/北京工業(yè)大學(xué)電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告（數(shù)電部分)題目:步進(jìn)電機(jī)目錄一、設(shè)計(jì)題目－－-———-—-—－－—－—-——－-—－——-－———－－———－－—－———--－—--－—-———-—————-———－－--－———－——－--—-—--－3二、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)題目—-－－-—-－—--－--——－－－－———-——－—－－－-—－—-－———－—－-—--—－－-－——－—－——--—--—－—－－－-——--－－—-－————--３2.設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求－—-—-—－－－－－-－—－—--———－－—-——－－--－-－—－—－-－－-——————－-—－-—--—-—－-－-—-—－－-—--－—－-3三、電路設(shè)計(jì)-—————-－—－--－－—－-－-——-—-—－-－———--－－—－-－－—－—-—－—－-－-－-—-—-－-——－-————-－—--－—-———－—-—-——-－—－—-－4１．脈沖發(fā)生電路—－－-－-—－－--—-——-—－—-－—－-——--－-－——-—－——-——-——-—--—--———－－--－—-－—————-—--－——－-－-－—-42.環(huán)形脈沖分配電路———--－－-—－－－--－－—－-———－—--——－--—-—－—－-———－-—－-——-－————－--－－－—－－－—－—－——－-——-－—--－－-53.控制電路—－－—-－—-—-－－—--—－————-—-—--——－－－－－——-－——－—-——－—--－－———－————--－—－——--——64.驅(qū)動(dòng)電路——－－—－——-－--－—————－-－—--－-—-—－—－--—－—————————-－—－—－—－-－——-－——-—-—-－－-—--－-—－—－-—－-—--105。步進(jìn)電機(jī)—--———-——－—－—--—-—-—－－--—-—-－——－--—-－————－-—－－－-－--———-—－－－－-－--－——-—－－－-——-－—－－————11四、電路的組裝和調(diào)試--－－—－－－-———－－--—－-—－-——-－－--－———-—－—－———－--—－—--－—－－－-－-－－—－—－—-—-——－—12１．電路的組裝--—-－－－—－－——-－—－——－－-—-－--－—－——－—--——－—————－————-—－-－-———--—－-—－－-－-—--－—-——--－－——-－－-———-122．電路的調(diào)試－—－—--——－-—-－———－--—-－—－—-－-－-—--－——-—-—－－--——--—－——-—-—-—--－－——－－—-—－－——-—-—-——-－--－—-13五、收獲和體會(huì)--—-－-－—-——－－--—－－-－－—-————－-－-—-——-———－-—－-—－——-－—--—－-—--——－——－-—－-－—－-—--—-——--－-－—-14六、附錄－———－———－－－－—－—－————－－--—－—－-—-—－--－－－--—-－-———-—--——--－—-－-———－－－－—--－——－-—————-———－—－1５1.列表——－—--——－-—-－－—－———————－——－—--—－-——-—-－——-－——--—-————-－－——－－———--－－－—－—－-－—--－-－——－－-－--—－——－－－—--152。參考資料--———－-——--－——－--－——-—－－--—－—－－－－-—-－-－--—-－——-—-————-—-－-—－--－－-—-—--－－--——-－--－——－——-－—-—--－１5３.部分芯片管腳圖—-－－－--————-－——－———－－－——－-－-——-－—--－－-—－--－－－－－——-－－-－－—-－－－－－———－－-—-——--１6一、設(shè)計(jì)題目步進(jìn)電機(jī)控制電路二、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求1。設(shè)計(jì)任務(wù):本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制電路,該電路能對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。２.設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)要求:基本要求：(1)。能控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及運(yùn)行速度，并由LＥD顯示運(yùn)行狀態(tài).（步進(jìn)電機(jī)工作方式可為單四拍或雙四拍）。Ａ．單四拍方式，通電順序?yàn)锳-B—Ｃ—D—ＡB.雙四拍方式，通電順序?yàn)锳B—BC—CＤ—DA—AB（2）。測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的步距角.（通過(guò)實(shí)測(cè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù),推算出步進(jìn)電機(jī)的步距角)。