步進電機的簡單控制

1、電子課程設(shè)計報告 題目名稱： 步進電機的簡單控制電路 姓 名： 專 業(yè)：電子信息工程班級學(xué)號： 同 組 人：指導(dǎo)教師： 南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院2010年 3 月 10 日摘要步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 步進電機作為執(zhí)

2、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)的發(fā)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。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。關(guān)鍵字：分時，多相，時序控制，雙環(huán)形脈沖目錄前言4第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求5第二章 設(shè)計方案6第三章 單元電路設(shè)計8第四章 實驗、調(diào)試及分析10第五章 結(jié)論11第六章 心得體會12參考文獻13附錄A13附錄B14 前言 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取

3、決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。一般電動機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進電動機。每輸入一個脈沖信號，該電動機就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進電動機可以直接輸出線位移，稱為直線電動機）。因此步進電動機是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進電機控制一般基于單片機控制，設(shè)計比較簡單，性能

4、更加穩(wěn)定。 本次課設(shè)采用數(shù)字邏輯電路模擬步進電機的簡單控制。由555產(chǎn)生CP脈沖，經(jīng)過74LS191計其脈沖的個數(shù)，再經(jīng)過74LS138譯碼器分頻后來控制4個LED的工作。由開關(guān)控制74LS191的加、減計數(shù)和清零來實現(xiàn)4個LED的正反轉(zhuǎn)和復(fù)位。另外由另一個555控制一個74LS161的工作使計數(shù)器在單位時間內(nèi)計數(shù)，并由數(shù)碼管顯示。從而實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)速的測量。第一章 設(shè)計內(nèi)容及要求基本要求：采用數(shù)字電路實現(xiàn)步進電機的簡單控制，能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機根據(jù)輸入的脈沖旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的圈數(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)位、正反轉(zhuǎn)控制。實際試驗由可以使用4個LED代替4個線圈提高要求:顯示輸入的脈沖數(shù)目，從而顯示轉(zhuǎn)速主要參考元器件:

5、74LS74,74LS08,74LS157,7406第二章 設(shè)計方案步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多

6、專業(yè)知識。如下所示的步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。圖（1）步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。 當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時，由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。

7、依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。1、脈沖信號的產(chǎn)生。脈沖信號一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉(zhuǎn)速越高，占空比則越大。2、信號分配器（又名脈沖分配器）感應(yīng)子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機工作方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D- AB,(步距角為0.9度）。3、功率放大功率放大是驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在

8、一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（而樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅(qū)動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。具體設(shè)計電路仿真圖如下：第三章 單元電路設(shè)計1.多諧振蕩器555多諧振蕩產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)據(jù)脈沖，控制74LS191加減計數(shù)器脈沖端。電路采用電阻、電容組成RC定時電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)RW或電容C，可得到不同的時間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出，既脈沖信號。脈沖寬度計算公式：Tw0.7 (R1+RW+R2) C；圖4-1 555自激多諧振蕩器電路和波形圖振蕩周期計算公式：T0.7 (R1+RW+2R2) C；電容器C

9、的充電電阻是R1+RW+R2 ，放電電阻是R2 。當(dāng)VC是低電平時，555定時器低觸發(fā)，VO為高電平，放電管T截止，電容器經(jīng)（R1+RW+R2）充電，當(dāng)充電至VC=VTH>VCC時，電路高觸發(fā)，輸出VO變?yōu)榈碗娖?，放電管T導(dǎo)通，電容器經(jīng)R2放電，當(dāng)放電至VC=VTR<VCC時，電路又進入低觸發(fā)，VO變?yōu)楦唠娖?，如此周而?fù)始，循環(huán)不止，輸出連續(xù)脈沖信號。2.步進電機信號控制電路此控制電路主要由74LS191擔(dān)任。利用74LS191的加、減計數(shù)的原理來控制4個LED的正反轉(zhuǎn)。再利用74LS191上的清零管腳來控制LED的復(fù)位。下面是74LS191的邏輯功能表：CTLDU/DCP功能00

