环形脉冲分配器教案

题目：简易步进电机控制步进电机控制摘要：本设计采用ATMEL公司DIP-40封装的AT89S52单片机实现对四相步进电机的手动和按键控制。

由单片机产生的脉冲信号经过分配后分解出对应的四相脉冲，分解出的四相脉冲经驱动电路功率放大后驱动步进电机的转动。

转速的调节和状态的改变由按键进行选择，此过程由程序直接进行控制。

通过键盘扫描把选择的信息反馈给单片机，单片机根据反馈信息做出相应的判断并改变输出脉冲的频率或转动状态信号。

电机转动的不同状态由液晶LCD1602显示出来。

而设计的扩展部分可以通过红外信号的发射由另一块单片机和红外线LED完成，用红外万能接收头接收红外信号，可以实现对电机的控制进行红外遥控。

关键字：四相步进电机单片机功率放大 LCD1602步进电机控制 (1)摘要 (1)关键字 (1)前言 (3)1系统总体方案设计及硬件设计 (4)1.1步进电机 (4)1.1.1 步进电机的种类 (4)1.1.2 步进电机的特点 (4)1.1.3 步进电机的原理 (5)1.2 控制系统电路设计 (7)1.3 液晶显示LCD1602 (7)1.4 AT89S52核心部件及系统SCH原理图 (9)1.5 LN2003A驱动 (10)2软件设计及调试 (13)2.1程序流程 (13)2.2软件设计及调试 (14)3 扩展功能说明 (15)4设计总结 (16)5 设计源程序 (16)6 附录 (21)参考文献 (22)附2：系统原理图及实物图 (23)步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。

目前，对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。

分散器件组成的环形脉冲分配器体积比较大，同时由于分散器件的延时，其可靠性大大降低;软件环形分配器要占用主机的运行时间，降低了速度;专用集成芯片环形脉冲分配器集成度高、可靠性好，但其适应性受到限制，同时开发周期长、需求费用较高。

步进电机论文：五相混合式步进电动机环形分配器的设计2012年1月21日五相混合式步进电机环形分配器的设计徐殿国王宗培（哈尔滨工业大学）l引言五相混合式步进电机具有许多优良的性能，因此在国内外都得到了较大发展，其驱动技术也取得了很大进步[1]。

由于五相混合式步进电动机系统的研制和开发历史不长，电机驱动电源中的环形脉冲分配器专用芯片目前尚未见到，国内外厂家生产的五相混合式步进电动机驱动电源中的环形脉冲分配器大都是由数字逻辑集成电路或EPROM存贮器构成的[2．3]。

由于电机的运行节拍和运行方式较多，采用这些方式设计的环形脉冲分配器结构复杂、功能较少、可靠性不高。

近年来随着逻辑可编程器件的出现，为逻辑电路的设计提供了极大的灵活性，因此完全可以用逻辑可编程器件（例如PAL、GAL等）设计步进电动机的环形脉冲分配器。

本文给出由两片GAL16V8构成的五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的设计方法。

2五相混合式步进电机的励磁方式及环形脉冲分配逻辑根据五相混合式步进电机韵工作原理，可以得到如表1所示的励磁方式。

可见五相混合式步进电机的励磁方式很多，但是运行节拍只有两种即整步10拍和半步20拍。

尽管该电机的励磁方式很多，但从电机运行的平稳陛和获得最大合成转矩的角庋出发，表1五相混合式步进电动机的励磁方式常采用4-4相通电方式作为整步运行方式，4-5相通电方式作为半步运行方式。

整步运行方式中的5-5相通电方式虽较4-4相通电方式的合成转矩大，但由于驱动电源中采用桥式电路时存在上下桥臂换向容易引起短路而较少采用。

本文给出的是4-4相通电方式和5-5相通电方式的环形脉冲分配器设计方法。

根据五相混合式步进电机的合成转矩矢量图[4]，可以得到4-5相励磁方式和4-4相励磁方式下的逻辑通电状态变化顺序，如表2所示。

与之对应的功放电路形式如图1所示。

表2中的“1”代表功率管导通，“0”代表功率管关断。

其中正转的逻辑通电状态变化顺序为。

实验十 脉冲分配器及其应用一、实验目的1、熟悉集成时序脉冲分配器的使用方法及其应用；2、学习步进电动机的环形脉冲分配器的组成方法。

二、实验原理1、脉冲分配器的作用是产生多路顺序脉冲 信号，它可以由计数器和译码器组成，也可以 由环形计数器构成，图中CP 端上的系列脉冲经N 位二进制计数器和相应的译码器，可以转变为2N 路顺序输出脉冲。

