湖北汽车工业学院

 

数字电子技术课程

设

计

报

告

          

一、步进电机相关知识介绍

     步进电机是一种数字信号控制的传动机构，若在其输入端加入一个脉冲信号，该电动机就会转动一个角度或移动一定距离。步进电机由转子和定子两部分组成。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。三相六拍步进电机的工作的次序为A—AB—B—BC—C—CA—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。本次课程设计采用转子为4个齿的步进电机，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。实现这种分配方式的电路称为环形分配器。它是一个中间转换环节，前面与脉冲振荡器相接，后面接功率驱动器。三者组成了步进电机的驱动电路。环形脉冲分配器的设计是驱动电路设计的第一步，也就是本次课程设计的重点和难点。

    环形分配器目前逐步走向集成电路化，各种相数的步进电机环形分配器的集成块市场已有出售，但采用各种门电路和常用芯片组成的环形分配器仍普遍应用。此次课程设计要求运用数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器，其意义便在于此。

二、方案设计

1. 电路设计要求

  对三相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制。即：

正转顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A：反转顺序：A-AC-C-CB-B-BA-A

以及每个步距角的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：

（1）可正转起动或反转起动；

（2）运行过程中，点击能够正转、反转、保持；

（3）可使用手动使时钟频率f=1~50Hz，连续可调。

2.电路用到的实验仪器

74LS00*3（与非门）

74LS74*2（D触发器）

74LS04 *1(非门)

LED灯*3

+5V 电源导线若干时钟频率发生器

三、总体设计原理及框图

   

   通常来说，步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。依据本次设计的具体要求，步进电机驱动电路整体框图如图。

四、步进电机原理

1、步进电动机
　　

     一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。

步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。

         

2、三相六状态步进电机工作原理

  

设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图2.a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图(2.b)所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图2.c），转子从图(2.b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A?的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A?的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。

                    图 2 步进电机通电方式及原理图

     

五、各分框图中电路设计及计算

1.时钟脉冲发生器

     这里采用的是555定时器来作为脉冲发生器，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动一定角度。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制与检测电路中。其内部电路由分压器、电压比较器、SR锁存器、放电三极管以及缓冲器组成，外部引出8个端口，分别是8号引脚电源端，4号引脚复位端，3号引脚输出端，1号引脚接地端，7号引脚放电端，2号引脚触发输入端，6号引脚阀值输入端和5号引脚控制电压端。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3所示。

                    

                              图 3 脉冲产生电路

图4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,则

电路的振荡周期为

                  T=(R 1+R 2)C 1ln3

 T=0.24ms 振荡频率为  

 f=1/T  

 f=4.1KHz

采用555定时器构成的斯密特触发器作为整形电路。

3.环形脉冲分配器

     步进电动机的脉冲分配可以由硬件和软件两种方法来实现。硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式而设计专门的电路，图5所示为一个三相六拍的环形分配器。

    分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线与步进电动机A、B、C三相绕组连接。当QA＝1时，A相绕组通电；QB＝1时，B相绕组通电；QC＝1时，C相绕组通电。DR+和DR-是步进电动机的正反转控制信号。

      正转时，各相通电顺序：A－AB－B－BC－C－CA

      反转时，各相通电顺序：A－AC－C－CB－B－BA

环形分配器输出的三路信号A、B、C分别经过脉冲放大器放大后驱动步进电

机的三相绕组。

图5所示为的三相六拍环形分配器逻辑真值表如表5.1所示。

状态图

4.手动控制电路

在脉冲源输出端接入一个单刀双掷开关，控制两种状态的转换。点动控制由按动开关实现，

开关两端分别接入高电平和低电平，触动开关使其在高低电平之间转换便实现了点动控制。电路如图6所示。

                       图6  点动控制

5.驱动电路

该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大，从而足够驱动步进电机。该部分电路图如图所示。

    由于脉冲分配器输出端输出电流很小，而步进电动机的驱动电流较大。为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机。图中使用三级晶体管放大，经A相、B相、C相三极管放大，在通过电机电源和电机线圈放大电流，由稳压管进行限流，大小随配电机不同而异。

由于电机各相绕组部是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制。因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势。

至此，时钟脉冲电路，环形脉冲分配电路，功率放大电路三大主要单元电路都已设计完成。其中，驱动电路由于实验条件的限制在实际操作中省略，步进电机用三个LED进行模拟。

六、元件表

七、收获体会

通过这次课程设计，我加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过对各个元件的比较和认识，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，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。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。

希望课程设计的题目多联系实际，解决生活中一些与电子技术有关的常见的问题；尽可能的多提供实物连接的机会，不仅仅局限于理论的设计与软件仿真，让学生的动手实践的能力得到真正提高。

参考资料：

 

 

第二篇：ARM课程设计步进电机控制报告

安徽电子信息职业技术学院

计算机科学系

《ARM嵌入式系统教程》课程设计报告

题目： 步进电机控制

指导老师： 郭志勇

学生姓名： 张迎兴 学 号: 100201131

专 业： 计算机控制

班 级：

20xx年 12 月 22 日

《ARM嵌入式系统教程》课程设计任

务书

题目： 步进电机控制

任务与要求：

步进电动机以最常用的三相六拍通电方式工作，并要求步进电动机

至 12 学生姓名： 张迎兴 学 号：100201131

专业： 计算机控制

指导教师： 郭志勇

- 1 -

摘 要：

随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的要求量与日俱增，它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中，其在各个国名经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

