三相六拍步進(jìn)電機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p><b>　　數(shù)字電子技術(shù)課程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　報(bào)</b></p><p><b>　　告</b></p>

2、<p>　　學(xué)院： 物理與信息工程 </p><p>　　班級(jí)： B11072011（自動(dòng)化一)</p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>

3、<p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 2013.6.3--6.14 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)相關(guān)知識(shí)介紹…………………………………………………3</p><p>　　方案設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………3</p><p>　　1.電路要求

4、設(shè)計(jì)…………………………………………………………3</p><p>　　2.電路所用實(shí)驗(yàn)儀器……………………………………………………………3</p><p>　　二、總體設(shè)計(jì)原理及框圖……………………………………………………4</p><p>　　三、步進(jìn)電機(jī)原理…………………………………………………………………5</p><p>　　1.步

5、進(jìn)電動(dòng)機(jī)………………………………………………………………………5 </p><p>　　2.三相六狀態(tài)步進(jìn)電機(jī)工作原理………………………………………………5</p><p>　　四、各分框圖中電路設(shè)計(jì)及計(jì)算…………………………………………6</p><p>　　1.時(shí)鐘脈沖電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………………6</p><

6、;p>　　2.整形電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………7</p><p>　　3.三相六拍環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)…………………………………………………8</p><p>　　4.手動(dòng)控制電路……………………………………………………………………9</p><p>　　5.功率放大電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………9<

7、/p><p>　　五、元件表……………………………………………………………………………10</p><p>　　六、收獲體會(huì)………………………………………………………………………11</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)相關(guān)知識(shí)介紹</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字信號(hào)控制的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，若在其輸入端加入一個(gè)脈沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或移動(dòng)一定

8、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(duì)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—AB—B—BC—C—CA—A。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。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°。</p><p>

9、　　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。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(dòng)器。三者組成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。環(huán)形脈沖分配器的設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)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)。</p><p>　　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(chǎng)已有

10、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。</p><p><b>　　方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　電路設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　對(duì)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(kāi)順序控

11、制。即：</p><p>　　正轉(zhuǎn)順序：A-AB-B-BC-C-CA-A：反轉(zhuǎn)順序：A-AC-C-CB-B-BA-A</p><p>　　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：</p><p>　?。?）可正轉(zhuǎn)起動(dòng)或反轉(zhuǎn)起動(dòng)；</p><p>　?。?）運(yùn)行過(guò)程中，點(diǎn)擊能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、保持；</p>

12、;<p>　　（3）可使用手動(dòng)使時(shí)鐘頻率f=1~50Hz，連續(xù)可調(diào)。</p><p>　　2.電路用到的實(shí)驗(yàn)儀器</p><p>　　74LS00*3（與非門）</p><p>　　74LS74*2（D觸發(fā)器）</p><p>　　74LS04 *1(非門) </p><p><b>　　LED

13、燈*3 </b></p><p>　　+5V 電源導(dǎo)線若干時(shí)鐘頻率發(fā)生器</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)原理及框圖</b></p><p>　　通常來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所要實(shí)現(xiàn)的功能簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)（來(lái)自控制器），它就驅(qū)動(dòng)

14、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)電路整體框圖如圖。</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)原理</b></p><p><b>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)　　</b></p><p>　　一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動(dòng)卻是一步一步

15、轉(zhuǎn)動(dòng)的，故叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動(dòng)機(jī)）。因此步進(jìn)電動(dòng)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。 </p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)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(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。&l

16、t;/p><p>　　三相六狀態(tài)步進(jìn)電機(jī)工作原理 </p><p>　　設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A′對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)了15°。接著A相斷電，B

17、相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B′極對(duì)齊（圖2.c），轉(zhuǎn)子從圖(2.b)的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15°。其位置如圖3d所示。這樣，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A?的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角15°。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A?的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　圖

18、 2 步進(jìn)電機(jī)通電方式及原理圖</p><p>　　各分框圖中電路設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p><b>　　時(shí)鐘脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　這里采用的是555定時(shí)器來(lái)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(lái)時(shí)即可觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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

19、。它不僅用于信號(hào)的產(chǎn)生和變換，還常用于控制與檢測(cè)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(hào)引腳電源端，4號(hào)引腳復(fù)位端，3號(hào)引腳輸出端，1號(hào)引腳接地端，7號(hào)引腳放電端，2號(hào)引腳觸發(fā)輸入端，6號(hào)引腳閥值輸入端和5號(hào)引腳控制電壓端。電路實(shí)現(xiàn)的原理是，通過(guò)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。具體設(shè)計(jì)電路如圖3所示。</p><

20、p>　　圖 3 脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　圖4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,則 </p><p><b>　　電路的振蕩周期為 </b></p><p>　　T=(R 1+R 2)C 1ln3 </p><p>　　T=0.24ms 振蕩頻率為 </p><p>

21、;<b>　　f=1/T </b></p><p><b>　　f=4.1KHz</b></p><p><b>　　整流電路</b></p><p>　　采用555定時(shí)器構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器作為整形電路。</p><p><b>　　3.環(huán)形脈沖分配器</b

22、></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖分配可以由硬件和軟件兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)形分配器需要根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和要求的通電方式而設(shè)計(jì)專門的電路，圖5所示為一個(gè)三相六拍的環(huán)形分配器。</p><p>　　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(dòng)機(jī)A、B、C三相繞組連接。當(dāng)QA＝1時(shí)，A相繞組通電；QB＝1時(shí)，B相繞組通電；QC＝1時(shí)，C

23、相繞組通電。DR+和DR-是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)。</p><p>　　正轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A－AB－B－BC－C－CA </p><p>　　反轉(zhuǎn)時(shí)，各相通電順序：A－AC－C－CB－B－BA </p><p>　　環(huán)形分配器輸出的三路信號(hào)A、B、C分別經(jīng)過(guò)脈沖放大器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電</p><p><b>　　機(jī)的三相繞

24、組。</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　手動(dòng)控制電路</b></p><p>　　在脈沖源輸出端接入一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，控制兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。點(diǎn)動(dòng)控制由按動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，</p><p>　　開(kāi)關(guān)兩端分別接入高電平和低電平，觸動(dòng)開(kāi)關(guān)使其在

25、高低電平之間轉(zhuǎn)換便實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)動(dòng)控制。電路如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 點(diǎn)動(dòng)控制</b></p><p><b>　　功率放大電路</b></p><p>　　該部分電路的唯一功能就是對(duì)前級(jí)電路的輸出端的電流放大，從而足夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。該部分電路圖如圖所示。</p><p>　　由于

26、脈沖分配器輸出端輸出電流很小，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大。為了滿足驅(qū)動(dòng)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖中使用三級(jí)晶體管放大，經(jīng)A相、B相、C相三極管放大，在通過(guò)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。</p><p>　　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。因而影響電機(jī)繞組電流的大小。繞組斷電

27、時(shí)，電感中磁場(chǎng)的儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　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。</p><p><b>　　元件表</b></p><p><b>　　收獲體會(huì)</b></p><p>　　通

28、過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我加強(qiáng)了動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各個(gè)元件的比較和認(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)則，對(duì)具體的情況做到正確的判斷，提高了我們對(duì)書本知識(shí)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(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(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(guò)程中，我了解了