2、集成时序脉冲分配器CC4017 图 脉冲分配器的组成 CC4017是按BCD 计数／时序译码器组成的分配器。

其逻辑符号及引脚功能如图所示。

功能如表 输 入 输 出 CP INH CR Q0～Q9 CO× × 1 Q0 计数脉冲为 Q0～Q4时：CO ＝1计数脉冲为Q5～Q9时： CO ＝0 ↑ 0 0 计 数1 ↓ 0 0 × 0 保 持 × 1 0 ↓ × 0 ×↑图 CO — 进位脉冲输出端 CP — 时钟输入端 CR — 清除端 INH — 禁止端 Q0～Q9 — 计数脉冲输出端CC4017的输出波形如图。

图 CC4017的波形图CC4017应用十分广泛，可用于十进制计数，分频，1/N 计数（N＝2～10只需用一块，N＞10可用多块器件级连）。

图所示为由两片CC4017组成的56分频的电路。

图 56分频电路电路的工作原理如下，当电路接通电源后，使U1U2复位，只有Q0端为高电平，当时钟脉冲信号输入到U1的14脚，并连续输入10个计数脉冲后，U1的进位端CO输出一正肪冲，使U2的Q1端变为高电平，同理在第20个、第30个、第40个、第50个计数脉冲作用下，U2端的Q2端Q3端Q4端Q5端依次变为高电平，在第51、52、53、54、55和56个计数脉冲作用下，U1的Q1～Q6端依次出现高电平，当U1的Q6端和U2的Q5端都为高电平时，与门U3的F0端出高电平，从而达到56分频的目的。

改变输出端连接的方式就能达到不同的分频目的。

10.2 步进电动机位置控制系统10.2.2 步进电动机的脉冲分配电路1. 硬件脉冲分配器电路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10.6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路与步进电动机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图10.6 三相六拍环形分配器图10.6所示为的三相六拍环形分配器逻辑真值表如表10.1所示。

序号控制信号状态输出状态导电绕组表10.1 三相六拍环形分配器逻辑真值表2. 软件脉冲分配对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式，现以AT89C51单片机配置的系统为例加以说明。

（1）由P1口作为驱动电路的接口控制脉冲经AT89C51的并行I/O接口P1口输出到步进电动机各相的功率放大器输入，设P1口的P1.0输出至A相，P1.1输出至B相，P1.2输出至C相。

（2）建立环形分配表为了使电动机按照如前所述顺序通电，首先必须在存储器中建立一个环形分配表，存储器各单元中存放对应绕组通电的顺序数值，如表10.2所示。

当运行时，依次将环形分配表中的数据，也就是对应存储器单元的内容送到P1口，使P1.0、P1.1、P1.2依次送出有关信号，从而使电动机轮流通电。

表10.2 三相六拍软件环形分配数据表表为三相六拍环形分配表，K为存储器单元基地址（十六位二进制数），后面所加的数为地址的索引值。

可见，要是电动机正转，只需依次输出表中各单元的内容即可。

当输出状态已是表底状态时，则修改索引值使下次输出重新为表首状态。

如要使电动机反转，则只需反向依次输出各单元的内容。

步进电机的驱动控制(环行分配器)步进电机的转动是靠不停地改变各相绕组的通电顺序实现的，若想让某相绕组通电，就要给某相绕组提供一组序列脉冲，因此步进电机有几相，就要为其提供几个脉冲序列。

步进电机需要的脉冲序列来自插补器，但对于某个单轴坐标，插补器只能按照一定线型，提供一个单序列脉冲。

因此，在插补器到步进电机之间必须有一个能将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置，这就是环行分配器。

尽管有了环行分配器就可以将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲，但这些序列脉冲的信号都还不足以驱动电机运转，所以驱动控制系统中还应包括功率放大装置。

