三相六拍步进电机控制器的设计

一、概述

步进电机是一种数字信号控制的传动机构，若在其输入端加入一个脉冲信号，该电动机就会转动一个角度或移动一定距离。步进电机由转子和定子两部分组成。在定子的6个磁极上分别绕有绕组，对称的绕组形成一相绕组，三相电机有A、B、C三相绕组。每给一相绕组通电一次称为一拍。三相六拍步进电机的工作的次序为A—AB—B—BC—C—CA—A。步进电机每步旋转的角度大小，称为步距角。它是由电动机本身转子的齿数和每一个通电循环内通电节拍决定的。本次课程设计采用转子为4个齿的步进电机，三相六拍模式的步距角为15°。

脉冲信号按规定的方式分配给步进电机各相绕组，使各相绕组轮流接受脉冲信号的控制，通常是由环形分配器来实现的。实现这种分配方式的电路称为环形分配器。它是一个中间转换环节，前面与脉冲振荡器相接，后面接功率驱动器。三者组成了步进电机的驱动电路。环形脉冲分配器的设计是驱动电路设计的第一步，也就是本次课程设计的重点和难点。

环形分配器目前逐步走向集成电路化，各种相数的步进电机环形分配器的集成块市场已有出售，但采用各种门电路和常用芯片组成的环形分配器仍普遍应用。此次课程设计要求运用数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器，其意义便在于此。

二、方案论证

用模拟或数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器，可以实现步进电机连续运行及点动控制，用数码管实时显示步进电机连续运行时的转速。

方案一：

本方案由555定时器芯片组成的多谐振荡器作为脉冲源；六拍循环部分由74LS163集成计数器和必要的门电路组成6进制计数器，再通过74LS138译码器和必要的门电路实现六拍的组合逻辑函数；点动控制功能的实现只需通过按动开关进行高低电平信号的转换即可；由555定时器芯片组成单稳态电路作为秒脉冲产生电路，再由74LS160加法计数器组成的电路统计脉冲源在1s内产生的脉冲数n，通过数码管显示，根据公式v = n/24可计算出步进电机的转速。

图1 三相六拍步进电机控制器原理图

方案二：

本方案由555定时器芯片组成的施密特电路作为脉冲源；控制器部分由74LS161集成计数器和必要的门电路组成6进制计数器，再通过4028译码器和必要的门电路实现六拍的组合逻辑函数；点动控制功能的实现只需通过按动开关进行高低电平信号的转换即可；由555定时器芯片组成秒脉冲产生电路，再由74LS162加法计数器组成的电路统计脉冲源在1s内产生的脉冲数n，通过数码管显示，根据公式v = n/24计算可得出步进电机的转速。原理图如图1。

本设计采用的是方案一，555构成的多谐振荡电路作为脉冲源不需要外加信号，只要接通供电电源，就能自动产生矩形脉冲信号。而且电路不复杂，性价比较高。

三、电路设计

1.直流稳压电源电路

采用电源变压器将220V，50Hz交流电网电压u1变为合适的交流电压u2；由单相全波桥式整流电路将交流u2变为脉动的直流电压u3；由滤波电路将脉动直流电压u3转变为较平滑的直流电压u4；由稳压电路C1抵消输入线较长时产生的电感效应，防止电路自激振荡；C2用于消除输出电压中的高频噪声。二极管可以保护电路。电路如图2所示，计算公式如下：

电源变压器 u2=220÷10=22 V

整流电路 u3=0.9×u2=19.8 V

滤波电路 u4=1.1u2=22.4 V

稳压电路 u o=5 V

图2 直流稳压电源电路图

2．脉冲源产生电路

由555定时器芯片组成的多谐振荡器作为脉冲源，如果脉冲源的振荡频率为500Hz，根据振荡频率f=1.43/（R1+2R2）C，可取C=10nF，R1=85kΩ， R2=100kΩ。

电路如图3所示。

图3 脉冲源产生电路图

3.六拍循环电路

用74LS163集成计数器和必要的门电路组成6进制计数器。74LS163本身有16个状态，6进制则取其中的6个状态。根据表1知计数器采用同步清零法；由表2画卡诺图得CR的表达式为CR=(Q0Q2)ˊ。