10、0×置數(shù)010加計數(shù)011減計數(shù)1×××保持為驅(qū)動LED正常工作，采用灌電流驅(qū)動，原理圖如下：3.轉(zhuǎn)速的測量及顯示電路此電路由單穩(wěn)態(tài)電路，計數(shù)器和一個數(shù)碼管顯示電路組成。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路控制計數(shù)器74LS161的計數(shù)時間，再由數(shù)碼管顯示在單位時間內(nèi)所計的脈沖個數(shù)，即步進電機的轉(zhuǎn)速。具體電路如下：第四章 實驗、調(diào)試及分析4.1電路排板及制作.需進行整體布局的構(gòu)思，使元器件分布合理、整體上更加美觀；.先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝耐焊等等；.布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；.最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現(xiàn)虛焊、假

11、焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因為有些器件，不能耐高溫， 電烙鐵不能停留太久。4.2電路的調(diào)試電路焊接完畢后，首先應(yīng)檢查電路的電源線和地線的走向，防止因為電源線或地線接錯而導(dǎo)致燒壞芯片或者是電源等現(xiàn)象；仔細檢查安裝好的電路，確定元件與導(dǎo)線連接無誤后，然后接通電源上電調(diào)試。在調(diào)試的過程中，應(yīng)該分塊調(diào)試。逐步檢查單元電路，檢查每個單元電路的邏輯輸出和電平大小。這樣就可以逐步排除，更快的查到錯誤的地方。在檢查的過程中，不僅僅排除了虛焊、假焊、漏焊等焊接上的失誤，我還發(fā)現(xiàn)雖然電路原理沒問題，但就是4個LED亮不起來，后來才發(fā)現(xiàn)是由于邏輯輸出的電平過低，從而驅(qū)動不了4個發(fā)光二極管。經(jīng)過修改原理，采用了灌電流

12、驅(qū)動數(shù)碼管的方式解決了這個問題。就是讓發(fā)光二極管的正極接上了VCC，因此邏輯輸出為0的時候發(fā)光二極管才會亮。各個模塊調(diào)試檢查無誤后，根據(jù)附錄一原理圖將各模塊組合，檢查無誤后接通電源，觀察記錄結(jié)果?？煽吹剿膫€數(shù)碼管依次點亮，會觀察到LED燈會依次點亮，按“復(fù)位”鍵之后會回到第一個燈，當(dāng)按下“正/逆”鍵，時燈亮的順序會與原來反向。按下測速鍵時，數(shù)碼管有數(shù)字顯示，計數(shù)持續(xù)一秒后停止，即顯示電機預(yù)設(shè)時間內(nèi)接收到的脈沖個數(shù)本次課設(shè)與上次模電有所區(qū)別，此次數(shù)電課設(shè)的主要目標是邏輯功能的實現(xiàn)，不是測具體的數(shù)據(jù)，所以不需要測出具體輸出電壓的大小。還可以通過一個發(fā)光二極管來測量各單位電路的邏輯輸出。第五章 實驗

13、結(jié)論通過分析設(shè)計任務(wù)，本實驗采用設(shè)計單元電路再組合成步進電機的簡易邏輯控制電路。先要用4個LED模擬步進電機的工作狀態(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，通過計數(shù)器的計數(shù)和譯碼器的分頻，最后實現(xiàn)其所需要的邏輯輸出，從而到達模擬的效果。本次試驗基本實現(xiàn)了步進電機的簡易邏輯控制的目的，實現(xiàn)了設(shè)計的要求，并達到了提高要求的目標，總算是功德圓滿。第六章 收獲與體會1、通過這次課程設(shè)計，加強了動手、思考和解決問題的能力。在整個設(shè)計過程中，通過這個方案包括設(shè)計了一套電路原理和其他類型的各種電路原理。通過對他們的比較和認識，找到了簡單、正確的方法。2、通過對電路條件的限制，要求能更深次

14、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，提高了我們對書本知識的掌握，也把我們從理論水平提高到實踐水平。3、我沉得做課程設(shè)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(xué)習(xí)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，我們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。4、在對各種方案進行排查時，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。5、從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真