三相六拍步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、湖北汽車工業(yè)學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 1、 步進(jìn)電機(jī)相關(guān)知識介紹 步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字信號控制的傳動機(jī)構(gòu)，若在其輸入端加入一個(gè)脈沖信號，該電動機(jī)就會轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或移動一定距離。步進(jìn)電機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。在定子的6個(gè)磁極上分別繞有繞組，對稱的繞組形成一相繞組，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)的工作的次序?yàn)锳ABBBCCCAA。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(gè)通電循環(huán)內(nèi)通電節(jié)拍決定的。本次課程設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)子為4個(gè)齒的步進(jìn)電機(jī)，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

2、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。實(shí)現(xiàn)這種分配方式的電路稱為環(huán)形分配器。它是一個(gè)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，前面與脈沖振蕩器相接，后面接功率驅(qū)動器。三者組成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)是驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的第一步，也就是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 環(huán)形分配器目前逐步走向集成電路化，各種相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器的集成塊市場已有出售，但采用各種門電路和常用芯片組成的環(huán)形分配器仍普遍應(yīng)用。此次課程設(shè)計(jì)要求運(yùn)用數(shù)字電路設(shè)計(jì)一個(gè)三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器，其意義便在于此。2、 方案設(shè)計(jì)1. 電路設(shè)計(jì)要求 對三相六拍步進(jìn)電機(jī)的控制，主要分為兩個(gè)方面：三相繞組的接通與斷開順序控制。即：正轉(zhuǎn)順序：A

3、-AB-B-BC-C-CA-A：反轉(zhuǎn)順序：A-AC-C-CB-B-BA-A以及每個(gè)步距角的行進(jìn)速度。圍繞這兩個(gè)主要方面，可提出具體的控制要求如下：（1）可正轉(zhuǎn)起動或反轉(zhuǎn)起動；（2）運(yùn)行過程中，點(diǎn)擊能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、保持；（3）可使用手動使時(shí)鐘頻率f=150Hz，連續(xù)可調(diào)。2.電路用到的實(shí)驗(yàn)儀器74LS00*3（與非門）74LS74*2（D觸發(fā)器）74LS04 *1(非門) LED燈*3 +5V 電源導(dǎo)線若干時(shí)鐘頻率發(fā)生器 3、 總體設(shè)計(jì)原理及框圖 通常來說，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器所要實(shí)現(xiàn)的功能簡單來說就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器接收到一

4、個(gè)脈沖信號（來自控制器），它就驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)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(yùn)行的。依據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體要求，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路整體框圖如圖。4、 步進(jìn)電機(jī)原理1、 步進(jìn)電動機(jī) 一般電動機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故叫步進(jìn)電動機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，該電動機(jī)就轉(zhuǎn)過一定的角度（有的步進(jìn)電動機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動機(jī)）。因此步進(jìn)電動機(jī)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(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入

5、的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動機(jī)。 2、 三相六狀態(tài)步進(jìn)電機(jī)工作原理 設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對齊（圖2.a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B極對轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖(2.b)所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過了15。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B極對齊（圖2.c），轉(zhuǎn)子從圖(2.b)的位置又轉(zhuǎn)過了15。其位置如圖3d所示。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針方向一步一步地

6、轉(zhuǎn)動，步距角15。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。 圖 2 步進(jìn)電機(jī)通電方式及原理圖 5、 各分框圖中電路設(shè)計(jì)及計(jì)算1. 時(shí)鐘脈沖發(fā)生器 這里采用的是555定時(shí)器來作為脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生一系列頻率可調(diào)的方波脈沖，每當(dāng)一個(gè)脈沖的上升沿到來時(shí)即可觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定角度。555定時(shí)器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用極為廣泛。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制與檢測電路中。其內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器、SR鎖存器、放電三極管以及緩沖器組成，外部引出8個(gè)端口，分別是8號引腳電源端，4號引腳復(fù)位

7、端，3號引腳輸出端，1號引腳接地端，7號引腳放電端，2號引腳觸發(fā)輸入端，6號引腳閥值輸入端和5號引腳控制電壓端。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(shí)間即可改變脈沖的頻率。具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。 圖 3 脈沖產(chǎn)生電路圖4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,則 電路的振蕩周期為 T=(R 1+R 2)C 1ln3 T=0.24ms 振蕩頻率為 f=1/T f=4.1KHz采用555定時(shí)器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器作為整形電路。3.環(huán)形脈沖分配器 步進(jìn)電動機(jī)的脈沖分配可以由硬件和軟件兩種方法來實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器需要根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)的相數(shù)和要求的通電方式而設(shè)計(jì)

8、專門的電路，圖5所示為一個(gè)三相六拍的環(huán)形分配器。 分配器的主體是三個(gè)J-K觸發(fā)器。三個(gè)J-K觸發(fā)器的Q輸出端分別經(jīng)各自的功放線與步進(jìn)電動機(jī)A、B、C三相繞組連接。當(dāng)QA1時(shí)，A相繞組通電；QB1時(shí)，B相繞組通電；QC1時(shí)，C相繞組通電。DR+和DR-是步進(jìn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號。 正轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：AABBBCCCA 反轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：AACCCBBBA 環(huán)形分配器輸出的三路信號A、B、C分別經(jīng)過脈沖放大器放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的三相繞組。 圖5所示為的三相六拍環(huán)形分配器邏輯真值表如表5.1所示。狀態(tài)圖4. 手動控制電路在脈沖源輸出端接入一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，控制兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。點(diǎn)動控制由按動

9、開關(guān)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)兩端分別接入高電平和低電平，觸動開關(guān)使其在高低電平之間轉(zhuǎn)換便實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)動控制。電路如圖6所示。 圖6 點(diǎn)動控制5. 驅(qū)動電路該部分電路的唯一功能就是對前級電路的輸出端的電流放大，從而足夠驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。該部分電路圖如圖所示。 由于脈沖分配器輸出端輸出電流很小，而步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電流較大。為了滿足驅(qū)動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。圖中使用三級晶體管放大，經(jīng)A相、B相、C相三極管放大，在通過電機(jī)電源和電機(jī)線圈放大電流，由穩(wěn)壓管進(jìn)行限流，大小隨配電機(jī)不同而異。由于電機(jī)各相繞組部是繞在鐵芯上的線圈，所以電感較大，繞組通電時(shí)，電流上升率受到限制。因

10、而影響電機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電時(shí)，電感中磁場的儲能元件將維持繞組中已有的電流不能突變，在繞組斷電時(shí)會產(chǎn)生反電動勢。至此，時(shí)鐘脈沖電路，環(huán)形脈沖分配電路，功率放大電路三大主要單元電路都已設(shè)計(jì)完成。其中，驅(qū)動電路由于實(shí)驗(yàn)條件的限制在實(shí)際操作中省略，步進(jìn)電機(jī)用三個(gè)LED進(jìn)行模擬。6、 元件表序號編號名稱數(shù)量555555定時(shí)器1片S1S3單刀雙置開關(guān)3只R11千歐7只R2200千歐1只D1二極管6只D2穩(wěn)壓管4只C11uF1只C20.01uF1只C3100uF1只C40.1uF1只7、 收獲體會通過這次課程設(shè)計(jì)，我加強(qiáng)了動手、思考和解決問題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，通過對各個(gè)元件的比較和認(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，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。做課程設(shè)計(jì)同時(shí)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(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)