步进电动机控制器

——步进电动机控制器

学院 电子信息工程学院

专业 电气工程及其自动化 班级 学号 姓名 指导教师

时间 2014年12月

1

步进电动机控制器

一 设计任务与要求

设计一个兼有三相六拍、三相三拍两种工作方式的脉冲配器。 1.能控制步进电动机作正向和反向运转。

2.设计驱动步进电动机工作的脉冲放大电路，使之能驱动一个相电压为24伏、相电流为0.2A的步进电动机工作。

3.设计步数显示和步数控制电路，能控制电动机运转到预置的步数时即停止转动，或运转到预定圈数时停转。

4.设计电路工作的时钟信号，频率为10HZ-10KHZ,且连续可调。

二 步进电动机控制器原理及总体框图

1. 工作原理

步进电动机接受步进脉冲而一步一步地转动，可以带动机械装置实现精密的角位移和直线移位，被广泛应用于各种自动控制系统。步进电动机的工作方式主要取决于输出步进脉冲的控制器电路。步进电动机由转子和定子组成，定子上绕制了 三相绕组，而转子上没有绕组。当三相定子绕组轮流接通驱动脉冲时，产生磁场吸引转子转动，每次的角度称为步距，其中，三相三拍方式的步距为3°，三相六拍方式的步距为1.5°。根据不同的信号频率形成不同的转速。由三相脉冲加入的不同相序形成正转反转。下面是两种工作方式的脉冲加入次序：

正转

AB BC CA

反转

正转

A AB B AB BC CA ··

BC CA C

反转

2

A AB B BC CA C

2.步进电动机控制器原理框图

工作方式选择 X 转动方选择向 Y 脉冲放大器 时钟电路 脉冲分配器 三 选择器件

器件清单：

序号 器件 1 边沿D触发器74LS74 2 非门74LS04 3 选择器74LS151 4 四输入或门74LS32 5 编码器74LS147 6 加减法计数器74LS192 7 LM555 8 十进制加法器74LS160 表3-1 器件清单 1.边沿D触发器74LS74 内部原理图如下：

个数 3 10 6 11 2 2 1 2 控制电路 步数计数器 译码器 步数显示

3

图3-1 74LS74原理图 管脚图如下：

图3-2 74LS74管脚图

管脚介绍：CP 时钟输入端；D 数据输入端；Q、零端。 逻辑符号：

图3-3 D触发器逻辑符号 D触发器功能表如下：

4

Q、输出端；S 指数端；R 清

表3-2 D触发器功能表 2.非门

非门管脚图：

图3-4 非门管脚图 非门逻辑符号：

图3-5 非门逻辑符号

3.8选1数据选择器（有选通输入端，互补输出）（74LS151) 74LS151管脚图如下：

图3-6 74LS151管脚图

5

引出端符号：

A、B、C 选择输入端 D0-D7 数据输入端

STROBE 选通输入端（低电平有效） W 反码数据输出端 Y 数据输出端 74LS151内部原理图如下

图3-7 74LS151内部原理图

74LS151功能表如下：

表3-3 74LS151功能表 4.四2输入或门74LS32 74LS32管脚图如下：

6

图3-8 74LS32管脚图 引出端符号

1A－4A 输入端 1B－4B 输入端 1Y－4Y 输出端 74LS32功能表如下

表3-4 74LS32功能表

5.10线-4线BCD优先编码器74LS147 74LS147内部原理图如下：

图3-9 74LS147内部原理图

74LS147管脚图如下：

7

图3-10 74LS147管脚图 引出端符号

1--9 编码输入端（低电平有效） ABCD 编码输入端（低电平有效） 引出端符号

1--9 编码输入端（低电平有效） ABCD 编码输入端（低电平有效） 74LS147功能表如下：

表3-5 功能表 6.加减法计数器74LS192 74LS192内部原理图如下：

图3-11 74LS192内部原理图

8

74LS192管脚图如下：

图3-12 74LS192管脚图 输入端符号：

CPD 减计数时钟输入端 CPU 加计数时钟输出端 CLR 异步清零端 P0--P3 并行数据输入端 LOAD 异步并行置入控制端 输出端符号：

Q0--Q3 输出端 BO 借位输出端 CO 进位输出端 74LS194功能表如下：

__________________

表3-6 74LS192功能表 7.LM555

555内部原理图如下

图3-13 LM555内部原理图

9

LM555CN管脚图如下：

图3-14 LM555管脚图

引脚编号：

TR 触发 OUT 输出 RES 复位 CV 控制电压 TH 阀值 DIS 放电

8.十进制同步计数器（异步清除） 74LS160 74LS160内部原理图如下：

图3-15 74LS160内部原理图 74LS160管脚图如下：

图3-16 74LS160管脚图

引出端符号：

TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0－Q3 输出端 CET 计数控制端

CP 时钟输入端（上升沿有效）

10

MR 异步清除输入端（低电平有效）

PE 同步并行置入控制端（低电平有效） 74LS160功能表如下：

表3-7 74LS160功能表

四 功能模块

1.时钟电路

图4-1 时钟电路

时间T：T2(RRp)C2ln2 脉冲频率：f1 T 频率变化范围近似为：10Hz--10000Hz。 2.脉冲分配器 变量赋值

X=0表示三拍 X=1表示六拍 Y=0表示正转 Y=1表示反转 A、B、C表示三相的脉冲信号 列状态方程

根据不同的工作方式和不根据不同的工作方式和不同转向可列出以下状态转换表

XY ABC 000 001 011 010 110 111 101 100 00 01

× × × × 101 110 × × 11

011 101 × × 110 011 × × 11 10 × × 011 101 010 001 110 011 100 010 × × 001 100 101 110 A的状态装换表

