数字逻辑课设报告--三相六拍步进电机控制器

一、概述 步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。若在其输入端加入一个脉冲信号,该电机就会转过一个步距角。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

三相六拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。它与普通电机一样,分为定子和转子两部分,在定子的6个磁极上分别绕有绕组,对称的绕组形成一相绕组,三相电机有A 、B 、C 三相绕组。每给一相绕组通电一次称为一拍。三相六拍步进电机工作的正转次序为A —AB —B —BC —C —CA —A ,反转次序为A —AC —C —CB —B —BA —A 。步进电机每步旋转的角度大小,称为步距角。它是由电动机本身转子的齿数和每一个通电循环内通电节拍决定的,三相六拍模式的步距角为15°。

脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相绕组,使各相绕组轮流接受脉冲信号的控制,通常是由环形分配器来实现的。它是一个中间转换环节,前面与时钟脉冲电路相接,后面接驱动电路。三者组成了步进电机的控制器。环形脉冲分配器是本次课程设计的重点和难点。

二、方案论证

利用数字逻辑电路设计一个三相六拍步进电机控制器,可以实现正转、反转、单步运行、停车等功能。

方案一:

本方案由直流稳压电源电路提供电源;时钟脉冲电路是555定时器芯片组成的多谐振荡器;环形分配器部分由74LS191加减可逆计数器和与非门电路用置数法组成6进制计数器,分别控制步进电机的正转、反转,再通过74LS138译码器和3个与非门电路实现六拍的组合逻辑函数,实现三相六拍步进电机的六拍循环。步进电机的单步运行功能的实现只需通过按动开关进行高低电平信号的转换即可,停车功能只要停止脉冲就能实现。

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三相六拍步进电机控制器由直流稳压电源电路、时钟脉冲电路、环形分配器、驱动电路组成,其原理框图如图1所示。

图1 方案一原理框图 步进电机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候,步进电机停止,在输入端加入一个脉冲信号,该步进电机就会转过一个步距角。改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。该电路的时钟脉冲电路给环形分配器提供输入脉冲,环形分配器将输入时钟脉冲信号转换成A 、B 、C 三相绕组所需的顺序控制信号,经驱动电路后,加到电机的三相绕组上,驱动三相六拍步进电机转动。改变脉冲信号的输入顺序,就可以实现三相六拍步进电机的正转和反转。

方案二:

本方案由555定时器芯片组成的施密特电路作为脉冲源;六拍循环电路部分由JK 触发器组成的可逆计数器和必要的门电路组成6进制计数器,再通过74LS138译码器和必要的门电路实现六拍的组合逻辑函数,就能实现三相六拍步进电机的正转、反转;通过按动开关进行高低电平信号的转换实现单步运行功能,停车功能的实现通过停止脉冲源提供脉冲即可。 步进电机输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,就能改变步进电机的转动方向。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。给电机加一个脉冲信号,电机就能转过一个步距角。

三相六拍步进电机控制器由直流稳压电源电路、脉冲源、单步运行电路、六拍循环电路、驱动电路组成,其原理框图如图2所示。

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图2 方案二原理框图

脉冲源根据要求控制步进电机运转,脉冲源给六拍循环电路提供输入脉冲,JK 触发器组成的加减可逆计数器、74LS138译码器与非门电路构成六拍循环电路。JK 触发器是数字电路触发器中的一种电路单元,具有置0、置1、保持和翻转功能,利用JK 触发器的翻转功能,计数器实现加法或减法计数,脉冲分配器的正反转工作方式由JK 触发器的输出端按其要求进行组合。

本设计采用的是方案一,555构成的多谐振荡电路作为脉冲源不需要外加信号,只要接通供电电源,就能自动产生矩形脉冲信号;74LS191做可逆计数器,电路比较简单,性价比较高。

三、电路设计

1、直流稳压电源电路

直流稳压电源主要由三部分组成:电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。 该电路采用电源变压器将220V ,50Hz 电网交流电压u 1变为整流电路所需的交流电压u 2;由单相全波桥式整流电路将变压器次级交流电压u 2变为单向的直流电压u 3;由滤波电路滤除脉动电压u 3中的谐波分量,输出比较平滑的直流电压u 4;由稳压电路C 1抵消输入线较长时产生的电感效应,防止电路自激振荡;C 2用于消除输出电压中的高频噪声。电路如图3所示。

