钦  州　学　院

数字电子技术课程设计报告）

步进电机脉冲分配电路的设计

                                           

院        系   物理与材料科学学院  

专        业    自动化（过程控制）       

学  生 班 级    20##级3班        

姓        名    黄旭光            

学        号    1005402314      

                  

指导教师单位    钦州学院           

指导教师姓名    张  大  平            

指导教师职称    副教授             

20##年6月

步进电机脉冲分配电路的设计

自动化专业20##级   黄旭光

指导教师  张大平

摘要  ：根据设计的指标和要求，结合平时所学的理论知识，设计一个能自启动的具有正反转功能的三相六拍步进电机脉冲分配电路。

关键词  ：电路，脉冲分配，步进电机，正反转

目录

前言 ………………………………………………………………………………………1

1  设计技术指标与要求…………………………………………………………………1

1.1  设计技术指标 ……………………………………………………………………1

  1.2  设计要求 …………………………………………………………………………1

2  方案论证与选择………………………………………………………………………1

2.1  脉冲分配系统方案 ………………………………………………………………1

  2.2  电路状态驱动方程 ………………………………………………………………2

  2.3  脉冲分配电路 ……………………………………………………………………3

  2.4  D触发器………………… ………………………………………………………4

3  单元电路的设计和元器件的选择……………………………………………………4

3.1  步进电机实现三相六拍和正反转功能…………………………………………5

  3.2  输出控制模块的设计……………………………………………………………5

  3.3  步进电机工作原理的设计………………………………………………………6

  3.4  主要元器件的选择………………………………………………………………6

4  系统电路总图及原理…………………………………………………………………7

5  电路连接测试…………………………………………………………………………8

6  经验体会 ……………………………………………………………………………9

参考文献…………………………………………………………………………………9

前言

步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机。这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机的转子由软磁材料或永磁材料制成多极的形式，定子上装有多相不同连接的控制绕组。它的激励信号有直流脉冲、方波、多相方波和逻辑序列多种。步进电动机的步距和速度不受电压波动、环境温度和负载变化的影响，而仅与脉冲频率有关。改变脉冲频率就能在很大范围内准确调节电动机的速度。因此步进电动机用于开环数字控制，可大大简化控制系统。步进电动机配以位置检测元件时也可用于闭环数字控制，常用于打印机、带读出器、计数器、绘图机、数控机床、阀门执行机构、定位平台和数模转换器等。步进电动机种类繁多，按运动形式分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机。

1  设计技术指标与要求

1.1  设计技术指标

设计一个能自启动的具有正反转功能的三相六拍步进电机脉冲分配电路。电路的状态转换图。M为控制变量，当M=0时，电路按顺时针转；当M=1时，电路按逆时针转。

1.2  设计要求

1. 画出电路原理图（或仿真电路图）；

2. 元器件及参数选择；

3. 编写设计报告  写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有心得体会。

2  方案论证与选择

2.1  脉冲分配的系统方案

环形分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端。环形分配器的输出既是周期性的，又是可逆的。步进电机脉冲分配的方框图如图1所示。

图1  步进电机脉冲分配方案框图

2.2  电路状态驱动方程

将控制变量作为一个输入变量画在Qⁿ⁺¹的卡诺图中，如图2所示。考虑到电路的自启动，应让电路无效状态的次态能进入有效状态的循环圈中。111状态的次态为000，000的次态110，实现了电路的自启动。

                  图2  电路状态的卡诺图    

          

将图4的卡诺图分开画成图5所示的、、卡诺图。分别化简各图，可求得电路的驱动方程。

用D触发器、与或非门组成的脉冲分配电路。

 

 

图 3  卡诺图的分解

2.3  脉冲分配电路

一般采用 CC40106由六个斯密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密 特触发器功能的反相器。触发器在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V T+)和下降电压(V T-)之差定义为滞后电压。

图4  CC40160内部功能图

2.4        D触发器

在TTL电路中，比较典型的d触发器电路有74ls74。74ls74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路。

SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器1；当SD=1，RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：

