步进电机实验报告.doc
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北京工业大学电子课程设计报告
（数电部分）
题目：
步进电机
一、设计题目
步进电机控制电路
二、设计任务和设计要求
1.设计任务：
本课题要求设计一个步进电机的控制电路，该电路能对步进电机的运行状态进行控制。
2.设计技术指标及设计要求：
基本要求：
（1）.能控制步进电机正转和反转及运行速度，并由LED显示运行状态。
（步进电机工作方式可为单四拍或双四拍）。
A．单四拍方式，通电顺序为A—B—C—D—A
B．双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB
（2）.测量步进电机的步距角。
（通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角）。
扩展要求：
设计步进电机的工作方式为四相八拍。
脉冲发生电路
控制电路
驱动电路
步进电机
脉冲显示
环行脉冲分配电路
C．四相八拍方式，通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A
（3）.设计框图
（4）.参考元器件：
步进电机，发光二极管，续流二极管IN4004，复合三极管TIP122；5Ω（1W）电阻，其它电容、电阻若干。
三、设计框架
首先我们先设计一个脉冲发生电路，我们选择用ne555设计这个脉冲发生电路，用于提供我们整个电路的时钟信号，然后将这个时钟置于74ls161芯片的时钟端，使161处于计数状态，然后161会在输出端产生0000到1111的序列，这里我们只用前三个端口，然后经过一定的组合将这三个端口接到74ls138译码器的输入端口，使译码器处于工作状态然后列真值表，确定A、B、C、D四相的逻辑表达式，并按照表达式进行组合，最后将A、B、C、D四相分别连接驱动电路，接上电机。
我们首先形成一个脉冲发生电路，如图所示：
这个脉冲电路用于提供整个电路的时钟信号。
由于我们还要实现步进电机的变速，有此电路的频率公式f=1/[ln2（R1+2R2）C]和q=（R1+R2）/（R1+2R2），可知，我们只需改变R1的电阻大小即可。
这样会对时钟频率产生影响，从而改变电机的转速。
接下来是环形脉冲分配电路。
首先我们写出我们需要的真值表，然后计算出逻辑表达式，最后根据逻辑表达式进行电路的连接。
在这个过程中，由于考虑不周，我们遇到了一些问题，需要在第四节讲明。
然后是驱动电路，这我会在第五节进行详解。
四、设计方案的选择和比较
1、第一种电路：
我们刚开始设计的真值表是这样的如下：
Y0’
Y1’
Y2’
Y3’
Y4’
Y5’
Y6’
Y7’
单四
双四
四八
0
1
1
1
1
1
1
1
A
1
A
1
0
1
1
1
1
1
1
1
AB
AB
1
1
0
1
1
1
1
1
B
1
B
1
1
1
0
1
1
1
1
1
BC
BC
1
1
1
1
0
1
1
1
C
1
C
1
1
1
1
1
0
1
1
1
CD
CD
1
1
1
1
1
1
0
1
D
1
D
1
1
1
1
1
1
1
0
1
DA
DA
然后根据真值表我们得到的逻辑表达式为：
单四：
A=Y0’ B=Y2’ C=Y4’ D=Y6’
双四：
A=Y7’Y1’ B=Y1’Y3’ C=Y3’Y5’ D=Y5’Y7’
四相八拍：
A=Y7’Y0’Y1’ B=Y1’Y2’Y3’ C=Y3’Y4’Y5’ D=Y5’Y6’Y7’
可以得出结论：
步进电机的每个相都由75LS138的各个输出端的相应组合控制，只要这些输出端有一个端输出为0时该端所控制的相工作。
由此可以画出步进电机控制电路部分的电路图。
通过控制开关从而屏蔽一些端口的信号（注：
左边的八根线分别对应74ls138从Y0’到Y7’这八个端口），比如当右边的开关同时接在高电平时，则Y1’，Y3’，Y5’，Y7’被屏蔽，所以没有双拍的信号，此时为单四。
同理，将左边的开关接高，产生双四信号。
两边都不接高，而是接在信号端口，则是四相八拍信号。
上图电路只能实现四项八拍，单四，双四的单一方向转动的工作方式，不能实现正转、反转切换的工作方式，为实现正转和反转能够同时在一个电路完成的目的，将对此电路进行改进。
我们有两种方案。
1.我们要实现正传和反转，只需改变输出信号就可以了，将输出信号倒转，A-D’，B-C’，C-B’，D-A’，
（A代表正传的信号多口，A’代表通过开关改变后的端口）。