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图3 直流稳压电源电路图

计算公式如下:

电源变压器 u2=u1÷n=220÷10=22 V

整流滤波电路 u4=1.1×u 2=22.4 V

稳压电路 uo =5 V

2、时钟脉冲电路

这里采用的是555定时器来作为时钟脉冲电路,产生一系列频率可调的方波脉冲,每当一个脉冲的上升沿到来时即可触发步进电机转过一个步距角。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路,由555定时器构成的多谐振荡器,组成信号产生电路。电路实现的原理是:通过对电容的充放电来得到一系列脉冲,改变充电或放电的时间即可改变脉冲的频率。具体设计电路如图4所示。

图4 时钟脉冲电路图

图4中R 1=85kΩ,R 1=100kΩ,C 1=10nF,则

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电路的振荡周期为

T=(R1+2×R 2) ×C 1×ln2

T=1.995ms

振荡频率为

f=1÷T

f=501.2Hz

3、环形分配器电路

这一部分是整个电路的关键所在,这里利用4个逻辑与非门和1个74LS191和1个74LS138来实现环形脉冲分配。对步进电机三个绕组的通电方式进行控制,三相六拍步进电机的正转顺序:A-AB-B-BC-C-CA-A ,反转顺序:A-AC-C-BC-B-AB-A ,由此实现电机的步进。

用74LS191可逆计数器和必要的门电路组成6进制计数器。74LS191本身有16个状态,6进制则取其中的6个状态。根据表1可知当M 接低电平,74LS191实现加法计数,即步进电机正转;反之,步进电机反转。

表1 74LS191功能表

译码器采用3线—8线74LS138芯片,由表2可得逻辑关系为(设A 相为X ,B 相为Y ,C 相为Z ):

X(A,B,C,)=(Y0ˊY1ˊY5ˊ) ˊ

Y(A,B,C,)=(Y1ˊY2ˊY3ˊ) ˊ

Z(A,B,C,)=(Y3ˊY4ˊY5ˊ) ˊ

表2 74LS138译码器真值表

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环形分配器电路图如图5所示

图5 环形分配器电路图

用74LS191可逆计数器和与非门电路用置数法连接成6进制计数器,QB 、QC 接与非门接到置数端(LOAD ),在MAX/MIN端接一个开关S1,控制加减法计数。当MAX/MIN接低电平时,实现加法计数,步进电机正转;当MAX/MIN接高电平时,实现减法计数,步进电机反转。由74LS191输出的逻辑信号为QA 、QB 、QC ,经74LS138和与非门译码后输出A 、B 、C 的六拍工作状态。三相六拍步进电机正转顺序:A-AB-B-BC-C-CA-A ,其逻辑表示为A=000,AB=001,B=010,BC=011,C=101,CA=101。根据逻辑表示用与非门输出A 、B 、C 的相(设A 的相为X,B 的相为Y,C 的相为Z ,X(A,B,C,)=(Y0ˊY1ˊY5ˊ) ˊ,Y(A,B,C,)=(Y1ˊY2ˊY3ˊ) ˊ,Z(A,B,C,)=(Y3ˊY4ˊY5ˊ) ˊ),接到驱动电路,控制三相六拍步进电机的转动。

4、单步运行电路

单步运行触发的原理跟连续运行触发的通电方式相同。如图6,在时钟脉冲电路的输出端设置一个单刀双掷开关S2,用来实现连续运行以及单步运行的控制。图中此时为连续运行方式,当S2开关切换至与按钮开关J1相连时,为单步运行方式电路。单步运行电路的设计思想是:利用J1按钮来控制高、低电平的切换。当按钮按下时,输出为高电平,当松开按钮时,变为低电平。按下或松开按钮J1即可实现脉冲信号的产生,脉冲信号的频率由按下按钮的频率决定。当S2打到与J1相连,J1处于低电平状态时,三相六拍步进电机实现停车功能。单步运行电路图如图6所示。

