石婷 張國(guó)英 孫慧平

［摘 要］ 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。步進(jìn)電機(jī)在生產(chǎn)生活和工程實(shí)踐中已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)與交流電機(jī)一樣可在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的原理、控制電路的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期培養(yǎng)學(xué)生整體電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析能力，以及工程案例實(shí)踐、總結(jié)和歸納等能力。

［關(guān)鍵詞］ 步進(jìn)電機(jī)；控制電路；驅(qū)動(dòng)電路；顯示電路

［基金項(xiàng)目］ 2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于羅克韋爾工業(yè)的‘新工科產(chǎn)學(xué)研賽師資團(tuán)隊(duì)建設(shè)”（202102341001）；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于TI器件的電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)開(kāi)發(fā)”（202102165002）；2021年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“人工智能背景下工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐”（202102535012）

［作者簡(jiǎn)介］ 石 婷（1984—），女，內(nèi)蒙古包頭人，博士，北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，人工智能與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心主任（通信作者），主要從事電工電子、人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.1 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）36-0136-04 ［收稿日期］ 2022-05-25

一、教學(xué)目的

這是一個(gè)運(yùn)用數(shù)字和模擬電子技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活和工程實(shí)際問(wèn)題的典型案例，需要運(yùn)用脈沖產(chǎn)生、計(jì)數(shù)、譯碼、移位寄存、信號(hào)放大、驅(qū)動(dòng)、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、各類(lèi)門(mén)控制、開(kāi)關(guān)控制等相關(guān)知識(shí)與技術(shù)方法，并涉及測(cè)量?jī)x器精度、硬件及軟件反饋，儀器設(shè)備標(biāo)定及抗干擾等工程概念與方法［1-2］。

通過(guò)講課和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生進(jìn)一步熟悉電子原材料的知識(shí)和電子儀器的使用方法，熟練掌握電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的方法，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綜合型模塊化題目的過(guò)程中，學(xué)會(huì)測(cè)量、記錄、分析和調(diào)試，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使其獲得感知、積累經(jīng)驗(yàn)。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案中的功能模塊，選擇元器件，設(shè)計(jì)滿足特定功能需求的單元（部件）或子系統(tǒng)［3-4］。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)案例要求設(shè)計(jì)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路，該電路能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)要求如下：（1）能控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及運(yùn)行速度，并由LED顯示運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)工作方式可為單四拍或雙四拍。（2）測(cè)量步進(jìn)電機(jī)的步距角。通過(guò)實(shí)測(cè)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù)，推算出步進(jìn)電機(jī)的步距角。（3）擴(kuò)展要求：設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)工作方式為單、雙四相八拍。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)比較完整的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例，需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模擬仿真、實(shí)現(xiàn)調(diào)試、測(cè)試標(biāo)定、設(shè)計(jì)總結(jié)等過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)：（1）學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)的基本概念及其與直流電機(jī)的區(qū)別、工作原理、應(yīng)用范圍、工作特點(diǎn)以及主要分類(lèi)。（2）學(xué)習(xí)四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理、各個(gè)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(qū)別以及如何通過(guò)實(shí)物進(jìn)行判斷。（3）學(xué)習(xí)四相步進(jìn)電機(jī)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(shí)序及其特點(diǎn)。（4）介紹步進(jìn)電機(jī)控制的基本原理，要求學(xué)生自學(xué)實(shí)現(xiàn)控制的方法及參數(shù)的整定。（5）設(shè)計(jì)不同部分電路的最佳實(shí)驗(yàn)方案，包括設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路，可通過(guò)555電路或其他電路實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)脈沖分配器，可通過(guò)譯碼器或移位寄存器實(shí)現(xiàn)；控制電路，利用門(mén)電路或開(kāi)關(guān)；驅(qū)動(dòng)電路，基于三極管或運(yùn)放的放大電路；顯示電路，數(shù)碼顯示或狀態(tài)顯示。（6）利用軟件仿真對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行模擬仿真，確認(rèn)設(shè)計(jì)電路的合理性、正確性和可行性。（7）在電路設(shè)計(jì)、搭試、調(diào)試完成后，必須要用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。（8）在實(shí)驗(yàn)完成后，可以組織學(xué)生以項(xiàng)目演講、答辯、評(píng)講的形式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，拓寬知識(shí)面。

在設(shè)計(jì)中，要注意學(xué)生設(shè)計(jì)的規(guī)范性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與模塊構(gòu)成、模塊間的接口方式與參數(shù)要求；在調(diào)試中，要注意工作電源、參考電源品質(zhì)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的影響，以及電路工作的穩(wěn)定性與可靠性；在測(cè)試分析中，要分析系統(tǒng)的誤差來(lái)源并加以驗(yàn)證。項(xiàng)目實(shí)施所需要的實(shí)驗(yàn)資源包括：實(shí)驗(yàn)裝置，如直流電源、信號(hào)發(fā)生器、萬(wàn)用表、示波器、實(shí)驗(yàn)面包板等；設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)，發(fā)光二極管，整流二極管IN4007，復(fù)合三極管TIP122，5Ω（1W）電阻，以及其他電容、電阻若干。

三、教學(xué)原理介紹

（一）步進(jìn)電機(jī)介紹

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的多相時(shí)序控制器。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此，用好步進(jìn)電機(jī)絕非易事，它涉及機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，應(yīng)用于多個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域［5-6］。

（二）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，從而帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

（三）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)