步进电机的最基本的控制系统就由环行分配器和功率放大器组成。

下面只介绍环行分配器，功率放大器涉及许多电气控制问题，留待机电一体化课程介绍。

环行分配器可以由硬件构成也可以由软件构成，下面分别介绍两方面的内容。

硬件环行分配器构成♦环行分配器的工作原理硬件环行分配器的基本构成是触发器。

因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。

每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。

而触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号Δx或Δy。

如图1所示△X复位图1构成环形分配器的触发器例如，现在要控制X方向的步进电机，而这个电机采用三相单三拍方式工作，即步进电机是按照A→B→C→A这种方式通电的。

这就需要A、B、C 三个触发器，每个触发器的输出端QA、QB、QC都被连接到步进电机的一相定子绕组。

当QA有输出ΔA，步进电机的A相就通电，同理，若QB有输出ΔB，就使步进电机的B相通电，或者QC有输出ΔC，就使步进电机的C相通电。

你看，这时由触发器构成的环行分配器，其实就是一个三分频电路，而被分频的信号就是插补器的输出信号Δx。

于是插补器的一路信号，就被扩展成三路信号。

每来三个Δx信号脉冲，QA、QB、QC就会各有一个输出脉冲ΔA、ΔB、ΔC，步进电机的三个定子绕组各得到一次通电，转子走了三步。

脉冲信号的运用教案教案标题：脉冲信号的运用教案教学目标：1. 理解脉冲信号的基本概念和特征。

2. 掌握脉冲信号的产生、传输和接收原理。

3. 学会利用脉冲信号进行信息传递和控制。

教学内容：1. 脉冲信号的定义和基本特征。

2. 脉冲信号的产生方法和技术。

3. 脉冲信号的传输和接收原理。

4. 脉冲信号在通信和控制领域的应用。

教学步骤：引入活动：1. 引入脉冲信号的概念，让学生通过日常生活中的例子来理解脉冲信号的基本特征。

知识讲解：2. 讲解脉冲信号的定义和基本特征，包括脉冲宽度、脉冲周期、脉冲幅度等概念。

3. 讲解脉冲信号的产生方法和技术，包括数字脉冲生成器、模拟脉冲生成器等。

4. 讲解脉冲信号的传输和接收原理，包括脉冲编码调制、脉冲调制解调等技术。

示例演示：5. 进行脉冲信号的示例演示，展示脉冲信号在通信和控制领域的应用，如脉冲宽度调制在数字通信中的应用、脉冲控制电路中的应用等。

实践活动：6. 学生进行实践活动，设计一个简单的脉冲信号传输系统或控制系统，包括脉冲信号的生成、传输和接收。

讨论与总结：7. 学生进行讨论，分享他们设计的脉冲信号系统，总结脉冲信号的应用和优缺点。

作业布置：8. 布置作业，要求学生进一步思考脉冲信号的应用领域，并写一份小结报告。

教学资源：1. 脉冲信号的示例演示设备。

2. 相关教学PPT或课件。

3. 实验室设备和材料。

评估方式：1. 学生在实践活动中的表现和成果。

2. 学生的小结报告。

教学建议：1. 在讲解脉冲信号的定义和特征时，可以通过实际示例和图表来帮助学生更好地理解。

2. 在实践活动中，可以鼓励学生进行团队合作，提高他们的动手能力和合作能力。

3. 鼓励学生积极参与讨论，分享彼此的想法和经验。

以上是一个关于脉冲信号的运用教案的基本框架和步骤，根据具体的教学情况和学生的实际需求，可以适当调整和完善。

实验十六脉冲分配器及其应用一、实验目的1．熟悉集成时序脉冲分配器的使用方法及其应用。

2．学习步进电动机的环形脉冲分配器的组成方法。

二、实验原理1．脉冲分配器的作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由计数器和译码器组成，也可以由环形计数器构成，下图中CP端上的系列脉冲经N位二进制计数器和相应的译码器，可以转变为2N路顺序输出脉冲。

图16-1 脉冲分配器的组成2．集成时序脉冲分配器CC4017CC4017是按BCD计数/时序译码器组成的分配器，其引脚图与功能表为：图16-2 CC4017的引脚图与功能表3．步进电动机的环形脉冲分配器下图是三相步进电动机的驱动电路示意图：图16-3 三相步进电动机的驱动电路示意图A、B、C分别表示步进电机的三相绕组。

步进电机按三相六拍方式运行，即要求步进电机正转时，控制端X=1，使电机三相绕组的通电顺序为A AB B BC C CA A要求步进电机反转时，令控制端X=0，电机三相绕组的通电顺序改为A AC C BCB AB A下图为由三个JK触发器构成的按六拍通电方式的脉冲环形计数器：图16-4 六拍通电方式的脉冲环形计数器要使步进电机反转，通常应加有正脉冲输入控制和反脉冲输入控制端。

此外，要注意的是，由于步进电机三相绕组任何时刻都不得出现A、B、C三相同时通电或同时断电的情况，所以，脉冲分配器的的三路输出不允许出现111和000两种状态，故要给电路加初态预置环节。

三、实验设备与器材1、数字逻辑电路实验箱。

2、数字逻辑电路实验箱扩展板。

3、数字万用表，双踪示波器，脉冲源。

4、芯片CC4017、CC4013、CC4027、CC4011、CC4085。

四、实验内容及实验步骤4017逻辑功能测试（1）参照图16-2，13脚和15脚接逻辑开关的输出插孔。

CP接单次脉冲源，0~9十个输出端接至逻辑电平显示输入插孔，按功能表要求操作各逻辑开关。

清零后，连续送出10个脉冲信号，观察十个发光二极管的显示状态，并列表记录。