擴(kuò)展要求:設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相八拍.脈沖發(fā)生電路控制電路驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)脈沖顯示環(huán)行脈沖分配電路C．四相八拍方式，通電順序?yàn)锳—AＢ-Ｂ—BＣ—Ｃ—CD—脈沖發(fā)生電路控制電路驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)脈沖顯示環(huán)行脈沖分配電路（３)．設(shè)計(jì)框圖（４)．參考元器件:步進(jìn)電機(jī),發(fā)光二極管,續(xù)流二極管IN４004,復(fù)合三極管TIＰ１２2；5Ω(１W）電阻，其它電容、電阻若干.三、電路設(shè)計(jì)1。脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路是由ＮE5５5及外接阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的，多諧振蕩器是一種可以產(chǎn)生周期性的矩形脈沖信號(hào)的自己振蕩電路。圖3。1根據(jù)公式f=1／[ln2（R1+2R２）C］和ｑ=(R1+R２）/(R1+2Ｒ２)可分別計(jì)算出其頻率和占空比實(shí)際數(shù)據(jù):Ｒ１＝1KΩR2=1KΩC=１ｕF計(jì)算數(shù)值：ｆ=480．9HZ實(shí)際數(shù)值:f=49３.42HZ占空比：q=33.3％后面為了實(shí)現(xiàn)變速,將Ｒ１替換為一個(gè)滑動(dòng)變阻器。2．環(huán)形脈沖分配電路環(huán)形脈沖分配電路是步進(jìn)電機(jī)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，利用環(huán)形脈沖分配電路可以產(chǎn)生所需要的脈沖波形，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制.生成題目所要要求的單四拍,雙四拍，和四相八拍三種工作模式。圖3．2上圖為7４LS161的管腳圖。７４LS161計(jì)數(shù)脈沖由單次脈沖源提供，清零端、置數(shù)控制端、工作狀態(tài)控制端ＣTPCTT、并行數(shù)據(jù)輸入端Ｄ3—Ｄ0分別接邏輯電平開(kāi)關(guān)，進(jìn)位信號(hào)輸出端CＯ、計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端Q３—Q0均接邏輯電平顯示。按如下逐項(xiàng)測(cè)試并判斷該集成塊的功能是否正常。１、異步清零功能:當(dāng)=0時(shí)，這時(shí)Q3Q2Q1Q0=000０,計(jì)數(shù)器清零。其它輸入信號(hào)都不起作用,與ＣＰ無(wú)關(guān),故稱為異步清零。2、同步并行置數(shù)功能:當(dāng)＝1，=0時(shí),在ＣP上升沿操作下，并行輸入數(shù)據(jù)ｄ3d2d1d0置入計(jì)數(shù)器.3、步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能：當(dāng)=1,若CTＰ=CＴT＝1，則計(jì)數(shù)器對(duì)CP信號(hào)按照84２１碼進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。4、保持功能:若CTP·CＴT=0,則計(jì)數(shù)器將保持原來(lái)狀態(tài)不變；若CTP·CＴT＝１，則計(jì)數(shù)器將保持正常工作狀態(tài)，可以正常計(jì)數(shù).用NＥ555為74ＬS161提供時(shí)鐘脈沖,使74LＳ１61進(jìn)行十六進(jìn)制計(jì)數(shù)，將QA、QB、QC三個(gè)輸出端的信號(hào)作為74ＬS13８芯片的輸入信號(hào)由其進(jìn)行譯碼工作.電路圖如下：3、控制電路以下為單四拍、雙四拍及四項(xiàng)八拍的所要輸出地邏輯信號(hào)。單四拍:工作方式勵(lì)磁方式DＣＢA單四拍Ａ１1１0B11０１C1０11Ｄ0111A1１10雙四拍：工作方式勵(lì)磁方式DCＢA雙四拍AB1100BＣ100１CD001１DA０11０ＡB11０0四相八拍:工作方式勵(lì)磁方式DＣＢA四項(xiàng)八拍A11１0AB110０B１101BC100１C1０１1CD０01１D0111DA01１0Ａ１000(1)四項(xiàng)八拍電路根據(jù)7４LS138的工作原理,ABＣD四相即為要求的輸出項(xiàng),我們要求從74ＬS161輸出從0０0到111的循環(huán)邏輯信號(hào)，從而可以列出74LS１38的真值表。如圖３.3圖３.3Ｙ０Y1Y2Y3Y4Ｙ5Ｙ6Y7工作項(xiàng)０１1１1１11A10１１111１AB1１01１111B１１１０1111BC11110111C11111０１1ＣＤ111１1101D１１11111０ＤA從圖中可以分析出：A=Ｙ0’Ｙ1’Y7'B=Y１’YＣ＝Y(jié)3'Ｙ4'Ｙ5’D＝Y(jié)5'可以得出結(jié)論:步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)相都由7５LS138的3個(gè)輸出端控制，只要3個(gè)輸出端有一個(gè)端輸出為0時(shí)該端所控制的相工作。