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图6 单步运行电路图

5、驱动电路

驱动电路是主电路和控制电路之间,用来对控制电路的信号进行放大的中间电路。驱动电路的基本任务,就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求,转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通或关断的信号。 本设计用功率放大电路作为驱动电路,功率放大电路是放大电路的末级(即输出级)输出一定的功率,以驱动负载,能够向负载提供足够信号功率的放大电路。功率放大电路图如图7所示。

图7 甲乙互补功率放大电路

功放工作电压为Vcc=15V,饱和管压降为|Uces|=3V,电机负载为R=8欧。则电机最大不失真电压为:Uom=Vcc-|Uces|=12V, 电流为I=Uom÷R=(Vcc-|Uces|)÷R=

1.5A ,功率为P=U×I=12×

1.5=18W.

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四、性能的测试

1、直流稳压电源的测试

将直流稳压电源输出端接万用表,如图8所示。观测其输出值,由图9知输出直流为5.024V ,理论值为5V ,满足设计要求。

图8 直流稳压电源的测试电路图

图9 万用表测试结果图

2、时钟脉冲电路

将时钟脉冲电路输出端接示波器,如图10所示。观测其输出波形,由图11知脉冲周期T=2ms,f=500Hz,理论值: T=1.995ms,f=501.2Hz,满足设计要求。

理论值 T=(R1+2×R 2) ×C 1×ln2=1.995ms

f=1÷T=501.2Hz

实验值 由图10得T=2ms

f=1÷T=1÷

0.002=500Hz

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图10 脉冲源产生的测试电路图

图11 示波器测试结果图

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3、连续运行电路测试

如图12,将开关S2置换到连续运行状态 ,用逻辑分析仪测试信号输出端的关系。

图12 连续运行的测试电路图

图13 逻辑分析仪测试正转结果图

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图14 逻辑分析仪测试反转结果图

如图12中将S2接到连续运行状态,S1接到低电平时,步进电机实现正转,测试结果如图13所示;S1接到高电平时,步进电机实现反转,测试结果如图14所示。图13和图14中三个信号分别为A 、B 、C ,由图13可看出正转顺序:A-AB-B-BC-C-CA-A ,图14可看出反转顺序:A-AC-C-BC-B-AB-A ,符合三相六拍步进电机的转动规则,满足连续运行状态的电路设计要求。 4、单步运行电路测试

把单刀双掷开关S2打到与J1相连,即单步运行状态,输出端接入三个小灯泡便于观察信号的变化,每按动一次开关J1,输出一个脉冲信号,三相六拍步进电机转动一次。S1接低电平实现电机正转,接高电平实现电机反转。三相六拍步进电机正转:A-AB-B-BC-C-CA-A ,反转:A-AC-C-BC-B-AB-A 。当S2打到与J1相连,J1处于低电平状态时,三相六拍步进电机实现停车功能。测试如图15所示。

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图15 单步运行测试电路图

5、电路整体性能测试

用直流稳压电源电路提供电源,使三相六拍步进电机控制器实现正转、反转、单步运行、停车功能。直流稳压电源提供5V 的电压给时钟脉冲电路(555定时器组成的多谐振荡器)、环形分配器(由74LS191加减可逆计数器和与非门电路用置数法组成6进制计数器,再通过74LS138译码器和3个与非门电路实现六拍的组合逻辑函数),时钟脉冲电路提供脉冲给环形分配器,实现三相六拍步进电机的正转、反转,用开关控制高低电瓶之间的转换,实现单步运行和停车功能。测试图如图16所示。

图16 整体性能测试电路图

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五、结论

本次课程设计实现了题目所要求的以下功能:三相六拍步进电机能实现正转、反转、单步运行、停车功能,从而实现了对三相六拍步进电机控制器的设计。在这过程中也遇到了一些问题,比如单步运行实现不了,但经过老师的帮助,得到了很好的解决。虽然没有进行实物连接,但是通过仿真软件对电路进行了严格的仿真,可以说达到了预期的目的。

