步进电机简单电路控制

课程设计说明书

课程设计名称：        数字电路课程设计       

课程设计题目：      步进电机简单的控制电路   

学 院 名 称：   南昌航空大学信息工程学院     

专业：          班级：        

学号：          姓名：          

评分：                  教师：         

                     2013 年  9  月   9  日

  数字电路   课程设计任务书

20 13－20 14 学年 第  1 学期　第  2 周－  4 周  

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

步进电机是一种原理为利用电子电路的电脉冲信号转变为角位移或线位移的感应电机。通过简单的数字电路来控制它的转速并可以利用数码管来计算其转动的圈数，便可以实现电机的正反向转动，并且在数码管上精确的显示出它转动的圈数，从而广泛应用于实际生活当中。其中涉及到计算机，数字电路，电机，机械，完成了简单的自动化控制流程，将所学知识应用于工程中，增加实践动手能力。

   关键词：分频、时序控制、脉冲计数

目录

前言    1

第一章  设计内容及要求    2

第二章 系统的组成及工作原理    3

第三章  单元电路设计    4

3.1多谐振荡器    4

3.2 步进电机信号控制电路    5

3.3转速的测量及显示电路    6

第四章  调试    7

4.1电路排板及制作    7

4.2电路的调试    7

第五章  总结    8

附录1：设计原理图    10

附录2：PCB电路图    11

附录3: 元件清单    12

前言 

   步进电机最早出现于上世纪，源于资本主义的造船工业，是一种可以自由转动的电磁铁，其工作原理和如今的反应式电机差不多，是依靠磁导来产生电磁矩，从而实现转动。

   到了80年代之后，微型计算机逐步的应用于工业与生活中，使得步进电机的控制更加的灵活多样，最主要的是利用分立元件或者小型的集成电路来控制，但是对元件的需求量很大，调试也很复杂，出现问题需要花大量的精力来调试，因此，通过计算机软件来控制步进电机是必然的趋势，以提高工作效率。

现在的步进电机主要是由数字电路组成，也是利用集成电路来控制电路，但是大大的提高了其精度，更好的满足工业发展的需要。目前用到最多的是混合式步进电机，并具有很好的发展前景。

   步进电机按照工作原理可分为永磁式、磁阻式和永磁感应子式三种。

   今后步进电机将会有以下四个方面的发展，为减小其占用的空间从而会往小型方向发展，以更加的适用于工业制造当中；为增加力矩，从而会将圆形改为方形，以提高其工作效率；为体现其优越的控制性能，从而会偏向于一体化设计，以实现电子自动化控制，更加灵活方便；为降低其成本，增加其性能，从而会向三相和五相的方向发展，以充分实现其优越性能。

   步进电机以其显著的特点，在电子数字化时代将发挥重大作用，将广泛应用于数控车床、机器人、航空工业和电子领域中，可完成工作量大，任务复杂、精度高的制造业以及代替人类完成不利于身体健康的工业中，为生活带来更多的便利。

第一章  设计内容及要求

基本要求：1、利用proteus软件设计步进电机的工作原理图，并进行仿真。

    2、调试及实现。

    （1）实现步进电机根据输入的脉冲旋转的相应圈数。

            （2）可以实现复位，正反转控制，由4个LED代替4个线圈。

            （3）实现步进电机的加速、减速功能。

提高要求: 显示输入的脉冲数目，从而显示转速。

主要参考元器件: 74LS191,74LS138,74LS161,74LS248，NE555。

第二章 系统的组成及工作原理

一部分用多谐振荡器产生脉冲信号，由NE555芯片构成简单的谐振电路，然后用信号控制电路来将脉冲转换为可控制步进电机的有用信号，由74LS191芯片作为加减计数器和74LS138作为译码器组成单元电路，从而控制电机转动。

另一部分为显示转动圈数以显示电机的转速，故用转速的测量及显示电路来实现，由单稳态的NE555芯片和74LS161芯片作为计数器组成的单元电路，以及一个数码显示管，将步进电机转动的圈数显示到数码管上。

第三章  单元电路设计

3.1多谐振荡器

555多谐振荡产生连续的数据脉冲，控制74LS191加减计数器脉冲端。电路采用电阻、电容组成RC定时电路，用于设定脉冲的周期和宽度。调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出，既脉冲信号。

   脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7 (R1+RW+R2) C；

振荡周期计算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C；

电容器C的充电电阻是R1+RW+R2 ，放电电阻是R2 。当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+RW+R2）充电，当充电至VC=VTH>2/3Vcc时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VC=VTR<1/3VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。

3.2 步进电机信号控制电路

该控制电路主要由74LS191构成。利用74LS191的加、减计数的原理来控制4个LED的正反转。再利用74LS191上的清零管脚来控制LED的复位。

 74LS191的逻辑功能表

表3—1

图3.2  步进电机信号控制电路

3.3转速的测量及显示电路

该电路由构成单稳态电路的555芯片和具有计数功能的74LS161芯片以及具有译码的74LS248芯片和数码管组成，数码管显示的数目由前面部分电路控制。

具体的电路如下图：

图3.3  转速的测量及显示电路

第四章  调试

4.1电路排板及制作

1、 需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加简洁美观。

2、先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等。

3、 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。

4、 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，本次采用已经设计并制好的电路板来进行操作，使得焊接更加简便。

4.2电路的调试

1、首先对电路进行整体检查，发现和原理图一样之后通电，观察到现象和所要求达到的不一样，经过检测发现是计数模块出现了问题，TTL芯片中高电平范围为5-3.5V，低电平范围为0-0.4V，故在CP脉冲接收端下拉电阻后可正常计数。

2、各个模块再调试检查无误后，接通电源，并观察现象。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，即显示电机接收到的脉冲个数，本单元电路要控制LED灯依次循环亮的快慢，如果过快或者过慢，可以通过调节可调电阻，得到适当的灯亮速度为止。

3、对于显示部分的电路也要注意一些细节问题，一是在实现功能之前要测量高低电平是否符合电路要求，不然易烧坏芯片，二是数码管是否能准确的显示出电机转动的圈数，每当电机转动一圈就要加1，以此类推。

4、对电路分模块进行检测很容易发现错误并有针对性的进行改正，逐个排除错误，并达到所要求的结果。

第五章  总结

步进电机控制电路是利用多谐振荡器电路产生脉冲，再利用信号控制电路来控制电机的转动，操作简单且易于理解，能够方便的利用于工业当中，提高生产效率，但是没有充分的利用软件来控制，只是利用简单的集成电路来控制，如果能够利用软件来控制步进电机，其功能将更加的强大，给工业的发展带来更多的方便，实现电子自动化控制是必然趋势。

参考文献

【1】陈金西.数字电路实验与综合设计.厦门：厦门大学出版社，2009.

【2】阎石.数字电路技术基础.北京：清华大学出版社，2012.

附录1：  设计原理图

图5.1 设计原理图

附录2 ：  PCB电路图

附录3 ：   元件清单