XY ABC 00 01 11 10 000 1 1 1 1 001 1 1 0 1 011 1 1 0 0 010 1 1 1 0 110 0 1 1 0 111 1 1 1 1 101 1 0 0 1 100 1 1 1 1 100 1 1 0 1 100 0 0 1 0 B的状态装换表 XY ABC 000 001 00 1 0 01 1 0 11 1 1 10 1 0 C状态装换表 XY ABC 000 001 00 01 11 10 0 0 0 0 1 1 1 1 011 0 1 1 0 011 1 0 0 1 010 1 1 1 1 010 0 0 0 1 110 1 0 0 1 110 1 1 0 0 111 1 1 1 1 111 0 0 0 0 101 1 1 0 0 101 0 1 1 0 根据A、B、C的状态装换表可列出A、B、C的状态方程

AX'Y'A'B'C'X'Y'A'B'CX'Y'A'BCX'Y'A'BC'X'Y'ABCX'Y'AB'CX'Y'AB'C'X'YA'B'C'X'YA'B'CX'YA'BCX'YA'BC'X'YABC'X'YABCX'YAB'C'XYA'B'C'XYA'BC'XYABC'XYABCXYAB'C'XY'A'B'C'XY'A'B'CXY'ABCXY'AB'CXY'AB'C'BX'Y'A'B'C'X'Y'A'BC'X'Y'ABC'X'Y'ABCX'Y'AB'CX'Y'AB'C'X'YA'B'C'X'YA'BCX'YA'BC'X'YABCX'YAB'CX'YAB'C'XYA'B'C'XYA'B'CXYA'BC'XYABCXY'A'B'C'XY'A'BC'XY'ABC'XY'ABCXY'AB'C'CX'Y'A'B'CX'Y'A'BCX'Y'ABC'X'YA'B'CX'YABC'X'YAB'CXYA'B'CXYAB'C'XYAB'C'XY'A'B'CXY'A'BCXY'A'BC'

脉冲分配器的整个电路连接图

12

图4-1 脉冲分配器

13

图4-2 脉冲计数器

14

X=0,Y=0时，电动机作三相三拍正转运动 X=0,Y=1时，电动机作三相三拍反转运动 X=1,Y=0时，电动机作三相六拍正转运动 X=1,Y=0时，电动机作三相六拍反转运动 3.脉冲计数器 步数控制电路，能控制电动机运转到预置的步数时即停止转动，或运转到预定圈数时停转。预置电路由74LS147、74LS192和一些门电路组合而成，74LS147输入数字后预置入由74LS192，74LS192减到0时控制电动机停止。步数控制电路可以由一个74LS160的计数器，步数显示电路可以由一个数码管译码器显示。 电路图如图4-2所示

说明：输入脉冲之前，输入数字后按下开关Z再打开开关置入数字。置数时， 0-9输入为个位，A-I输入为十位的1-9，十位的0为字母O。 4.脉冲放大器

脉冲放大器由二极管、三极管、稳压管、电机绕组组成。靠三极管的放大作用将信号放大。 电路图

图4-3 脉冲放大器

通过控制三极管的通断，控制绕组的通断。

五 总体设计电路图

（一）Multism2001仿真结果 1.时钟电路

15

图5-1 时钟电路仿真 2.步数计数器

图5-2步数计数器仿真

16

说明：当输入数字为22时，开启脉冲计数器到达二十二后脉冲停止。 3.脉冲分配器

X=0,Y=0时，电动机作三相三拍正转运动

X=0,Y=1时，电动机作三相三拍反转运动

X=1，Y=0时，电动机作三相六拍正转运动：

X=1,Y=1时，电动机作三相六拍反转运动：

17

说明：第一层为脉冲，第二层为A，第三层为B，第四层为C 4.脉冲放大器

A相绕组导通时：

B相绕组导通：

C相绕组导通时：

18

5.总体框图（图5-3 总体图）

19

20

（二）硬件连接电路图结论与心得

通过在数字电路试验箱上进行硬件实验, 我更进一步验证了步进电动机控制器各部分所要实现的功能.连接电路后, 植入数字，打开脉冲，电动机转到预置步数后即停止接线的时候一定要细心,不要接错,同时也要学会如何判别芯片的好坏,要是芯片坏了即使接线再正确也出不来结果。对设计图要仔细考虑电极不能接错，每个芯片的管脚一定要看清楚。例如电容器上的标记方向要易看可见。 六 实验感言

1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。

2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

3、我沉得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，我们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。 4、经过两个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。 5、此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

6、在此，感谢于老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

21