步进电机的简单控制电路南昌航空大学.docx
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步进电机的简单控制电路南昌航空大学
数字电路课程设计任务书
2012－2013学年第1学期 第6周－7周
题目
步进电机的简单控制电路
内容及要求：
基本要求：
采用数字电路实现步进电机的简单控制，能够实现步进电机根据输入的脉冲旋转相应的圈数，可以实现复位、正反转控制。
实际试验由可以使用4个LED代替4个线圈。
提高要求：
显示输入的脉冲数目，从而显示转速。
进度安排：
1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：
3天；
2.领元器件、制作、焊接：
3天；
3．调试：
3.5天；
4.验收：
0.5天；
学生姓名:
指导时间：
指导地点：
任务下达
2012年10月8日
任务完成
2012年10月17日
考核方式
1.评阅□√ 2.答辩□3.实际操作□√4.其它□√
指导教师
系（部）主任
摘要
步进电机是一种将电脉冲转换成相应角位移或线位移的电磁式机械装置，也是一种能把输出机械位移增量和输入数字脉冲对应的驱动器件。
本次设计采用数字电路设计步进电机的控制电路，用四个LED灯来代替步进电机的四个线圈，采用74LS190计其脉冲的个数，再经过74LS138译码器译码后来控制4个LED的工作。
由开关控制74LS190的加、减计数和清零来实现4个LED的正反转和复位。
另外由另一个555控制一个74LS161的工作使计数器在单位时间内计数，并由数码管显示。
从而实现步进电机转速的测量。
关键字：
角位移、脉冲、译码器、转速
第一章设计任务与要求4
1.1步进电机的设计任务4
1.2步进电机的设计要求4
第二章控制电路的原理分析与设计5
2.1控制电路原理分析5
2.2控制电路的设计6
2.3方案比较与选择8
第三章单元电路设计9
3.1多谐振荡电路9
3.2步进电机的信号控制电路10
3.3转速的测量与显示电路12
第四章实验调试与分析15
4.1电路板的排版与制作15
4.2电路的调试及遇到的问题15
第五章实验结论16
第六章心得与体会17
参考文献18
附录元器件清单19
附录总原理图20
第一章设计任务与要求
1.1、步进电机控制电路的设计任务
本课题要求采用数字电路的相关知识设计一个步进电机的控制电路，该电路可以对步进电机的运行状态进行控制，本次设计使用四个LED灯来代替步进电机的四个线圈。
1.2、步进电机控制电路的设计要求
1、基本要求：
采用数字电路实现步进电机的简单控制，能够实现步进电机根据输入的脉冲旋转相应的圈数，可以实现复位、正反转控制。
2、提高要求：
利用数码管显示输入的脉冲数目，从而显示转速，利用控制电路可以实现多数码管的复位。
第二章控制电路原理分析与设计
2.1、控制电路原理分析
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。
您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
常见的有四相步进电机，示意图如图2.1所示
图2.1四相步进电机
开始时，开关SB接通电源，Sa、Sc、Sd断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关Sc接通电源，Sb、Sa、Sd断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
本次课程设计用四个LED灯来代表步进电机的四个线圈。
设计原理框图如图2.2所示
图2.2原理框图
脉冲信号一般是由单片机或CPU产生的，本次设计是采用NE555组成的多谐振荡器产生的脉冲信号，一般脉冲信号的占空比为0.3至0.4左右，步进电机转速越高，占空比则越大。
信号分配又叫脉冲分配器，其作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由计数器和译码器组成，也可以由环形计数器构成，本次设计是采用计数器和译码器组成的。
功率放大是驱动系统最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。
2.2控制电路的设计
控制电路的设计有三种方法如下：
方案一、设计了一种由NE555和74LS74芯片组成的三相步进电机的控制系统。
该系统采用弱电电路来控制强电电路,利用NE555的数字脉宽振荡电路产生时钟脉冲,通过二片74LS74中的三个D触发器,去控制驱动电路中的三个电磁继电器,驱动三相步进电机转动。
步进电动机转动的速度由脉冲信号的宽度来控制。
改变相线通电顺序可改变定子磁场旋转的方向,从而达到控制步进电动机正反转方向控制。
电路设计如图2.3所示
图2.374LS74芯片组成的电路
方案二、采用74LS190计其脉冲的个数，再经过74LS138译码器分频后来控制4个LED的工作。
由开关控制74LS190的加、减计数和清零来实现4个LED的正反转和复位。
另外由另一个555控制一个74LS161的工作使计数器在单位时间内计数，并由数码管显示。
从而实现步进电机转速的测量。
如图2.4所示。
图2.474LS190组成的电路
方案三、采用单片机51单片机组成控制电路系统，如图2.5所示
图2.551单片机组成的电路
2.3方案比较与选择
方案一：
电路只采用74LS74和NE555相对简单，所用到的芯片也较少，能达到控制步进电机的转向，但是该电路不能进行复位，也不能显示步进电机的转速。
方案二：
电路采用74LS190计其脉冲的个数，经过74LS138译码器译码后分频来控制四个LED的工作，并有数码显示功能从而显示步进电机的转速。
虽电路复杂，但是能达到控制步进电机的转向，并能显示步进电机的转速，且系统稳定。
方案三：
系统采用模块化设计，结构简单，可靠，操作简单易于掌握。
但是本次是数字电路课设且采用单片机造价成本较高。
所以综合考虑，选择方案二比较好。
第三章单元电路设计与分析
3.1多谐振荡电路
多谐振荡电路是由NE555定时器构成，产生的连续脉冲用来控制74LS190加减计数器的脉冲端。
NE555构成的多谐振荡电路图及波形图如图3.1所示。
图3.1NE555多谐振荡电路与波形图
如图3.1a图所示电路由采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。
调节滑动变阻器R1可以改变时间常数，从而改变连续脉冲的周期和脉宽。
