)

6、代表步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)線圈。脈沖信號(hào)信號(hào)分配功率放大步進(jìn)電機(jī)負(fù)載設(shè)計(jì)原理框圖如圖2.2所示圖2.2原理框圖脈沖信號(hào)一般是由單片機(jī)或CPU產(chǎn)生的，本次設(shè)計(jì)是采用NE555組成的多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，一般脈沖信號(hào)的占空比為0.3至0.4左右，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。信號(hào)分配又叫脈沖分配器，其作用是產(chǎn)生多路順序脈沖信號(hào)，它可以由計(jì)數(shù)器和譯碼器組成，也可以由環(huán)形計(jì)數(shù)器構(gòu)成，本次設(shè)計(jì)是采用計(jì)數(shù)器和譯碼器組成的。功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的部分。步進(jìn)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。2.2控制電路

7、的設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)有三種方法如下：方案一、設(shè)計(jì)了一種由NE555和74LS74芯片組成的三相步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用弱電電路來(lái)控制強(qiáng)電電路,利用NE555的數(shù)字脈寬振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖,通過(guò)二片74LS74中的三個(gè)D觸發(fā)器,去控制驅(qū)動(dòng)電路中的三個(gè)電磁繼電器,驅(qū)動(dòng)三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度由脈沖信號(hào)的寬度來(lái)控制。改變相線通電順序可改變定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向,從而達(dá)到控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)方向控制。電路設(shè)計(jì)如圖2.3所示圖2.3 74LS74芯片組成的電路方案二、采用74LS190計(jì)其脈沖的個(gè)數(shù)，再經(jīng)過(guò)74LS138譯碼器分頻后來(lái)控制4個(gè)LED的工作。由開(kāi)關(guān)控制74LS190的加、減

8、計(jì)數(shù)和清零來(lái)實(shí)現(xiàn)4個(gè)LED的正反轉(zhuǎn)和復(fù)位。另外由另一個(gè)555控制一個(gè)74LS161的工作使計(jì)數(shù)器在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，并由數(shù)碼管顯示。從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。如圖2.4所示。圖2.4 74LS190組成的電路方案三、采用單片機(jī)51單片機(jī)組成控制電路系統(tǒng)，如圖2.5所示圖2.5 51單片機(jī)組成的電路2.3方案比較與選擇方案一：電路只采用74LS74和NE555相對(duì)簡(jiǎn)單，所用到的芯片也較少，能達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，但是該電路不能進(jìn)行復(fù)位，也不能顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。方案二：電路采用74LS190計(jì)其脈沖的個(gè)數(shù)，經(jīng)過(guò)74LS138譯碼器譯碼后分頻來(lái)控制四個(gè)LED的工作，并有數(shù)碼顯示功能從而顯示步進(jìn)電

9、機(jī)的轉(zhuǎn)速。雖電路復(fù)雜，但是能達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并能顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且系統(tǒng)穩(wěn)定。方案三：系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，操作簡(jiǎn)單易于掌握。但是本次是數(shù)字電路課設(shè)且采用單片機(jī)造價(jià)成本較高。所以綜合考慮，選擇方案二比較好。第三章 單元電路設(shè)計(jì)與分析3.1 多諧振蕩電路多諧振蕩電路是由NE555定時(shí)器構(gòu)成，產(chǎn)生的連續(xù)脈沖用來(lái)控制74LS190加減計(jì)數(shù)器的脈沖端。NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路圖及波形圖如圖3.1所示。圖3.1 NE555多諧振蕩電路與波形圖如圖3.1a圖所示電路由采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1可以改變時(shí)間常數(shù)，從而改變連續(xù)脈沖的

10、周期和脈寬。工作原理：由圖3.1 b圖所示當(dāng)電容C兩端的電壓略小于 ，Uo輸出高電平，電源通過(guò)R1、R2給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行Uc逐漸增高，但只要，輸出電壓Uo就一直保持高電平不變。當(dāng)電容C上的電壓Uc略超過(guò)時(shí)輸出電壓Uo從原來(lái)的高電平轉(zhuǎn)到低電平。此時(shí)電容C通過(guò)R2放電，隨著電容C放電，Uc下降。振蕩周期T的計(jì)算公式：2.1脈沖寬度計(jì)算公式：2.23.2 步進(jìn)電機(jī)信號(hào)控制電路此控制電路主要由74LS190十進(jìn)制同步加減計(jì)數(shù)器和74LS138來(lái)設(shè)計(jì)，利用74LS190的加減計(jì)數(shù)的原理在經(jīng)過(guò)74LS138譯碼器來(lái)控制4個(gè)LED的正傳反轉(zhuǎn)，在利用74LS190清零管腳來(lái)控制LED燈的復(fù)位。要使

