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

1、武漢理工大學(xué)?數(shù)字電子線路?課程設(shè)計(jì)說明書 目錄前言 11 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與要求21.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 2 1.2 設(shè)計(jì)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(jì)和元器件的選擇 43.1 步進(jìn)電機(jī)實(shí)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(jì)4 3.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理的設(shè)計(jì)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(cè)試76 性能測(cè)試96.1時(shí)鐘脈沖電路9 6.2連續(xù)運(yùn)行電路測(cè)試107 結(jié)論128 性價(jià)比129 心得體會(huì)13參考文獻(xiàn) 14前言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖鼓勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制

2、電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(lì)信號(hào)有直流脈沖、方波、多相方波和邏輯序列多種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距和速度不受電壓波動(dòng)、環(huán)境溫度和負(fù)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(zhǔn)確調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于開環(huán)數(shù)字控制，可大大簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配以位置檢測(cè)元件時(shí)也可用于閉環(huán)數(shù)字控制，常用于打印機(jī)、帶讀出器、計(jì)數(shù)器、繪圖機(jī)、數(shù)控機(jī)床、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位平臺(tái)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)種類繁多，按運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步

3、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)的開展，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。步進(jìn)電機(jī)假設(shè)在其輸入端參加一個(gè)脈沖信號(hào)，該電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。四相四拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一典型單定子、徑向分組、反響式伺服電機(jī)。它與普通電機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩局部，在定子的4個(gè)磁極上分別繞有繞組，對(duì)稱的繞組形成一相繞組，四相電機(jī)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(jìn)電機(jī)工作的正轉(zhuǎn)次序?yàn)锳BCD，反轉(zhuǎn)次序?yàn)镈CBA。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(dòng)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，四相四拍模式的步距角為90。脈沖信號(hào)按規(guī)定的方式分配給步進(jìn)電機(jī)各相繞組，使各相繞組輪流接受脈沖信號(hào)的控制，通常是由環(huán)形分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是一個(gè)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，前面與時(shí)鐘脈沖電路相接，后面接驅(qū)動(dòng)電路。三者組成了步進(jìn)電機(jī)的控制器。環(huán)形脈沖分配器是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與要求1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)能自啟動(dòng)的具有正反轉(zhuǎn)功能的四相四拍步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路。電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。M為控制變量，當(dāng)M=0時(shí)，電路

5、按順時(shí)針轉(zhuǎn)；當(dāng)M=1時(shí)，電路按逆時(shí)針轉(zhuǎn)。本方案由直流穩(wěn)壓電源電路提供電源；時(shí)鐘脈沖電路是555定時(shí)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(jì)數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法組成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，再通過74LS138譯碼器和個(gè)4與非門電路實(shí)現(xiàn)四拍的組合邏輯函數(shù)，實(shí)現(xiàn)四相四拍步進(jìn)電機(jī)的四拍循環(huán)。步進(jìn)電機(jī)的單步運(yùn)行功能的實(shí)現(xiàn)只需通過按動(dòng)開關(guān)進(jìn)行上下電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換即可，停車功能只要停止脈沖就能實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)必須加驅(qū)動(dòng)才可以運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須為脈沖信號(hào)，沒有脈沖的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)停止，在輸入端參加一個(gè)脈沖信號(hào)，該步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。改變脈沖的順序，可以方便的

6、改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。該電路的時(shí)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(shí)鐘脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成A、B、C、D四相繞組所需的順序控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，加到電機(jī)的四相繞組上，驅(qū)動(dòng)四相四拍步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。改變脈沖信號(hào)的輸入順序，就可以實(shí)現(xiàn)四相四拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。1.2 設(shè)計(jì)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(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有心得體會(huì)。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(lái)源于控制環(huán)節(jié)的時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)器來(lái)作為時(shí)鐘脈沖電路，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(lái)時(shí)即可觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。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，由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，組成信號(hào)產(chǎn)生電路。電路實(shí)現(xiàn)的原理是：通過對(duì)電容的充放電來(lái)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。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(gè)電路的關(guān)鍵所在，這里利用4個(gè)邏輯與非門和1個(gè)74LS191和1個(gè)74LS138來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)形

