2023武漢理工大學-數(shù)字電子線路課程設(shè)計-四相一拍-步進電機仿真制作

1、武漢理工大學?數(shù)字電子線路?課程設(shè)計說明書 目錄前言 11 設(shè)計技術(shù)指標與要求21.1 設(shè)計技術(shù)指標 2 1.2 設(shè)計要求 22 方案論證與選擇 22.1 脈沖分配系統(tǒng)方案 2 2.2 脈沖分配電路 33單元電路的設(shè)計和元器件的選擇 43.1 步進電機實現(xiàn)四相四拍和正反轉(zhuǎn)功能4 3.2 輸出控制模塊的設(shè)計4 3.3 步進電機工作原理的設(shè)計5 3.4 主要元器件的選擇64 系統(tǒng)電路總圖及原理65 電路連接測試76 性能測試96.1時鐘脈沖電路9 6.2連續(xù)運行電路測試107 結(jié)論128 性價比129 心得體會13參考文獻 14前言步進電動機是將電脈沖鼓勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制

2、電動機。這種電動機每當輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機的轉(zhuǎn)子由軟磁材料或永磁材料制成多極的形式，定子上裝有多相不同連接的控制繞組。它的鼓勵信號有直流脈沖、方波、多相方波和邏輯序列多種。步進電動機的步距和速度不受電壓波動、環(huán)境溫度和負載變化的影響，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)準確調(diào)節(jié)電動機的速度。因此步進電動機用于開環(huán)數(shù)字控制，可大大簡化控制系統(tǒng)。步進電動機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、帶讀出器、計數(shù)器、繪圖機、數(shù)控機床、閥門執(zhí)行機構(gòu)、定位平臺和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。步進電動機種類繁多，按運動形式分為旋轉(zhuǎn)式步進電動機和直線式步進電動機。步

3、進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(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技術(shù)的開展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機假設(shè)在其輸入端參加一個脈沖信號，該電機就會轉(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，電機就會反轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)動。四相四拍步進電動機是一典型單定子、徑向分組、反響式伺服電機。它與普通電機一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩局部，在定子的4個磁極上分別繞有繞組，對稱的繞組形成一相繞組，四相電機有A、B、C、D四相繞組。每給一相繞組通

4、電一次稱為一拍。四相四拍步進電機工作的正轉(zhuǎn)次序為ABCD，反轉(zhuǎn)次序為DCBA。步進電機每步旋轉(zhuǎn)的角度大小，稱為步距角。它是由電動機本身轉(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，四相四拍模式的步距角為90。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(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。三者組成了步進電機的控制器。環(huán)形脈沖分配器是本次課程設(shè)計的重點和難點。1 設(shè)計技術(shù)指標與要求1.1 設(shè)計技術(shù)指標 設(shè)計一個能自啟動的具有正反轉(zhuǎn)功能的四相四拍步進電機脈沖分配電路。電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。M為控制變量，當M=0時，電路

5、按順時針轉(zhuǎn)；當M=1時，電路按逆時針轉(zhuǎn)。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)形分配器局部由74LS191加減可逆計數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法組成4進制計數(shù)器，分別控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，再通過74LS138譯碼器和個4與非門電路實現(xiàn)四拍的組合邏輯函數(shù)，實現(xiàn)四相四拍步進電機的四拍循環(huán)。步進電機的單步運行功能的實現(xiàn)只需通過按動開關(guān)進行上下電平信號的轉(zhuǎn)換即可，停車功能只要停止脈沖就能實現(xiàn)。步進電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號必須為脈沖信號，沒有脈沖的時候，步進電機停止，在輸入端參加一個脈沖信號，該步進電機就會轉(zhuǎn)過一個步距角。改變脈沖的順序，可以方便的

6、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、D四相繞組所需的順序控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后，加到電機的四相繞組上，驅(qū)動四相四拍步進電機轉(zhuǎn)動。改變脈沖信號的輸入順序，就可以實現(xiàn)四相四拍步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。1.2 設(shè)計要求1. 畫出電路原理圖或仿真電路圖；2. 元器件及參數(shù)選擇；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。2 方案論證與選擇2.1 脈沖分配的系統(tǒng)方案環(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)律分配給步進電動機驅(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。這里采用

7、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，每當一個脈沖的上升沿到來時即可觸發(fā)步進電機轉(zhuǎn)過一個步距角。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，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。R1=85k,R1=100k,C1=10uF,那么電路的振蕩周期為 T=(R1+2R2)C1ln2 T=1.995s振蕩頻率為 f=1T f=0.501Hz 2.2脈沖分配電路這一局部是整個電路的關(guān)鍵所在，這里利用4個邏輯與非門和1個74LS191和1個74LS138來實現(xiàn)環(huán)形

8、脈沖分配。對步進電機三個繞組的通電方式進行控制，三相六拍步進電機的正轉(zhuǎn)順序：A-B-C-D，反轉(zhuǎn)順序：D-C-B-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4進制計數(shù)器。74LS191本身有16個狀態(tài)，4進制那么取其中的4個狀態(tài)。根據(jù)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(zhuǎn)；反之，步進電機反轉(zhuǎn)譯碼器采用3線8線74LS138芯片，由表2可得邏輯關(guān)系為：X(A,B,C,D)=(Y0Y1Y2Y3) 74LS191功能表74LS138譯碼器真值表環(huán)形分配器電路圖如下列圖環(huán)形分配器電路圖3 單元電路的設(shè)計與元器件選擇3.1 步進電機實現(xiàn)四相四拍和正反轉(zhuǎn)