11、驅(qū)動(dòng)LED正常工作采用灌電流驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)信號(hào)控制電路如圖3.2所示。圖3.2 步進(jìn)電機(jī)信號(hào)控制電路74LS190功能表如表一表一 74LS190功能表CTLDU/DCP功能000×置數(shù)010加計(jì)數(shù)011減計(jì)數(shù)1×××保持74LS190管腳圖如圖3.3所示圖3.3 74LS190管腳圖74LS138功能表如表二表二 74LS138功能表74LS138管腳圖如圖3.4所示圖3.4 74LS138管腳圖3.3 轉(zhuǎn)速的測(cè)量與顯示電路此電路由單穩(wěn)態(tài)電路，計(jì)數(shù)器和一個(gè)數(shù)碼管顯示電路組成。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路控制計(jì)數(shù)器74LS161的計(jì)數(shù)時(shí)間，經(jīng)過(guò)74LS248

12、譯碼器譯碼驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，使數(shù)碼管顯示在單位時(shí)間內(nèi)所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，開(kāi)關(guān)的閉合可以使數(shù)碼管清零。電路圖如圖3.3所示圖3.5速測(cè)量與顯示電路74LS161為二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，具有同步預(yù)置數(shù)、異步清零以及保持功能。74LS161功能表如表一所示表三74LS161功能表74LS161管腳圖如圖3.6示圖3.6 4LS161管腳圖74LS248是7段譯碼器，可以驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管，功能表如表四。表四74LS248功能表74LS248管腳圖如圖3.7所示圖3.7 74LS248管腳圖數(shù)碼顯示器是采用的八共陰數(shù)碼管，管腳圖如圖3.8所示，X是共陰極，DP是小數(shù)點(diǎn)，其內(nèi)部是八段發(fā)光二極管的負(fù)極連在

13、一起的電路，當(dāng)在數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正電壓時(shí)個(gè)發(fā)光二極管就點(diǎn)亮。圖3.8數(shù)碼管管腳圖第四章 實(shí)驗(yàn)調(diào)試及分析4.1 電路板的排版與制作1、清點(diǎn)元器件查看是否缺少，對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)試；2、需進(jìn)行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體上更加美觀；3、先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等；4、布線盡量使電源線和地線靠近實(shí)驗(yàn)電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；5、最好分模塊安裝。此外焊接時(shí)不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過(guò)焊，因?yàn)橛行┢骷荒苣透邷兀?電烙鐵不能停留太久。4.2 電路的調(diào)試及遇到的問(wèn)題電路焊接完畢后，首先應(yīng)檢查電路的電源線和地線的走向，防止因?yàn)殡娫淳€或地線接

14、錯(cuò)而導(dǎo)致燒壞芯片或者是電源等現(xiàn)象；仔細(xì)檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無(wú)誤后，然后接通電源上電調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中，應(yīng)該分塊調(diào)試。逐步檢查單元電路，檢查每個(gè)單元電路的邏輯輸出和電平大小。這樣就可以逐步排除，更快的查到錯(cuò)誤的地方。在檢查的過(guò)程中，不僅僅排除了虛焊、假焊、漏焊等焊接上的失誤，還發(fā)現(xiàn)雖然電路原理沒(méi)問(wèn)題，但就是4個(gè)LED亮不起來(lái)，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)是由于邏輯輸出的電平過(guò)低，從而驅(qū)動(dòng)不了4個(gè)發(fā)光二極管。經(jīng)過(guò)修改原理，采用了灌電流驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的方式解決了這個(gè)問(wèn)題。就是讓發(fā)光二極管的正極接上了VCC，因此邏輯輸出為0的時(shí)候發(fā)光二極管才會(huì)亮。各個(gè)模塊調(diào)試檢查無(wú)誤后，根據(jù)附錄一原理圖將各模塊組合，檢查

15、無(wú)誤后接通電源，觀察記錄結(jié)果?？煽吹剿膫€(gè)數(shù)碼管依次點(diǎn)亮，會(huì)觀察到LED燈會(huì)依次點(diǎn)亮，按“復(fù)位”鍵之后會(huì)回到第一個(gè)燈，當(dāng)按下“正/逆”鍵，時(shí)燈亮的順序會(huì)與原來(lái)反向。按下測(cè)速鍵時(shí)，數(shù)碼管有數(shù)字顯示，計(jì)數(shù)持續(xù)一秒后停止，即顯示電機(jī)預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)接收到的脈沖個(gè)數(shù)。第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過(guò)分析設(shè)計(jì)任務(wù)，本實(shí)驗(yàn)采用設(shè)計(jì)單元電路再組合成步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易邏輯控制電路。先要用4個(gè)LED模擬步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而確定其邏輯輸出，再利用555產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)和譯碼器的分頻，最后實(shí)現(xiàn)其所需要的邏輯輸出，從而到達(dá)模擬的效果。本次試驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易邏輯控制的目的，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求，并達(dá)到了提高要

16、求的目標(biāo)。第六章 心得與體會(huì)1、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和其他類型的各種電路原理。通過(guò)對(duì)他們的比較和認(rèn)識(shí)，找到了簡(jiǎn)單、正確的方法。2、通過(guò)對(duì)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(duì)具體的情況做到正確的判斷，提高了我們對(duì)書(shū)本知識(shí)的掌握，也把我們從理論水平提高到實(shí)踐水平。3、通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。4、在對(duì)各種方案進(jìn)行排查時(shí)，我們才了解到我們現(xiàn)在的知識(shí)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(jiàn)解。5、從理論到實(shí)踐，在整整兩星期的日子里，學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而