 1.CP=0时，与非G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1

，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。

2.当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。

3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了

使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用。

图5  74LS74内部电路图

3  单元电路的设计与元器件选择

3.1  步进电机实现三相六拍和正反转功能

     该部分实现步进电机的正反转和三相六拍功能。原理图为图6所示。用两个7474双D触发器加逻辑门实现。每当复位端有低电平脉冲输入，该电路自动置入初始相位ABC（110）。正转通电顺序为：AB→BC→CA→AB→…反转通电顺序为：AB→CA→BC→AB→…相位A（100）。正转通电顺序为：A→AB→B→BC→C→CA→A→…反转通电顺序为：A→CA→C→BC→B→AB→A→…

 

                       

图6  正反转功能原理图

3.2        输出控制模块的设计

 输出控制模块图7所示。采用7240三态传输门实现输出端得控制，使用三态门的好处是输出端可以直接相连，通过使能端选择要通过的信号，比如三相六拍还是三相三拍。

 

图7  输出控制模块图

3.3  步进电机工作原理的设计

若以三相六拍通电方式工作，当A相通电转为A和B同时通电时，转子的磁极将同时受到A相绕组产生的磁场和B相绕组产生的磁场的共同吸引，转子的磁极只好停在A和B两相磁极之间，这时它的步距角α等于30°。当由A和B两相同时通电转为B相通电时，转子磁极再沿顺时针旋转30°，与B相磁极对齐。其余依此类推。采用三相六拍通电方式，可使步距角α缩小一半。

图8  步进电机工作原理图

3.4主要元器件的选择

1.74LS74集成块2块；

2.CC4085集成块2块；

3.CC40106集成块1块；

4.CC4020集成块1块；

5.按键开关3个；

6.电阻560K3个；

7.发光二极管3个。

4  系统电路总图及原理

将设计的各个单元电路进行级联，得到步进电机脉冲分配电路原理图如图16所示。

图9  步进电机脉冲分配电路电路总图

图9中M为控制变量，当M=0时，电路按顺时针转；当M=1时，电路按逆时针转。

即当M为高电平时，发光二极管的亮灯顺序为Q1-Q2-Q3,当M为低电平时亮灯的顺序为Q3-Q2-Q1。图中的滑变电阻的改变可以可以控制步进电机的转速，当滑变电阻越大时，发光二极管灯光闪烁就随着变慢，当滑变电阻的电阻调小时，发光二极管的灯光闪烁跟着变快，这就实现了步进电机的脉冲功能。

    按下启动开始按钮，步进机进行三相六拍工作方式，选择正转或反转，择代表Q1,Q2,Q3的三展LED灯按照正转或反转的顺序轮流亮。

5  电路连接测试

按图9电路做成PCB板正面如图10所示，反正面如图11所示。经通电测试各项指标均符合要求。

图10  实验电路板的正面图

图11  实验电路板的背面图

接通+5V电源，当开关打向高电平时，红黄绿灯先后按顺序循环点亮，实现了步进电机的正转；当开关打向低电瓶时，绿黄红先后按顺序循环点亮，实现了步进电机的反转。电路完好，能实现要求的功能。

6  经验体会

通过这次对步进电机脉冲分配电路的设计作，让我了解了电路设计的基本步骤，也让我了解了关于数字钟的原理与设计理念，要设计一个电路先进行软件模拟仿真再进行实际的电路制作。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，再实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为芯片本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。总的来说，这次设计的步进电机控制电路还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在自己的思考下，宿舍大家一起经过激烈的探讨下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。最后，对指导老师老师表示忠心的感谢，老师，你辛苦了！

参考文献

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社,2005.

[2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]李庆常.电子技术课程设计[M].北京:理工大学出版社,1994.

[4]张大平.数字电子技术基础(实验指导). 2008.

[5]阎石.数字电子技术基础(第五版) [M].北京:高等教育出版社,2006.

[6]邱寄帆,唐程山.数字电子技术学习指导[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[7]王卫兵.Prote 99 SE基础教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2008.

[8]孙惠芹.电路设计PROTEL[M].天津:天津大学出版社,2008.