8、脈沖分配。對(duì)步進(jìn)電機(jī)三個(gè)繞組的通電方式進(jìn)行控制，三相六拍步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)順序：A-B-C-D，反轉(zhuǎn)順序：D-C-B-A，由此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的步進(jìn)。用74LS191可逆計(jì)數(shù)器和必要的門電路組成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS191本身有16個(gè)狀態(tài)，4進(jìn)制那么取其中的4個(gè)狀態(tài)。根據(jù)表1可知當(dāng)M接低電平，74LS191實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)，即步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，步進(jìn)電機(jī)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(jì)與元器件選擇3.1 步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四相四拍和正反轉(zhuǎn)

9、功能用74LS191可逆計(jì)數(shù)器和與非門電路用置數(shù)法連接成4進(jìn)制計(jì)數(shù)器，QC接與非門接到置數(shù)端LOAD，在U/D端接一個(gè)開關(guān)S1，控制加減法計(jì)數(shù)。當(dāng)接低電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)接高電平時(shí)，實(shí)現(xiàn)減法計(jì)數(shù)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。由74LS191輸出的邏輯信號(hào)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(jìn)電機(jī)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(dòng)電路，控制四相四拍步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。輸出控制模塊的設(shè)計(jì)

10、 輸出控制模塊圖3.3 步進(jìn)電機(jī)工作原理的設(shè)計(jì)四相四拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一典型單定子、徑向分組、反響式伺服電機(jī)。它與普通電機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩局部，在定子的4個(gè)磁極上分別繞有繞組，對(duì)稱的繞組形成一相繞組，四相電機(jī)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(jìn)電機(jī)工作的正轉(zhuǎn)次序?yàn)锳BCD，反轉(zhuǎn)次序?yàn)镈CBA。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(dòng)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，四相四拍模式的步距角為90。步進(jìn)電機(jī)工作原理圖3.4主要元器件的選擇序號(hào)編號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1U7555定時(shí)器TIMER-RATED12U1可逆計(jì)數(shù)器74LS191D13U2譯

11、碼器74LS138D14U3四輸入與非門74LS00D25C1電容10uF16C2電容10nF17R1滑動(dòng)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(jì)的各個(gè)單元電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，得到步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路原理圖如下列圖。 步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路電路總圖圖中M為控制變量，當(dāng)M=0時(shí)，電路按順時(shí)針轉(zhuǎn)；當(dāng)M=1時(shí)，電路按逆時(shí)針轉(zhuǎn)。 即當(dāng)M為高電平時(shí)，發(fā)光二極管的亮燈順序?yàn)檎?當(dāng)M為低電平時(shí)亮燈的順序?yàn)榉础D中的滑變電阻的改變可以可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)滑變電阻越大時(shí)，發(fā)光二極管燈光閃爍就隨著變慢，當(dāng)滑變電阻

12、的電阻調(diào)小時(shí)，發(fā)光二極管的燈光閃爍跟著變快，這就實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的脈沖功能。 按下啟動(dòng)開始按鈕，步進(jìn)機(jī)進(jìn)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(cè)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(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。實(shí)驗(yàn)電路板的正面圖實(shí)驗(yàn)電路板的反面圖接通+5V電源，當(dāng)開關(guān)打向高電平時(shí)，燈先后按順序循環(huán)點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；當(dāng)開關(guān)打向低電瓶時(shí)，先后按反順序循環(huán)點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。電路完好，能實(shí)現(xiàn)要求的功能。6性能的測(cè)試6.1時(shí)鐘脈沖電路將時(shí)鐘脈沖電路輸出端接示波器，如圖10所示。觀測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)值 由圖10得T=2s f=1T=10.002=0.500Hz脈沖源產(chǎn)生的測(cè)試電路圖示波器測(cè)試結(jié)果圖6.2連續(xù)運(yùn)行電路測(cè)試如圖，將開關(guān)置換到連續(xù)運(yùn)行狀態(tài) ,用邏輯分析儀測(cè)試信號(hào)輸出端的關(guān)系。連續(xù)運(yùn)行的測(cè)試電路圖邏輯分析儀測(cè)試正轉(zhuǎn)結(jié)果圖邏輯分析儀測(cè)試反轉(zhuǎn)結(jié)果圖7結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目所要求的以下功能：三相六拍步進(jìn)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、單步運(yùn)行、停車功能，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。