1.來(lái)一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。

2.控制脈沖頻率，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

4.角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比。

（四）步進(jìn)電機(jī)主要分類(lèi)

步進(jìn)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)與工作原理，可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（variable reluctance， VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（permanent magnet， PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（hybrid stepping， HS）。反應(yīng)式：定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、步距角小，可達(dá)1.2°，但動(dòng)態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可靠性難保證。永磁式：永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大，但這種電機(jī)精度差，步矩角大（一般為7.5°或15°）?；旌鲜剑夯旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，其定子上有多相繞組，轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個(gè)小齒以提高步矩精度。其特點(diǎn)是輸出力矩大、動(dòng)態(tài)性能好，步距角小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對(duì)較高。

按定子上繞組來(lái)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(jìn)電機(jī)，約占97%以上的市場(chǎng)份額，其原因是性價(jià)比高，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后效果良好。該種電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動(dòng)器后，步距角減少為0.9°，配上細(xì)分驅(qū)動(dòng)器后其步距角可細(xì)分達(dá)256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，實(shí)際控制精度略低。同一步進(jìn)電機(jī)可配不同細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器以改變精度和效果。

（五）四相步進(jìn)電機(jī)

四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1是四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意及內(nèi)部引線。

四相步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁方式基本有三種（如圖2所示）：?jiǎn)嗡呐姆绞?，通電順序?yàn)锳—B—C—D—A；雙四拍方式，通電順序?yàn)锳B—BC—CD—DA—AB；四相八拍方式，通電順序?yàn)锳—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A。

四、教學(xué)實(shí)施過(guò)程

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)案例的具體設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

（二）實(shí)現(xiàn)方案

1.脈沖發(fā)生電路。脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖頻率為步進(jìn)電機(jī)工作定下了基本節(jié)拍，環(huán)行脈沖分配器和控制電路將產(chǎn)生的脈沖分配到步進(jìn)電機(jī)的四相上，對(duì)步進(jìn)電機(jī)四相進(jìn)行控制。

2.脈沖分配器。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要使定子線圈各相繞組按次序輪流通電，實(shí)現(xiàn)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(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式順序輸入給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)勵(lì)磁繞組，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。脈沖分配器可由集成電路的邏輯門(mén)、觸發(fā)器等邏輯單元構(gòu)成，也可以根據(jù)通電方式直接選用集成脈沖分配器，還可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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(hào)如圖2所示，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及調(diào)速由控制電路實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)解碼電路，在不同工作方式選擇下，翻譯編碼電路的信號(hào)，結(jié)合門(mén)電路，送出正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4.驅(qū)動(dòng)電路及顯示電路。驅(qū)動(dòng)電路即功率放大電路，可以讓步進(jìn)電機(jī)有足夠的能量正常運(yùn)轉(zhuǎn)。一般由門(mén)電路輸出的電流不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以要想使電機(jī)動(dòng)起來(lái)就必須連接一個(gè)功率放大電路。脈沖顯示電路可以清楚地看到步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，采用LED作為狀態(tài)顯示，將LED的亮暗對(duì)應(yīng)電機(jī)一個(gè)相的通斷。

5.整體實(shí)物圖。圖4是步進(jìn)電機(jī)的最終成品實(shí)物圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

五、教學(xué)考核

實(shí)驗(yàn)案例題目總分50分，占平時(shí)成績(jī)的70%［7-8］。其中，設(shè)計(jì)方案的正確性、合理性、創(chuàng)新性：12分（含EDA電路設(shè)計(jì)和仿真）；實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力（工藝水平、測(cè)試效果、分析解決問(wèn)題的能力、占用時(shí)間）：30分；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告：8分［9］。

考核內(nèi)容由以下各部分組成：（1）實(shí)物驗(yàn)收：功能與性能指標(biāo)的完成程度（如工作方式種類(lèi)、速度控制等），完成時(shí)間。（2）實(shí)驗(yàn)質(zhì)量：電路方案的合理性，組裝工藝。（3）自主創(chuàng)新：功能構(gòu)思、電路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，自主思考與獨(dú)立實(shí)踐能力。（4）實(shí)驗(yàn)成本：是否充分利用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)量誤差。（6）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性與完整性。

本實(shí)驗(yàn)案例的特色在于項(xiàng)目背景的工程性（可作為電類(lèi)及相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)背景）、應(yīng)用的綜合性以及實(shí)現(xiàn)方法的多樣性。

參考文獻(xiàn)

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

［2］于海雁，龐杰，李曉游，等.線上線下混合式“金課”的建設(shè)與實(shí)踐：以“模擬電子技術(shù)”課程為例［J］.高教學(xué)刊，2020（28）：66-68.

［3］陳軍波，周惠，楊丹丹.新工科背景下“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探索［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（3）：41-44.

［4］任君玉.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（9）：219-221.

［5］康鳳娥，孔令德.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)成績(jī)分階評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建與實(shí)踐［J］.大學(xué)教育，2020（1）：105-108.

［6］顧秋潔，譚愛(ài)國(guó).模擬電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核體系的改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018（3）：81-84.

［7］桑林，付強(qiáng)，師楠.電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)多元化考核方式的研究與實(shí)踐［J］.當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2019（19）：117-118.

［8］王培元.新工科背景下電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化課程建設(shè)探究［J］.輕工科技，2019，35（2）：168-169.

［9］董建彬，王軍芬，馬艷玲.電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)考核體系的構(gòu)建與實(shí)踐［J］.輕工科技，2021，37（09）：132-133.

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