由此可以畫出步進(jìn)電機(jī)控制電路部分的電路圖。圖3.4圖3.4電路只能實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)八拍（單向)的工作方式，不能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)切換的工作方式，為實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)能夠同時(shí)在一個(gè)電路完成的目的,將對(duì)此電路進(jìn)行改進(jìn).(3)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路為實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),只需將原有的輸出信號(hào)按相反順序輸入給步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相即可。根據(jù)這個(gè)思路,我將實(shí)驗(yàn)電路的控制電路部分作如下改動(dòng)：圖3.5在這個(gè)電路中我加入了八個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)切換的時(shí)候從而將輸入順序改變,此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相的工作順序倒轉(zhuǎn)，74ＬS138的輸出端對(duì)應(yīng)的相也發(fā)生改變。A'=Y5'Y6’Y7’B’＝Y(jié)3'Ｃ’=Y1’Y2’Y3’D’=Ｙ0’四相八拍反轉(zhuǎn):工作方式勵(lì)磁方式ＡBCD四項(xiàng)八拍D１1１0CD1100Ｃ110１ＢＣ１0０1B1011AB0011A01１1DA0110D１0０0（4）電路簡(jiǎn)化由于在圖3．5所示電路中，涉及八個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān),過(guò)于繁雜，為去掉不必要的開(kāi)關(guān)，電路作如下調(diào)整圖３。6這個(gè)電路圖的原理是將控制電路輸出信號(hào)在輸入步進(jìn)電機(jī)前反向，而不是在圖3。5中那樣改變控制電路的邏輯關(guān)系從而實(shí)現(xiàn)反向.這種方式相對(duì)與上一組的優(yōu)點(diǎn)是減少了開(kāi)關(guān)的使用量，簡(jiǎn)化了電路.但在實(shí)際中由于進(jìn)度原因并未使用這種方法。（５)單拍、四項(xiàng)八拍切換回到圖３．３74LS1３8的真值表，我們可以看出Ｙ１’、Y3’、Y７'、Y5'分別控制AB、BC、圖3．7電路原理:上圖電路可以實(shí)現(xiàn)單拍、四項(xiàng)八拍轉(zhuǎn)換，正傳、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。圖中重新加入了一個(gè)7４ＬS１38芯片，目的是為了控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，替代了圖３。６中開(kāi)關(guān)的作用。新加入了一個(gè)開(kāi)關(guān)Ｊ1用于切換兩個(gè)74LＳ1３8芯片,分別供電給兩個(gè)芯片，當(dāng)一個(gè)芯片工作時(shí)另一個(gè)停止。74LＳ138-n２芯片的輸出端連接和-n1是完全相反的，輸出信號(hào)的順序與原來(lái)相反，這樣就可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。開(kāi)關(guān)J2~Ｊ5的用方法為“兩輸入一輸出”，這樣就有兩個(gè)輸入狀態(tài)，其中一個(gè)分別接７4ＬＳ１38的Y１、Y3、Y5、Y７，另一端接高電平5V。當(dāng)開(kāi)關(guān)接5V時(shí)，相當(dāng)于Ｙ1、Y3、Y５、Y７輸出一直是高電平，而步進(jìn)電機(jī)的相是低電平工作，所以說(shuō)AB、BC、CD、DA幾個(gè)狀態(tài)被去掉，實(shí)現(xiàn)了單拍的工作方式。開(kāi)關(guān)切換到另一端時(shí),進(jìn)行四項(xiàng)八拍工作方式。優(yōu)點(diǎn):連線簡(jiǎn)單,看起來(lái)線不少，但實(shí)際上連線及其容易，尤其是開(kāi)關(guān)和兩片7４LS138之間的連線。相比圖3.６而言，不但功能上更加完善,而且電路更加簡(jiǎn)化（實(shí)現(xiàn)同樣功能下）。個(gè)人認(rèn)為開(kāi)關(guān)的接法是這個(gè)電路的得到優(yōu)化的關(guān)鍵。四個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)并沒(méi)有像圖3。6中的那樣是為了改變輸出方向，而是改變了輸入,其中一個(gè)輸入直接接5v電源，相當(dāng)于抹掉了74LS138芯片的四個(gè)輸出狀態(tài)。（６)變速實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)變速主要是將電路的時(shí)鐘脈沖的頻率進(jìn)行改變，也就是對(duì)NE555組成的多諧振蕩器的震蕩頻率進(jìn)行改變.