14、在這過程中也遇到了一些問題，比方單步運(yùn)行實(shí)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(jìn)行實(shí)物連接，但是通過仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了嚴(yán)格的仿真，可以說到達(dá)了預(yù)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(hào)，只要接通供電電源，就能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)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(gè)邏輯與非門和1個(gè)74LS191和1個(gè)74LS138來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配，通過開關(guān)進(jìn)行控制單步運(yùn)行和停車。整個(gè)電路簡(jiǎn)單可靠，操作方便，實(shí)用性高。通過兩周的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)數(shù)字電路有了進(jìn)一步的了解，對(duì)各電路器件如：555定時(shí)器、可逆計(jì)數(shù)器、譯碼器及與非門等及原理有了更深一層次

15、的認(rèn)識(shí)，既增強(qiáng)了我對(duì)電路原理的理解能力,也使我能將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中去，而且加強(qiáng)了我的動(dòng)手、思考和解決問題的能力。8性價(jià)比本次課程設(shè)計(jì)用的芯片和電阻電容都是用了一些在平時(shí)做實(shí)驗(yàn)中用過的，555定時(shí)器芯片組成的多諧振蕩器、與非門、可逆計(jì)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(gòu)置且價(jià)格廉價(jià)，在能夠完成相應(yīng)要求的情況下較其他元件相比性價(jià)比較高,有很強(qiáng)的實(shí)用性。9 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)通過這次對(duì)步進(jìn)電機(jī)脈沖分配電路的設(shè)計(jì)作，讓我了解了電路設(shè)計(jì)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(jì)理念，要設(shè)計(jì)一個(gè)電路先進(jìn)行軟件模擬仿真再進(jìn)行實(shí)際的電路制作。但是最后的成品卻不一定與

16、仿真時(shí)完全一樣，因?yàn)椋賹?shí)際接線中有著各種各樣的條件制約著。而且，在仿真中無(wú)法成功的電路接法，在實(shí)際中因?yàn)樾酒旧淼奶匦远軌虺晒ΑＫ?，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者的差異，從中找出最適合的設(shè)計(jì)方法。總的來(lái)說，這次設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制電路還是比較成功的，在設(shè)計(jì)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(diǎn)小小的成就感，終于覺得平時(shí)所學(xué)的知識(shí)有了實(shí)用的價(jià)值，到達(dá)了理論與實(shí)際相結(jié)合的目的，不僅學(xué)到了不少知識(shí)，而且鍛煉了自己的能力，使自己對(duì)以后的路有了更加清楚的認(rèn)識(shí)，同時(shí)，對(duì)未來(lái)有了更多的信心。這次做課程設(shè)計(jì)的過程中，感覺自己的收獲不少。通過這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)以前學(xué)過的模

17、電、數(shù)電等知識(shí)又重新的復(fù)習(xí)了一遍，又學(xué)到了很多相關(guān)知識(shí)，掌握了可逆計(jì)數(shù)器74LS191、譯碼器74LS138、555定時(shí)器及一些門電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，并且對(duì)Multisim軟件有了比較深入的學(xué)習(xí)和了解，對(duì)于我以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐有很大的指導(dǎo)意義。剛開始做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我對(duì)這個(gè)題目的了解不是很詳細(xì)，通過查閱書籍收集了一些資料，我知道了步進(jìn)電機(jī)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(jì)方案，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，也遇到了許多的問題，比方單步運(yùn)行實(shí)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(gè)設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)各個(gè)元件555定時(shí)器、74LS

18、191、74LS138芯片等的比較和認(rèn)識(shí)，找到了簡(jiǎn)單、正確的方法。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)那么，對(duì)具體的情況做到正確的判斷，做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的穩(wěn)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)過程中，我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)。在對(duì)陌生各種元件使用時(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解。這次課程設(shè)計(jì)使我真的了解并學(xué)到了許多自己在理論課上學(xué)不到的東西，將我在課堂上學(xué)到的東西應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，使自己對(duì)相關(guān)的知識(shí)學(xué)習(xí)的更加透徹，也從中明白了實(shí)踐的重要性，明白光學(xué)習(xí)理論知識(shí)是不夠的，我們還要與實(shí)際聯(lián)系起來(lái)才能對(duì)知識(shí)有更好的了解。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我還意識(shí)到了還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中多加練習(xí)。在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)根底上進(jìn)一步穩(wěn)固已學(xué)根本理論及應(yīng)用知識(shí)并加以綜合提高，學(xué)會(huì)將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)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(dǎo)和幫助，忠心感謝學(xué)校給我們提供這次時(shí)機(jī)。讓