本控制系统的设计，有硬件设计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制模块、步进电机驱动模块、数码显示模块等功能模块的设计，以及硬件电路在电路板上的实现。软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序，最总实验对步进电机转动方向及转动速度的控制，并且将步进电机的转动速度动态显示在LED数码管上。本系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。

关键词： 步进电机；单片机；转速控制；方向控制；角度控制

- 2 -

目 录

摘要………………………………………………………………错误！未定义书

签。

关键词………………………………………………………2

一、设计目的………………………………………………………… 3

二、 课程设计计划表…………………………………………………………3 三、系统设计………………………………………………………………4

3.1步进电机电路图计

3.2步进电机程序设计设计四、 结束语………………………………………………………………6

五、参考文献…………………………………………………………

7

- 3 -

一、设计目的 1）了解步进电机的结构和工作原理。2）掌握步进电机控制系统的设计方 法及其调试技术。3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。 步进电机驱动控制 系统设计内容二、课程设计进度计划表日 期12 月 8 号 至 12 月 11 号 12 月 12 号 至 16 号工 作 内 容上网收集资料，查阅相关内容执 行 情 况良好指导教师 签 字上机对步进电机电路图进行设 计及代码编写良好12 月 17 至 12 月 20 号上机调试对代码进行修改良好12 月 21 至 12 月 22 号对课程设计文档进行排版及制 作良好-4-

教师对进 度计划实 施情况总 评 签名 年 月 日三、系统设计3.1 步进电机电路图 如图 1-13.3VU111 12 XTAL1 XTAL2 P0.0/TxD0/PWM1 P0.1/RxD0/PWM3 P0.2/SCL/CAP0.0 P0.3/SDA/MAT0.0 P0.4/SCK/CAP0.1 P0.5/MISO/MAT0.1 P0.6/MOSI/CAP0.2 P0.7/SSEL/PWM2 P0.8/TxD1/PWM4 P0.9/RxD1/PWM6 P0.10/RTS1/CAP1.0 P0.11/CTS1/CAP1.1 P0.12/DSR1/MAT1.0 P0.13/DTR1/MAT1.1 P0.14/DCD1/EINT1 P0.15/RI1/EINT2 P0.16/EINT0/MAT0.2 P0.17/CAP1.2/TRST P0.18/CAP1.3/TMS P0.19/MAT1.2/TCK P0.20/MAT1.3/TDI P0.21/PWM5/TDO P0.22/TRACECLK P0.23/PIPESTAT0 P0.24/PIPESTAT1 P0.25/PIPESTAT2 P0.26/TRACESYNC P0.27/TRACEPKT0/TRST P0.28/TRACEPKT0/TMS P0.29/TRACEPKT2/TCK P0.30/TRACEPKT3/TDI P0.31/EXTIN0/TDO 13 14 18 21 22 23 24 28 29 30 35 36 37 41 44 45 46 47 48 1 2 3 32 33 34 38 39 8 9 10 15 16R2100RD1LED-BLUE D23.3VR4100RR910kR810kR710kR5FX UP DOWN 100RLED-BLUE D3 FX LED-BLUE D4R6100RUP3.3V 27 DBGSELLED-BLUE 9 5 7 10 12 6 11 1 15 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB VCC 4 VS OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 GND 8DOWNR110k26RTCKU22 3 13 14 -146R310k 1.8V6 3.3V 40 17 5RSTV3 V3 V18 VSS VSS VSS VSS LPC2106C11uF43 31 19 7SENSA SENSBL298图 1-1-5-

3.2 步进电机控制程序设计如下：

#include "config.h"

#define KEY 0x00001c00

//uint16 speed=0;

uint16 speed=200;

uint8 flag=0;

uint8 round[8]={0x1,0x3,0x2,0x6,0x4,0xc,0x8,0x9}; uint8 back[8]={0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1};

void delay(uint16 dly)

{ uint32 i;

for(; dly>0; dly--)

for(i=0; i<500; i++);

}

int main (void)

{

uint16 temp;

- 6 -

PINSEL0=0x00000000; PINSEL1=0x00000000;

IODIR=0x0000000f;

while(1)

{ if((IOPIN&KEY)!=KEY) { delay(10); } - 7 - if((IOPIN&KEY)!=KEY) { } //delay(20); if((IOPIN&KEY)==0x00001800) flag=~flag; if((IOPIN&KEY)==0x00001400) speed=speed-10; if((IOPIN&KEY)==0x00000c00) speed=speed+10; while((IOPIN&0x00001c00)!=0x00001c00);

} IOCLR=0x0f; if(flag==0) IOSET=round[temp]; else IOSET=back[temp]; temp++; if(temp>7) temp=0; delay(speed);

return 0;

}

四、结束语

经过这个学期对ARM的深入学习，并且在老师的悉心指导下和严格要求下，我们总于完成了步进电机设计课程。从书本上的知识到自己亲手的课程设计，每一步对我们来说无疑是巨大设为尝试和挑战。也成就了我们目前在大学期间完成的最大项目。

五、参考文献： 吴红星.《电机驱动与控制专用集成电路及应用》.北京：中国电力出版社，20xx年 董桂花.《步进电机控制系统的研究》.《农机化研究》. 20xx年03期。

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