电路是由555构成的多谐振荡电路作为脉冲源不需要外加信号,只要接通供电电源,就能自动产生矩形脉冲信号关键部分是环形分配电路;最关键部分是脉冲分配器,我利用4个逻辑与非门和1个74LS191和1个74LS138来实现环形脉冲分配,通过开关进行控制单步运行和停车。整个电路简单可靠,操作方便,实用性高。

通过两周的课程设计,使我对数字电路有了进一步的了解,对各电路器件(如:555定时器、可逆计数器、译码器及与非门等)及原理有了更深一层次的认识,既增强了我对电路原理的理解能力, 也使我能将所学的知识运用到实际当中去,而且加强了我的动手、思考和解决问题的能力。

六、性价比

本次课程设计用的芯片和电阻电容都是用了一些在平时做实验中用过的,555定时器芯片组成的多谐振荡器、与非门、可逆计数器74LS191、译码器74LS138及电压源等。电路中所用的器件都是易于购买且价格便宜,在能够完成相应要求的情况下较其他元件相比性价比较高, 有很强的实用性。

七、课设体会及合理化建议

这次做课程设计的过程中,感觉自己的收获不少。通过这次课程设计使我对以前学过的模电、数电等知识又重新的复习了一遍,又学到了很多相关知识,掌握了可逆计数器74LS191、译码器74LS138、555定时器及一些门电路的内部结构及工作原理,并且对Multisim 软件有了比较深入的学习和了解,对于我以后的学习和实践有很大的指导意义。

刚开始做这个课程设计的时候我对这个题目的了解不是很详细,通过查阅书籍收集了一些资料,我知道了步进电机的工作原理,也了解了三相六拍的含义。确定了最初的设计方案,在实际设计过程中,也遇到了许多的问题,比如单步运行实现不了,

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但是通过查阅资料及老师的帮助后一一解决了,最终的结果基本上可以完成题目的要求。

我在整个设计过程中,通过对各个元件(555定时器、74LS191、74LS138芯片等)的比较和认识,找到了简单、正确的方法。对电路条件的限制、要求能更深次地理解各种器件的原理及使用规则,对具体的情况做到正确的判断,做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。在对陌生各种元件使用时,我们才了解到我们现在的知识水平还很有限,需要我们自己拓展,要多看一些关于其他类型的不同的见解。这次课程设计使我真的了解并学到了许多自己在理论课上学不到的东西,将我在课堂上学到的东西应用到实际当中,使自己对相关的知识学习的更加透彻,也从中明白了实践的重要性,明白光学习理论知识是不够的,我们还要与实际联系起来才能对知识有更好的了解。在实际设计过程中,我还意识到了还有一些地方掌握得不是很好,还需在以后的学习和实验中多加练习。在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高,学会将知识应用于实际的方法,提高分析和解决问题的能力。

在此,忠心感谢曹老师给我的教导和帮助,忠心感谢学校给我们提供这次机会。让我能够更好的更系统的学习数字电路和模拟电路这些课程,能够更好的理解电子设计的相关知识。加强了动手、思考和解决问题的能力。提高了我们对书本知识的掌握,也把我从理论水平提高到实践水平。

参考文献

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[2] 童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础. [M]北京:高等教育出版社,2006年 [3] 彭介华主编. 电子技术课程设计指导. [M]北京:高等教育出版社,2008年 [4] 梁宗善主编. 电子技术基础课程设计. [M]武汉:华中理工大学出版社,2009年 [5] 毕满清主编. 电子技术实验与课程设计. [M]北京:机械工业出版社,2005年 [6] 谢自美主编. 电子线路综合设计. [M]武汉:华中科技大学出版社,2006年 [7] 谢自美主编. 电子线路设计·实验·测试(第二版). [M]武汉:华中科技大学出版社,2000年

[8] 陈隆昌主编. 控制电机. [M]西安:西安电子科技大学出版社,2004年

[9] 李银华主编. 电子线路设计指导. [M]北京:北京航空航天大学出版社,2005年 [10] 孙肖子、邓建国等主编. 电子设计指南. [M]北京:高等教育出版社,2006年

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总电路图

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附录I

附录II 元器件清单

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