数电实验报告三相六拍步进电机控制设计

数电实验三相六拍步进电机控制 物理与信息学院 数电课程设计报告 课名称: 三相六拍步进电机控制设计 指导老师: 涂 昌 培 专 业 : 电子信息工程专业 学 号 : XXXXXXXx 姓 名 : XX 目 录 一、设计要求 二、设计 三、设计原理 A、步进电机 B、环形分配器 C、步进电机驱动电路 四、总电路图 五、设计总结 一、设计要求 1、设计三相六拍环形分配器，使电机能正转、反转和保持; 2、设计时钟电路(可使用手动)，使时钟频率f=1—50连续可调; 3、设计电机驱动电路，使电机在时钟脉冲和控制信号的控制下正常运转。 二、设计方案 如上图所示整个电路分为三大模块:时钟电路、环形分配器、步进电机驱动电路。通过EN、DR 信号来控制电机正转、反转、停转。 三、设计原理 1、步进电机 a、步进电机(三相六拍)结构及工作原理 上图为(三相六拍)步进电机的结构图。步进电机控制主要有三个重要参数即转速、转过 的角度和转向。由于步进电机的转动是由输入脉冲信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频 率决定，而转过的角度由输入脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电 机A、B、C相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步电机转向，步 进电机的特点是来一个电脉冲，转一个步距角，控制脉冲频率可以控制电机转速，改变脉冲顺 序来改变方向。 b、步进电机的工作方式 步进电机A、B、C相绕组的通电顺序: 正转(即RD为高电平) ,,,,,,A ABBBCCCAA A、B、C绕组电平变化顺序: ,,,,,,100110010011001101100 反转(即RD为低电平) ,,,,,, ACCCBBBAA A A、B、C绕组电平变化顺序: ,,,,,,100101001011010110100 每来一个cp脉冲，转子转过30度(360/12)，改变三相线圈的通电顺序即可改变电机转动方向。 2、环形控制器 根据三相六拍步进电机工作原理可以得到下图: 令，可得到环形分配器的状态方程和驱动方 程，其卡诺图如下所示: 选用D触发器根据上图有: 其逻辑图为: 其仿真电路为: 3、步进电机驱动电路 如下图所示是步进电动机一相的驱动电路，L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数 ，须经过3 的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。 在电阻R两端并联电容C，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。 二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻RD使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。 这种电路的缺点是R上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。 四、总电路图 使用protues仿真软件模拟的总电路图如下所示: 仿真截图: 方波信号发生器模拟时钟电路，非门的输入端接RD控制电机正反转，由9个与非门和3个D触发器构成环形分配器在时钟脉冲的控制下产生三相六拍步进电机的驱动信号电平，经过驱动电路放大后接入电机A、B、C三相绕组。 五、课题总结 由于部分细节之前没有涉及过以及一些知识点的遗忘，所以进行该课程设计从查资料到设计电路还是花了不少时间。感受最大就是在课堂上我们的确了解到了很多芯片的特性、功能也在实验课上进行了实践，但是要对一个实用的电路进行方案设计到做出实物还是有一定的距离。因为一个成功的设计不仅要求熟练掌握数电知识、熟悉常用的芯片的使用方法，还需要对各个模块进行协调、整合。单从理论知识方面看，我们很容易理解三相六拍步进电机以及环形分配器的工作原理。但是实际处理的时候会产生很多问题。首先，相同的方案在部分实验箱可以正常工作，部分实验箱存在一些问题，这个时候就需要对各个元器件进行检测，检测导线比较容易，部分芯片的检测就比较麻烦。其次，就是由于在拨动RD换向的时候，由于三个D触发器不可按照理想模型同时进行变化，存在竞争冒险，容易使环形分配器在RD拨动的瞬间由有效循环状态进入000与111的无效循环中去。这是之前设计方案时没有预料的情况，在实验时表现的情况就是只能正转，置到反转状态环形计数器进入无效的死循环状态。通过讨论之后认识到了可能存在的原因，如是试图利用置数的方法来破坏死循环的状态从而引导环形分配器进入有效循环，几次尝试之后问题最终得到了解决。