电子技术课程实验案例设计

［摘 要］ 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求与日俱增，在各个国民经济领域有重要应用价值。步进电机在生产生活和工程实践中已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机与交流电机一样可在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。通过对步进电机的原理、控制电路的设计和制作进行详细阐述，以期培养学生整体电路设计、调试和分析能力，以及工程案例实践、总结和归纳等能力。

［关键词］ 步进电机；控制电路；驱动电路；显示电路

［基金项目］ 2021年度教育部产学合作协同育人项目“基于罗克韦尔工业的‘新工科’产学研赛师资团队建设”（202102341001）；2021年度教育部产学合作协同育人项目“基于TI器件的电子技术课程实验实践平台开发”（202102165002）；2021年度教育部产学合作协同育人项目“人工智能背景下工程创新创业人才培养探索与实践”（202102535012）

［作者简介］ 石 婷（1984—），女，内蒙古包头人，博士，北京工业大学信息学部高级实验师，人工智能与自动化实验中心主任（通信作者），主要从事电工电子、人工智能神经网络研究。

［中图分类号］ G642.1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）36-0136-04 ［收稿日期］ 2022-05-25

一、教学目的

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，需要运用脉冲产生、计数、译码、移位寄存、信号放大、驱动、状态显示、参数设定、各类门控制、开关控制等相关知识与技术方法，并涉及测量仪器精度、硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法［1-2］。

通过讲课和实验，使学生进一步熟悉电子原材料的知识和电子仪器的使用方法，熟练掌握电子技术实验的方法，在设计实现综合型模块化题目的过程中，学会测量、记录、分析和调试，提高学生解决实际问题的能力，使其获得感知、积累经验。引导学生根据设计方案中的功能模块，选择元器件，设计满足特定功能需求的单元（部件）或子系统［3-4］。

二、教学设计

本实验案例要求设计一个步进电机控制电路，该电路能够对步进电机的运行状态进行控制。设计要求如下：（1）能控制步进电机正转、反转及运行速度，并由LED显示运行状态。步进电机工作方式可为单四拍或双四拍。（2）测量步进电机的步距角。通过实测步进电机旋转一周所需要的脉冲数，推算出步进电机的步距角。（3）扩展要求：设计步进电机工作方式为单、双四相八拍。

本实验是一个比较完整的课程设计实验案例，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、模拟仿真、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：（1）学习步进电机的基本概念及其与直流电机的区别、工作原理、应用范围、工作特点以及主要分类。（2）学习四相步进电机的工作原理、各个相的组成和位置、公共端和相端的判断、四线五线六线八线的区别以及如何通过实物进行判断。（3）学习四相步进电机的工作方式，单四拍方式、双四拍方式、四相八拍的工作方式，了解通电时序及其特点。（4）介绍步进电机控制的基本原理，要求学生自学实现控制的方法及参数的整定。（5）设计不同部分电路的最佳实验方案，包括设计脉冲发生电路，可通过555电路或其他电路实现；设计脉冲分配器，可通过译码器或移位寄存器实现；控制电路，利用门电路或开关；驱动电路，基于三极管或运放的放大电路；显示电路，数码显示或状态显示。（6）利用软件仿真对设计电路进行模拟仿真，确认设计电路的合理性、正确性和可行性。（7）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量。（8）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性，如系统结构与模块构成、模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，以及电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。项目实施所需要的实验资源包括：实验装置，如直流电源、信号发生器、万用表、示波器、实验面包板等；设计软件工具，如Multisium、Protues等；主要电子元器件，如NE555，74LS161、74LS08、74LS74、74LS14（04）、74LS138（74LS153）、CD4017、74LS194等，四相步进电机，发光二极管，整流二极管IN4007，复合三极管TIP122，5Ω（1W）电阻，以及其他电容、电阻若干。

三、教学原理介绍

（一）步进电机介绍

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此，用好步进电机绝非易事，它涉及机械、电机、电子及计算机等多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用于各种自动化控制系统。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，应用于多个国民经济领域［5-6］。

（二）步进电动机的工作原理

步进电机是利用电磁铁原理将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，从而带动机械移动一小段距离。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

（三）步进电动机的工作特点

1.来一个脉冲，转一个步距角。

2.控制脉冲频率，可控制电机转速。

3.改变脉冲顺序，改变转动方向。

4.角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。

（四）步进电机主要分类

步进电机按其结构与工作原理，可分为反应式步进电机（variable reluctance， VR）、永磁式步进电机（permanent magnet， PM）、混合式步进电机（hybrid stepping， HS）。反应式：定子上有绕组，转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2°，但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5°或15°）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组，转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。