根據(jù)公式ｆ=１/［ln2（R１+２R2）C］,在電路中Ｒ1替換為一個(gè)可調(diào)電阻.圖3．84。驅(qū)動(dòng)電路功率放大是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為重要的部分.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。而由門電路輸出的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，所以要真正使電機(jī)動(dòng)起來(lái)就必須連接一個(gè)功率放大電路。圖３.9為驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)林頓管TＩＰ122為步進(jìn)電機(jī)提供了一個(gè)大電流，通過(guò)一個(gè)起限流保護(hù)作用的5Ohm的電阻，電流從電擊相線圈流過(guò)，從而達(dá)到了放大功率的作用。在電路中加入了發(fā)光二極管是為了可以直接的看到工作現(xiàn)象。在這里特別要提的是電路中的續(xù)流二極管IＮ4004。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通正常工作,但當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí),達(dá)林頓頓管截止，電機(jī)相線圈中沒(méi)有大電流通過(guò)。而此時(shí)線圈可以看作是電感，電感會(huì)儲(chǔ)存一部分電量，如果沒(méi)有回路釋放，就會(huì)在瞬間產(chǎn)生一個(gè)電流,可能造成電機(jī)的毀壞。所以我們?cè)诖颂幖恿死m(xù)流二極管IN4０0４。電感中儲(chǔ)存的電量通過(guò)續(xù)流二極管放電。圖3.95。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī),它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電,步進(jìn)電機(jī)才能正常工作,驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的,多相時(shí)序控制器雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用,但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī),交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用.因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí).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(dòng)化控制系統(tǒng)中.隨著微電子和計(jì)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(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)提供的是四相步進(jìn)電機(jī)，它對(duì)外有六條引線,其中兩條為公共端，另四條分別為A相．B相．C相．D相，但引線具體排序未知，故在使用前需對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行。測(cè)量每?jī)筛€之間的電阻,不同繞組之間的電阻為無(wú)窮大.同一繞組中,中心引線到兩邊的電阻約為7.５Oｈm.判斷出兩組繞組的中心引線后，剩下的四根即為A，B，Ｃ,Ｄ四個(gè)項(xiàng)。中心引線即為公共端，接+5V.圖3.10四、電路的組裝和調(diào)試1。電路的組裝從仿真圖上看來(lái)，整個(gè)電路圖不是很復(fù)雜,但是在實(shí)際插線的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在排線時(shí)７4LS08與門的周圍線十分密集，造成了連線錯(cuò)誤，有些地方的線也有虛接的地方。整個(gè)電路基本就是可以分成脈沖發(fā)生電路,環(huán)形分配電路和驅(qū)動(dòng)電路.我們也是按照這個(gè)順序進(jìn)行接線，檢驗(yàn)的。圖4．1藍(lán)色部分是由NＥ5５５組成的多諧振蕩器，紅色部分是７4ＬＳ161計(jì)數(shù)器,黃色部分是７４LＳ1３８譯碼器，紫色部分是74LS08與門.圖4。2（完成圖)2。電路的調(diào)試最先完成的脈沖發(fā)生電路,可以在示波器上看到完美的方波,占空比近于40%，理論值約為33。3％。環(huán)形分配電路安裝完畢后,我們進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)部分的LED燈并沒(méi)有滅只是暗了。于是我們開(kāi)始向前查線，發(fā)現(xiàn)時(shí)74LS138的輸出端的電壓在沒(méi)給輸入時(shí)電壓并不是0，而是一個(gè)低電壓，導(dǎo)致LＥＤ燈并沒(méi)有完全暗下去，但實(shí)際原因并不清楚，只能重新連線，排除故障。再次調(diào)試,