電子技術課程實驗案例設計

石婷 張國英 孫慧平

［摘 要］ 步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求與日俱增，在各個國民經濟領域有重要應用價值。步進電機在生產生活和工程實踐中已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機與交流電機一樣可在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。通過對步進電機的原理、控制電路的設計和制作進行詳細闡述，以期培養學生整體電路設計、調試和分析能力，以及工程案例實踐、總結和歸納等能力。

［關鍵詞］ 步進電機；控制電路；驅動電路；顯示電路

［基金項目］ 2021年度教育部產學合作協同育人項目“基于羅克韋爾工業的‘新工科產學研賽師資團隊建設”（202102341001）；2021年度教育部產學合作協同育人項目“基于TI器件的電子技術課程實驗實踐平臺開發”（202102165002）；2021年度教育部產學合作協同育人項目“人工智能背景下工程創新創業人才培養探索與實踐”（202102535012）

［作者簡介］ 石 婷（1984—），女，內蒙古包頭人，博士，北京工業大學信息學部高級實驗師，人工智能與自動化實驗中心主任（通信作者），主要從事電工電子、人工智能神經網絡研究。

［中圖分類號］ G642.1 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）36-0136-04 ［收稿日期］ 2022-05-25

一、教學目的

這是一個運用數字和模擬電子技術解決現實生活和工程實際問題的典型案例，需要運用脈沖產生、計數、譯碼、移位寄存、信號放大、驅動、狀態顯示、參數設定、各類門控制、開關控制等相關知識與技術方法，并涉及測量儀器精度、硬件及軟件反饋，儀器設備標定及抗干擾等工程概念與方法［1-2］。

通過講課和實驗，使學生進一步熟悉電子原材料的知識和電子儀器的使用方法，熟練掌握電子技術實驗的方法，在設計實現綜合型模塊化題目的過程中，學會測量、記錄、分析和調試，提高學生解決實際問題的能力，使其獲得感知、積累經驗。引導學生根據設計方案中的功能模塊，選擇元器件，設計滿足特定功能需求的單元（部件）或子系統［3-4］。

二、教學設計

本實驗案例要求設計一個步進電機控制電路，該電路能夠對步進電機的運行狀態進行控制。設計要求如下：（1）能控制步進電機正轉、反轉及運行速度，并由LED顯示運行狀態。步進電機工作方式可為單四拍或雙四拍。（2）測量步進電機的步距角。通過實測步進電機旋轉一周所需要的脈沖數，推算出步進電機的步距角。（3）擴展要求：設計步進電機工作方式為單、雙四相八拍。

本實驗是一個比較完整的課程設計實驗案例，需要經歷學習研究、方案論證、系統設計、模擬仿真、實現調試、測試標定、設計總結等過程。在實驗教學中，應在以下幾個方面加強對學生的引導：（1）學習步進電機的基本概念及其與直流電機的區別、工作原理、應用范圍、工作特點以及主要分類。（2）學習四相步進電機的工作原理、各個相的組成和位置、公共端和相端的判斷、四線五線六線八線的區別以及如何通過實物進行判斷。（3）學習四相步進電機的工作方式，單四拍方式、雙四拍方式、四相八拍的工作方式，了解通電時序及其特點。（4）介紹步進電機控制的基本原理，要求學生自學實現控制的方法及參數的整定。（5）設計不同部分電路的最佳實驗方案，包括設計脈沖發生電路，可通過555電路或其他電路實現；設計脈沖分配器，可通過譯碼器或移位寄存器實現；控制電路，利用門電路或開關；驅動電路，基于三極管或運放的放大電路；顯示電路，數碼顯示或狀態顯示。（6）利用軟件仿真對設計電路進行模擬仿真，確認設計電路的合理性、正確性和可行性。（7）在電路設計、搭試、調試完成后，必須要用標準儀器設備進行實際測量。（8）在實驗完成后，可以組織學生以項目演講、答辯、評講的形式進行交流，了解不同解決方案及其特點，拓寬知識面。

在設計中，要注意學生設計的規范性，如系統結構與模塊構成、模塊間的接口方式與參數要求；在調試中，要注意工作電源、參考電源品質對系統指標的影響，以及電路工作的穩定性與可靠性；在測試分析中，要分析系統的誤差來源并加以驗證。項目實施所需要的實驗資源包括：實驗裝置，如直流電源、信號發生器、萬用表、示波器、實驗面包板等；設計軟件工具，如Multisium、Protues等；主要電子元器件，如NE555，74LS161、74LS08、74LS74、74LS14（04）、74LS138（74LS153）、CD4017、74LS194等，四相步進電機，發光二極管，整流二極管IN4007，復合三極管TIP122，5Ω（1W）電阻，以及其他電容、電阻若干。

三、教學原理介紹

（一）步進電機介紹

步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的多相時序控制器。

雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機、交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此，用好步進電機絕非易事，它涉及機械、電機、電子及計算機等多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用于各種自動化控制系統。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，應用于多個國民經濟領域［5-6］。

（二）步進電動機的工作原理

步進電機是利用電磁鐵原理將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，是現代數字程序控制系統中的主要執行元件，應用極為廣泛。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，從而帶動機械移動一小段距離。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