由此我们设计出左边的这个连线图，当开关同时向上时，为一种转向，开关向下时，为另一种转向。
这样我们就实现了步进电机的正传和反转。
2.我们也可以通过改变输入信号的次序来改变正反向。
只要我们用两个38译码器作为输入，并且将他们的输出端反向接在一起，让他们分别工作，这样就可以从输入信号的改变达到反向的目的。
连线图如下：
由于与非门悬空相当于置一，所以我们通过使能端G来控制38译码器时，必须在将一个接高时，另一个接地，这样才能达到片选的效果。
还有如果将38译码器的输出端直接反向接在一起的话，在仿真软件上是不能仿真的，所以我们用两片74LS08与门将输出端接在一起。
这时我们的电路已经基本完成了，我们要分析一下我们所需的器件。
如果我们选用第一种方法反向的话，我们用的开关比较多，首先用来控制产生四项八拍，单四，双四的开关需要4个（由于这八个单刀单掷开关开合的方向是一致的，所以可以用四个双刀双置开关代替），控制正反向的需要2个双刀双置开关总共要6个开关。
开关比较多，但是相比第二种方法用的芯片比较少。
第二种方法虽然用了5个双刀双置开关，但是比第一种方法多了一片74LS138，两片74LS08。
两种方法都不是最理想的。
此时的电路有一个很致命的问题。
我们给出的真值表中我们发现随着38译码器的输出端依次有效输出，我们得到的有效的四相依次为：
A-1-B-1-C-1-D-1-A（单四拍）
1-AB-1-BC-1-CD-1-DA-1（双四拍）
A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A（四相八拍）
由此可以看出我们设计的电路在单四拍和双四拍时会有一些我们不需要的信号产生，即高电平信号，我们对应的仿真图如下：
通过观察输出端的波形图我们发现，单四拍和双四拍有不需要的高电平信号出现，但是四相八拍还是正常的，这与我们刚刚分析的是一样的。
产生这样的信号会对实验有什么影响的呢？
由于我们最后的驱动电路的设计，我们可以发现正是这个高电平信号会对驱动电路端产生一个短时间的短路，这会很容易就烧掉试验箱的保险丝的，更不用说去用到实际生活中了。
2、第二种电路：
最后我们的电路进行了一些修改，首先我们意识到这些高电平信号会对电路产生不好的影响，我们可以通过改变真值表的方法来使高电平信号消失。
我们修改后的真值表如下：
Y0’
Y1’
Y2’
Y3’
Y4’
Y5’
Y6’
Y7’
单四
双四
四八
0
1
1
1
1
1
1
1
D
DA
A
1
0
1
1
1
1
1
1
A
AB
AB
1
1
0
1
1
1
1
1
A
AB
B
1
1
1
0
1
1
1
1
B
BC
BC
1
1
1
1
0
1
1
1
B
BC
C
1
1
1
1
1
0
1
1
C
CD
CD
1
1
1
1
1
1
0
1
C
CD
D
1
1
1
1
1
1
1
0
D
DA
DA
经过我们这样的修改，我们得到的逻辑表达式会有一些改变，
四相八拍：
A=Y7’Y0’Y1’ B=Y1’Y2’Y3’ C=Y3’Y4’Y5’ D=Y5’Y6’Y7’
单四拍：
A=Y0’’Y1’*1 B=Y2’Y3’*1 C=Y4’Y5’*1 D=Y6’Y7’*1
双四拍：
A=Y7’Y0’Y1’*Y2’ B=Y1’Y2’Y3’* Y4’ C=Y3’Y4’Y5’*Y6’ D=Y5’Y6’Y7’*’Y0’
星号后面是相比四相八拍的改变项；由此我们可以得到新的连线方法，用这种方法连接的电路不会出现高电平的干扰信号，因为我们设计的真值表中就没有高电平这一项。
下面是我们通过分析出来的逻辑表达式设计的中部连接图：
同样，左边的八根线分别接38译码器的输出端，最右边接步进电机的四相。
同样我们有两种方案进行反向。
但是无论我们用哪种方案进行实现反向我们都需要很多器件实现我们的电路，而且这样连线时，是很复杂的。
于是我们需要寻找更为简洁的电路。
3、最终电路的确定：
我们先将真值表中关于四相八拍的写下来：
Y0’
Y1’
Y2’
Y3’
Y4’
Y5’
Y6’
Y7’
四八
0
1
1
1
1
1
1
1
A
1
0
1
1
1
1
1
1
AB
1
1
0
1
1
1
1
1
B
1
1
1
0
1
1
1
1
BC
1
1
1
1
0
1
1
1
C
1
1
1
1
1
0
1
1
CD
1
1
1
1
1
1
0
1
D
1
1
1
1
1
1
1
0
DA
通过观察我们发现当输出端依次有效时，会产生四相八拍信号，我们怎样才能修改才能让电路产生单四拍和双四拍呢？
我们发现，要实现单四拍，只需要38译码器输出端一次产生这样的信号即可：