[9]张睿.Altium Designer6.0原理图与PCB设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

第二篇：PLC课程设计(步进电机的PLC控制)

信息科学与技术学院

PLC课程设计报告

专 业

年 级

学 号

作者姓名

指导教师 ： 电气工程及其自动化 ： ： ： ：

完成日期 ： 20xx年12月21日

PLC课程设计报告

一、内容：

步进电机的PLC控制

二、目的与意义：

1、掌握电步进电机的运行及控制原理；

2、掌握三菱FX2N系列PLC及其编程软件的使用；

3、掌握三菱FX2N系列PLC的指令和编程、以及调试方法；

4、掌握PLC控制系统设计的基本方法、以及器件的选型。

三、设计要求 设计一个四相步进电机控制系统，要求实现如下功能：

1、用按键实现启停控制；

2、用按键实现正反转控制；

3、用按键实现加速和减速控制；

4、用按键实现两种或以上的运行模式（单四拍、双四拍、单双八拍）的选择。

四、设计内容：

1、控制系统基本组成；

由于步进电机有如下特点：给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲的频率越高，步进电机转得越快；改变各相的通电方式，可以改变电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制电机的正、反转。所以，我们通过利用三菱FX2N系列PLC编程可以轻松实现上述功能（此处使用循环位移指令实现单双四拍）

2、器件选型：包括控制按键和PLC的选型；

由下列的IO分配表可知，此设计采用了9点输入、4点输出，所以FX2N-32MR-001型PLC可以满足需求（需要九个按钮，不够可用拨位开关替代，但切记回拨，以防功能丧失）

3、PLC的外部接线图、实验箱接线方式，IO分配表；

实验箱接线方式：

将PLC数据线分别与电脑串口和PLC程序下载口连接，检测PLC运行状态开关是否处于“运行”状态；

将启动、停止等按钮开关分别连接到X0、X1等，开关公共端COM连接到PLC输入公共端COM；将步进电机的ABCD四相等分别连接到Y20至Y023等，四相公共端COM连接到实验箱24V电源端，电源0V端连接PLC输出公共端COM1；

4、PLC控制程序，包括程序设计的基本思路、算法、流程图、源程序等。 程序设计的基本思路：

本设计实现功能主要是使用循环位移指令实现单双四拍，即先对YO20至YO23赋初值（H1111、H3333），再通过循环位移指令实现电机通电相的改变。而加减速是通过对时间计数器的时间长短进行控制来实现的，用DEC、INC指令实现时间的加减，最后是通过区间复位指令来停机的。

PLC控制程序：

5、程序调试与运行情况

程序调试正常，在FX-TRN-BEG-C仿真软件中显示功能完全符合实际设计要求，即用按键可实现以下功能

1、用按键实现启停控制；

2、用按键实现正反转控制；

3、用按键实现加速和减速控制；

4、用按键实现两种运行模式（单四拍、单双八拍）的选择

五、课程设计总结与心得体会

此次课程设计从程序设计、调试仿真到选型、接线，可以说非常贴近实际需求，是锻炼我们综合设计能力的良好体现。我从此次设计中收获颇多，我一开始的设计思路是采用状态转移图实现电机的步进，但不久就发现由于分支较多且要实现正反转较复杂，在一番踌躇过后，选择放弃这种设计思路，转向采用经验设计法。由于步进电机给脉冲就转，不给脉冲电机就不转，而且步进脉冲的频率越高，步进电机转得越快；改变各相的通电方式，就可以改变电机的运行方式；改变通电顺序，就可以控制电机的正、反转。所以，采用经验设计法的主要思想是使用循环位移指令实现正反转与状态变化，通过控制时间计数器的时间长短来

实现速度控制。单个功能的实现是容易的，但组合起来并没有冲突是要动脑子的，经过不停地调试与仿真，最终顺利完成设计任务。因此，设计最重要的就是思路要清晰，而且一旦发现路子走不太通或者走得比较曲折，就要考虑是否需要转换思路（时间上要允许，需慎重）。正确的方向，不断地努力，就一定能达到目的！