工作原理：
由图3.1b图所示当电容C两端的电压
略小于
，Uo输出高电平，电源通过R1、R2给电容C充电。
随着充电的进行Uc逐渐增高，但只要
，输出电压Uo就一直保持高电平不变。
当电容C上的电压Uc略超过
时输出电压Uo从原来的高电平转到低电平。
此时电容C通过R2放电，随着电容C放电，Uc下降。
振荡周期T的计算公式：
………2.1
脉冲宽度计算公式：
………2.2
3.2步进电机信号控制电路
此控制电路主要由74LS190十进制同步加减计数器和74LS138来设计，利用74LS190的加减计数的原理在经过74LS138译码器来控制4个LED的正传反转，在利用74LS190清零管脚来控制LED灯的复位。
要使驱动LED正常工作采用灌电流驱动，步进电机信号控制电路如图3.2所示。
图3.2步进电机信号控制电路
74LS190功能表如表一
表一74LS190功能表
CT
LD
U/D
CP
功能
0
0
0
×
置数
0
1
0
↑
加计数
0
1
1
↑
减计数
1
×
×
×
保持
74LS190管脚图如图3.3所示
图3.374LS190管脚图
74LS138功能表如表二
表二74LS138功能表
74LS138管脚图如图3.4所示
图3.474LS138管脚图
3.3转速的测量与显示电路
此电路由单稳态电路，计数器和一个数码管显示电路组成。
由555构成的单稳态电路控制计数器74LS161的计数时间，经过74LS248译码器译码驱动数码管，使数码管显示在单位时间内所计的脉冲个数即步进电机的转速，开关的闭合可以使数码管清零。
电路图如图3.3所示
图3.5速测量与显示电路
74LS161为二进制同步计数器，具有同步预置数、异步清零以及保持功能。
74LS161功能表如表一所示
表三74LS161功能表
74LS161管脚图如图3.6示
图3.64LS161管脚图
74LS248是7段译码器，可以驱动共阴极数码管，功能表如表四。
表四74LS248功能表
74LS248管脚图如图3.7所示
图3.774LS248管脚图
数码显示器是采用的八共阴数码管，管脚图如图3.8所示，X是共阴极，DP是小数点，其内部是八段发光二极管的负极连在一起的电路，当在数码管的a、b、c、d、e、f、g、DP加上正电压时个发光二极管就点亮。
图3.8数码管管脚图
第四章实验调试及分析
4.1电路板的排版与制作
1、清点元器件查看是否缺少，对元器件进行测试；
2、需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；
3、先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；
4、布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；
5、最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久。
4.2电路的调试及遇到的问题
电路焊接完毕后，首先应检查电路的电源线和地线的走向，防止因为电源线或地线接错而导致烧坏芯片或者是电源等现象；仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误后，然后接通电源上电调试。
在调试的过程中，应该分块调试。
逐步检查单元电路，检查每个单元电路的逻辑输出和电平大小。
这样就可以逐步排除，更快的查到错误的地方。
在检查的过程中，不仅仅排除了虚焊、假焊、漏焊等焊接上的失误，还发现虽然电路原理没问题，但就是4个LED亮不起来，后来才发现是由于逻辑输出的电平过低，从而驱动不了4个发光二极管。
经过修改原理，采用了灌电流驱动数码管的方式解决了这个问题。
就是让发光二极管的正极接上了VCC，因此逻辑输出为0的时候发光二极管才会亮。
各个模块调试检查无误后，根据附录一原理图将各模块组合，检查无误后接通电源，观察记录结果。
可看到四个数码管依次点亮，会观察到LED灯会依次点亮，按“复位”键之后会回到第一个灯，当按下“正/逆”键，时灯亮的顺序会与原来反向。
按下测速键时，数码管有数字显示，计数持续一秒后停止，即显示电机预设时间内接收到的脉冲个数。
第五章实验结论
通过分析设计任务，本实验采用设计单元电路再组合成步进电机的简易逻辑控制电路。
先要用4个LED模拟步进电机的工作状态，从而确定其逻辑输出，再利用555产生一定频率的脉冲信号，通过计数器的计数和译码器的分频，最后实现其所需要的逻辑输出，从而到达模拟的效果。
本次试验基本实现了步进电机的简易逻辑控制的目的，实现了设计的要求，并达到了提高要求的目标。
第六章心得与体会
1、通过这次课程设计，加强了动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中，通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。
通过对他们的比较和认识，找到了简单、正确的方法。
2、通过对电路条件的限制，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，提高了我们对书本知识的掌握，也把我们从理论水平提高到实践水平。
3、通过本次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、在对各种方案进行排查时，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。
5、从理论到实践，在整整两星期的日子里，学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2000.
[2]彭介华.电子技术课程设计指导.北京：
高等教育出版社，2001.
[3]陈有卿。
555时基集成电路原理与应用.北京：
机械工业出版社，2006.
[4]阎石.数字电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2006.
附录元器件清单
NE555
1个
74LS190
1个
74LS248
1个
100KΩ
1个
LED灯
4个
数码管
1个
开关
3个
0.1uf电容
1个
10uf电容
1个
100uf电容
1个
30K电阻
1个
10K电阻
3个
100Ω电阻
4个
附录总原理图
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