Y0’Y0’>>Y2’Y2’>>Y4’Y4’>>Y6’Y6’。
这样我们可以通过改变38译码器的输入端来实现。
我么可以写出对应的38译码器输入端的信号次序：
000>000>010>010>100>100>110>110，同理我们也可以写出双四拍对应的信号：
001>001>011>011>101>101>111>111。
此时我们还不能看出什么规律，我们将他们写在同一个表格中：
单四拍
双四拍
四相八拍
C
B
A
C
B
A
C
B
A
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
通过我们的观察，我们发现当38译码器的输入端A置为高电平时，电路实现双四拍；当38译码器的输入端A置为低电平时，电路实现单四拍；当38译码器的输入端A接161计数器Q0时，电路实现四相八拍。
这样我们的环形脉冲分配电路就完成了。
我们与前面不同的是，前面是通过对38译码器的输出端进行组合来产生我们所需的信号的；而我们现在是通过改变38译码器的输入端来实现输出信号的改变，从而得到最后我们需要的信号。
下面是我们据此设计出的电路：
由于我们实验室提供的开关没有单刀三置的开关，我们只能通过这样设计来达到我们的要求，当开关都接高电平时相当于双四拍；当开关其中一个接地时，会产生单四拍；当开关一个接高，一个接Q0，这时会产生四相八拍。
当然如果有单刀三置开关的话电路会更简单。
我们的电路是需要实现正反向的，我们也是有两种方案的，经过比较，我们可以看出用方法1是比较简单的，这可以省掉一些元器件
最终我们选择了最后一种电路，然后在我们实际的连线操作中，还是很顺利的，烧保险丝的现象不再出现，各项要求都达标。
五、设计方案各单元电路说明
1、首先是脉冲发生电路，这个电路我们已在第三节讲过，不再详解。
2、然后是环形脉冲分配电路和控制电路，这个电路我们也已经在第四节讨论过我们最后选择的是最后的一种方案，正反向我们选择第一种。
也不再详解。
3、驱动电路。
功率放大是驱动系统中最为重要的部分。
步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流。
而由门电路输出的电流远远不能满足对电机的驱动，所以要真正使电机动起来就必须连接一个功率放大电路。
图为驱动电路，达林顿管TIP122为步进电机提供了一个大电流，通过一个起限流保护作用的5Ohm的电阻，电流从电击相线圈流过，从而达到了放大功率的作用。
在电路中加入了发光二极管是为了可以直接的看到工作现象。
4、步进电机四相的确定
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
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。
本实验提供的是四相步进电机,它对外有六条引线,其中两条为公共端,另四条分别为A相.B相.C相.D相,但引线具体排序未知,故在使用前需对步进电机进行。
测量每两根引线之间的电阻，同一绕组中，中心引线到两边的电阻约为7.5Ohm。
判断出两组绕组的中心引线后，剩下的四根即为A,B,C,D四个项。
中心引线即为公共端，接+5V。
然后在接到我们电路的四相上，当步进电机能一直转是证明连接方法是正确的，不然的话，电机不会转到一圈。
六、附录
1、系统电路工作原理图：
2、部分芯片管脚图：
74LS16174LS138
74LS08NE555
3、电路相关波形图：
4、电路所用元器件清单：
步进电机 1台
NE555 1片
74LS08 3片
74LS138 1片
74LS161 1片
达林顿三极管（tip122） 4个
发光二极管 4个
绪流二极管 4个
电阻 若干
电容1uf 2个
精密电位器 1个
双刀双置开关2个
单刀单掷开关2个
导线 若干
5、参考资料：
《电路电子实验1》指导书----北京工业大学电控学院电工电子实验教学中心
数字电子技术基础（第四版）-------------阎石主编，高等教育出版社
八、收获和体会
通过这次试验，我的动手能力和解决困难的能力得到了很大的提高，而且我对我们实验用到的这些芯片有了更深的了解。
还有这次试验让我意识到团队精神的重要性，如果只靠一个人的话，我们的实验时不会做的这么好。
虽然我们组在整个实验中遇到了很多困难，但是最后我们都能一一化解，这也是对我们的一种鼓舞，对我们把专业知识与动手能力结合能力的一种肯定。
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