9、功能用74LS191可逆計數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法連接成4進制計數(shù)器，QC接與非門接到置數(shù)端LOAD，在U/D端接一個開關(guān)S1，控制加減法計數(shù)。當接低電平時，實現(xiàn)加法計數(shù)，步進電機正轉(zhuǎn)；當接高電平時，實現(xiàn)減法計數(shù)，步進電機反轉(zhuǎn)。由74LS191輸出的邏輯信號為QA、QB、QC、QD、，經(jīng)74LS138和與非門譯碼后輸出A、B、C、D的四拍工作狀態(tài)。四相四拍步進電機正轉(zhuǎn)順序：A-B-C-D,其邏輯表示為A=000，B=001，C=010，D=011。根據(jù)邏輯表示用與非門輸出A、B、C、D的相X(A,B,C,D)=(Y0Y1Y2Y3) ，接到驅(qū)動電路，控制四相四拍步進電機的轉(zhuǎn)動。輸出控制模塊的設(shè)計

10、 輸出控制模塊圖3.3 步進電機工作原理的設(shè)計四相四拍步進電動機是一典型單定子、徑向分組、反響式伺服電機。它與普通電機一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩局部，在定子的4個磁極上分別繞有繞組，對稱的繞組形成一相繞組，四相電機有A、B、C、D四相繞組。每給一相繞組通電一次稱為一拍。四相四拍步進電機工作的正轉(zhuǎn)次序為ABCD，反轉(zhuǎn)次序為DCBA。步進電機每步旋轉(zhuǎn)的角度大小，稱為步距角。它是由電動機本身轉(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，四相四拍模式的步距角為90。步進電機工作原理圖3.4主要元器件的選擇序號編號名稱型號數(shù)量1U7555定時器TIMER-RATED12U1可逆計數(shù)器74LS191D13U2譯

11、碼器74LS138D14U3四輸入與非門74LS00D25C1電容10uF16C2電容10nF17R1滑動電阻200k18S1單刀雙擲開關(guān)Key=A19S2單刀雙擲開關(guān)Key=C110X1、X2、X3、X4小燈泡2.5V44 系統(tǒng)電路總圖及原理將設(shè)計的各個單元電路進行級聯(lián)，得到步進電機脈沖分配電路原理圖如下列圖。 步進電機脈沖分配電路電路總圖圖中M為控制變量，當M=0時，電路按順時針轉(zhuǎn)；當M=1時，電路按逆時針轉(zhuǎn)。 即當M為高電平時，發(fā)光二極管的亮燈順序為正,當M為低電平時亮燈的順序為反。圖中的滑變電阻的改變可以可以控制步進電機的轉(zhuǎn)速，當滑變電阻越大時，發(fā)光二極管燈光閃爍就隨著變慢，當滑變電阻

12、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)了步進電機的脈沖功能。 按下啟動開始按鈕，步進機進行四相四拍工作方式，選擇正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，擇代表LED燈按照正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的順序輪流亮。5 電路連接測試按電路做成PCB板正面如下列圖，反正面如下列圖。經(jīng)通電測試各項指標均符合要求。實驗電路板的正面圖實驗電路板的反面圖接通+5V電源，當開關(guān)打向高電平時，燈先后按順序循環(huán)點亮，實現(xiàn)了步進電機的正轉(zhuǎn)；當開關(guān)打向低電瓶時，先后按反順序循環(huán)點亮，實現(xiàn)了步進電機的反轉(zhuǎn)。電路完好，能實現(xiàn)要求的功能。6性能的測試6.1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

13、，f=500Hz，理論值： T=1.995ms，f=501.2Hz，滿足設(shè)計要求。理論值電路的振蕩周期為 T=(R1+2R2)C1ln2 T=1.995s振蕩頻率為 f=1T f=0.501Hz 實驗值 由圖10得T=2s f=1T=10.002=0.500Hz脈沖源產(chǎn)生的測試電路圖示波器測試結(jié)果圖6.2連續(xù)運行電路測試如圖，將開關(guān)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(guān)系。連續(xù)運行的測試電路圖邏輯分析儀測試正轉(zhuǎn)結(jié)果圖邏輯分析儀測試反轉(zhuǎn)結(jié)果圖7結(jié)論本次課程設(shè)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(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、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(shè)計。

14、在這過程中也遇到了一些問題，比方單步運行實現(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，可以說到達了預期的目的。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)鍵局部是環(huán)形分配電路；最關(guān)鍵局部是脈沖分配器，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(guān)進行控制單步運行和停車。整個電路簡單可靠，操作方便，實用性高。通過兩周的課程設(shè)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

15、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。8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置且價格廉價，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,有很強的實用性。9 經(jīng)驗體會通過這次對步進電機脈沖分配電路的設(shè)計作，讓我了解了電路設(shè)計的根本步驟，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)計一個電路先進行軟件模擬仿真再進行實際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與

16、仿真時完全一樣，因為，再實際接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)計的步進電機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)過劇烈的探討下，終于游逆而解，有點小小的成就感，終于覺得平時所學的知識有了實用的價值，到達了理論與實際相結(jié)合的目的，不僅學到了不少知識，而且鍛煉了自己的能力，使自己對以后的路有了更加清楚的認識，同時，對未來有了更多的信心。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)計使我對以前學過的模

17、電、數(shù)電等知識又重新的復習了一遍，又學到了很多相關(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(shè)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(shè)計方案，在實際設(shè)計過程中，也遇到了許多的問題，比方單步運行實現(xiàn)不了，但是通過查閱資料及老師的幫助后一一解決了，最終的結(jié)果根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、74LS

18、191、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)那么，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穩(wěn)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(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。這次課程設(shè)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(yīng)用到實際當中，使自己對相關(guān)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(shè)計過程中，我還意識到了還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學習和實驗中多加練習。在理論和實驗教學根底上進一步穩(wěn)固已學根本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學會將知識應(yīng)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時機。讓