（三）步進電動機的工作特點

1.來一個脈沖，轉一個步距角。

2.控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

3.改變脈沖順序，改變轉動方向。

4.角位移量或線位移量與電脈沖數成正比。

（四）步進電機主要分類

步進電機按其結構與工作原理，可分為反應式步進電機（variable reluctance， VR）、永磁式步進電機（permanent magnet， PM）、混合式步進電機（hybrid stepping， HS）。反應式：定子上有繞組，轉子由軟磁材料組成。結構簡單、成本低、步距角小，可達1.2°，但動態性能差、效率低、發熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，轉子的極數與定子的極數相同。其特點是動態性能好、輸出力矩大，但這種電機精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M電機綜合了反應式和永磁式的優點，其定子上有多相繞組，轉子上采用永磁材料，轉子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。其特點是輸出力矩大、動態性能好，步距角小，但結構復雜、成本相對較高。

按定子上繞組來分，共有二相、三相和五相等系列。最受歡迎的是兩相混合式步進電機，約占97%以上的市場份額，其原因是性價比高，配上細分驅動器后效果良好。該種電機的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅動器后，步距角減少為0.9°，配上細分驅動器后其步距角可細分達256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實際控制精度略低。同一步進電機可配不同細分的驅動器以改變精度和效果。

（五）四相步進電機

四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖1是四相反應式步進電機工作原理示意及內部引線。

四相步進電機勵磁方式基本有三種（如圖2所示）：單四拍方式，通電順序為A—B—C—D—A；雙四拍方式，通電順序為AB—BC—CD—DA—AB；四相八拍方式，通電順序為A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A。

四、教學實施過程

（一）系統結構

本實驗案例的具體設計框架如圖3所示。

（二）實現方案

1.脈沖發生電路。脈沖發生電路產生的脈沖頻率為步進電機工作定下了基本節拍，環行脈沖分配器和控制電路將產生的脈沖分配到步進電機的四相上，對步進電機四相進行控制。

2.脈沖分配器。步進電機在運轉過程中，需要使定子線圈各相繞組按次序輪流通電，實現這一功能的電路即稱為脈沖分配器。脈沖分配器的作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式順序輸入給步進電機的各項勵磁繞組，實現對步進電機的控制。脈沖分配器可由集成電路的邏輯門、觸發器等邏輯單元構成，也可以根據通電方式直接選用集成脈沖分配器，還可以用軟件來實現。

3.控制電路。單四拍、雙四拍及四相八拍的所要輸出的邏輯信號如圖2所示，電機的正反轉控制及調速由控制電路實現。通過數據解碼電路，在不同工作方式選擇下，翻譯編碼電路的信號，結合門電路，送出正確的驅動信號。

4.驅動電路及顯示電路。驅動電路即功率放大電路，可以讓步進電機有足夠的能量正常運轉。一般由門電路輸出的電流不足以驅動電機的轉動，所以要想使電機動起來就必須連接一個功率放大電路。脈沖顯示電路可以清楚地看到步進電機的工作狀態，采用LED作為狀態顯示，將LED的亮暗對應電機一個相的通斷。

5.整體實物圖。圖4是步進電機的最終成品實物圖和實驗結果。

五、教學考核

實驗案例題目總分50分，占平時成績的70%［7-8］。其中，設計方案的正確性、合理性、創新性：12分（含EDA電路設計和仿真）；實驗動手能力（工藝水平、測試效果、分析解決問題的能力、占用時間）：30分；實驗設計報告：8分［9］。

考核內容由以下各部分組成：（1）實物驗收：功能與性能指標的完成程度（如工作方式種類、速度控制等），完成時間。（2）實驗質量：電路方案的合理性，組裝工藝。（3）自主創新：功能構思、電路設計的創新性，自主思考與獨立實踐能力。（4）實驗成本：是否充分利用實驗室已有條件，材料與元器件選擇是否合理，成本核算與損耗。（5）實驗數據：測試數據和測量誤差。（6）實驗報告：實驗報告的規范性與完整性。

本實驗案例的特色在于項目背景的工程性（可作為電類及相關專業的基礎知識背景）、應用的綜合性以及實現方法的多樣性。

參考文獻

［1］中國教育科學研究院（2020）.中國教科院課題組：“停課不停學”的中國經驗［EB/OL］.（2020-04-21）［2022-05-16］. http：//www.nies.net.cn/jysp/202004/t20200421_335612.html.

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Electronic Circuit Course Design： Taking the Stepping Motor as an Example

SHI Ting， ZHANG Guo-ying， SUN Hui-ping

（Faculty of Information Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： As an actuator， stepping motor is the key product of mechatronics. With the development of microelectronics and computer technology， the demand for stepping motor is increasing day by day， which has important application values in various fields of national economy. Stepper motor has been widely used in production， life and engineering practice， but it is not like ordinary DC motor and AC motor that can be used under normal conditions. It must be composed of double ring pulse signal and power driving circuit before it can be used in the control system. In this paper， the principle of stepping motor and how to design and manufacture the control circuit are described in detail， so as to cultivate the students ability of overall circuit design， overall circuit debugging and analysis， engineering case practice， summary and induction.

Key words： stepping motor; control circuit; drive circuit; display circuit