按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。最受欢迎的是两相混合式步进电机，约占97%以上的市场份额，其原因是性价比高，配上细分驱动器后效果良好。该种电机的基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角减少为0.9°，配上细分驱动器后其步距角可细分达256倍（0.007°/微步）。由于摩擦力和制造精度等原因，实际控制精度略低。同一步进电机可配不同细分的驱动器以改变精度和效果。

（五）四相步进电机

四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图1是四相反应式步进电机工作原理示意及内部引线。

四相步进电机励磁方式基本有三种（如图2所示）：单四拍方式，通电顺序为A—B—C—D—A；双四拍方式，通电顺序为AB—BC—CD—DA—AB；四相八拍方式，通电顺序为A—AB—B—BC—C—CD—D—DA—A。

四、教学实施过程

（一）系统结构

本实验案例的具体设计框架如图3所示。

（二）实现方案

1.脉冲发生电路。脉冲发生电路产生的脉冲频率为步进电机工作定下了基本节拍，环行脉冲分配器和控制电路将产生的脉冲分配到步进电机的四相上，对步进电机四相进行控制。

2.脉冲分配器。步进电机在运转过程中，需要使定子线圈各相绕组按次序轮流通电，实现这一功能的电路即称为脉冲分配器。脉冲分配器的作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式顺序输入给步进电机的各项励磁绕组，实现对步进电机的控制。脉冲分配器可由集成电路的逻辑门、触发器等逻辑单元构成，也可以根据通电方式直接选用集成脉冲分配器，还可以用软件来实现。

3.控制电路。单四拍、双四拍及四相八拍的所要输出的逻辑信号如图2所示，电机的正反转控制及调速由控制电路实现。通过数据解码电路，在不同工作方式选择下，翻译编码电路的信号，结合门电路，送出正确的驱动信号。

4.驱动电路及显示电路。驱动电路即功率放大电路，可以让步进电机有足够的能量正常运转。一般由门电路输出的电流不足以驱动电机的转动，所以要想使电机动起来就必须连接一个功率放大电路。脉冲显示电路可以清楚地看到步进电机的工作状态，采用LED作为状态显示，将LED的亮暗对应电机一个相的通断。

5.整体实物图。图4是步进电机的最终成品实物图和实验结果。

五、教学考核

实验案例题目总分50分，占平时成绩的70%［7-8］。其中，设计方案的正确性、合理性、创新性：12分（含EDA电路设计和仿真）；实验动手能力（工艺水平、测试效果、分析解决问题的能力、占用时间）：30分；实验设计报告：8分［9］。

考核内容由以下各部分组成：（1）实物验收：功能与性能指标的完成程度（如工作方式种类、速度控制等），完成时间。（2）实验质量：电路方案的合理性，组装工艺。（3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。（4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择是否合理，成本核算与损耗。（5）实验数据：测试数据和测量误差。（6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

本实验案例的特色在于项目背景的工程性（可作为电类及相关专业的基础知识背景）、应用的综合性以及实现方法的多样性。

参考文献

［1］中国教育科学研究院（2020）.中国教科院课题组：“停课不停学”的中国经验［EB/OL］.（2020-04-21）［2022-05-16］. http：//www.nies.net.cn/jysp/202004/t20200421_335612.html.

［2］于海雁，庞杰，李晓游，等.线上线下混合式“金课”的建设与实践：以“模拟电子技术”课程为例［J］.高教学刊，2020（28）：66-68.

［3］陈军波，周惠，杨丹丹.新工科背景下“模拟电子技术”课程教学改革探索［J］.电气电子教学学报，2020，42（3）：41-44.

［4］任君玉.模拟电子技术实验教学改革与创新人才培养［J］.实验技术与管理，2019，36（9）：219-221.

［5］康凤娥，孔令德.电子技术实验成绩分阶评价体系的构建与实践［J］.大学教育，2020（1）：105-108.

［6］顾秋洁，谭爱国.模拟电子实验教学考核体系的改革与实践［J］.实验科学与技术，2018（3）：81-84.

［7］桑林，付强，师楠.电工电子技术实验多元化考核方式的研究与实践［J］.当代教育实践与教学研究，2019（19）：117-118.