表1 74LS163功能表

译码器采用3线—8线74LS138芯片，由表3可得逻辑关系为（设A相为L，B相为F，C相为G）：

L(A,B,C,)=(Y0ˊY1ˊY5ˊ) ˊ

F(A,B,C,)=(Y1ˊY2ˊY3ˊ) ˊ

G(A,B,C,)=(Y3ˊY4ˊY5ˊ) ˊ

表3 74LS138译码器真值表

六拍循环电路如图4所示。

图4 六拍循环电路电路图

4.秒脉冲产生电路

由555定时器芯片组成单稳态电路，根据输出脉冲宽度t W =1.1RC，可取R=90.91kΩ，C=10μF，则t W =1s。输入信号采用500Hz的脉冲源（图3）。电路如图5所示。

图5 秒脉冲产生电路电路图

5.转速显示电路

74LS160芯片是“十进制”加法计数器，根据功能表采用异步清零，清零端与秒脉冲产生电路相连接，当单稳态电路产生一个持续1s的高电平脉冲时，计数器的加法计数工作模式在时钟信号上升沿来临时触发，统计脉冲源在1s内产生的脉冲数n，通过数码管显示。当单稳态电路产生一个瞬间低电平时，计数器异步清零工作模式被触发，数码管数字清零。当下一个高电平产生时，计数器在时钟脉冲上升沿来临继续计数，低电平再清零，如此循环往复。电路如图6所示。

表4 74LS160功能表

表5 CR清零信号真值表

图6 转速显示电路电路图

6.点动控制电路

在脉冲源输出端接入一个单刀双掷开关，控制两种状态的转换。点动控制由按动开关实现，开关两端分别接入高电平和低电平，触动开关使其在高低电平之间转换便实现了点动控制。电路如图7所示。

Key = C

图7 点动控制电路电路图

四、性能的测试

1.直流稳压电源的测试

将直流稳压电源输出端接万用表，如图8所示。观测其输出值，由图9知输出直流为5.014V，满足设计要求。

图8 直流稳压电源的测试电路

图9 万用表测试结果

将脉冲源输出端接示波器，如图10所示。观测其输出波形，由图11知脉冲周期t=2ms，即f=500Hz，满足设计要求。

图10 脉冲源产生的测试电路

图11 示波器测试结果

将开关J 1置换到连续运行状态 ,用逻辑分析仪测试信号输出端的关系，由图13知六种逻辑关系循环出现，满足设计要求。

图12 连续运行的测试电路

图13 逻辑分析仪测试结果

XLA1

4.点动控制电路测试

把开关J1置换到点动控制运行状态，输出端接入三个小灯泡便于观察信号的变化，每按动一次开关J2，输出一个脉冲信号。测试如图14所示。

图14 点动控制的测试电路

5.转速显示电路测试

在连续运行的状态下，数码管显示的数字即为1s内脉冲源产生的脉冲数。测试如图15所示。

图15 转速显示的测试电路

6.电路整体性能测试

测试如图16所示。

图16 整体性能的测试电路

五、结论

本次课程设计实现了题目所要求的以下功能：三相六拍步进电机能实现连续运行及点动控制；用数码管实时显示步进电机连续运行时的转速。虽然没有进行实物连接，但是通过仿真软件对电路进行了严格的仿真，可以说达到了预期的目的。整个电路的关键部分都是通过开关进行控制，简单可靠，操作性高。

六、性价比

运用555定时器芯片组成的多谐振荡器和单稳态电路，及常见的74LS160、74LS163、74LS138等芯片在能够完成相应要求的情况下较其他元件相比性价比较高。

七、课设体会及合理化建议

通过这次课程设计，我加强了动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，通过对各个元件的比较和认识，找到了简单、正确的方法。对电路条件的限制，要求能更深次地理解各种器件的原理及使用规则，对具体的情况做到正确的判断，提高了我们对书本知识的掌握，也把我从理论水平提高到实践水平。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。在对陌生各种元件使用时，我们才了解到我们现在的知识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。

希望课程设计的题目多联系实际，解决生活中一些与电子技术有关的常见的问题；尽可能的多提供实物连接的机会，不仅仅局限于理论的设计与软件仿真，让学生的动手实践的能力得到真正提高。

参考文献

[1] 阎石主编．数字电子技术. [M]北京：高等教育出版社，2006年

[2] 李月乔主编．电子技术基础．[M]北京：中国电力出版社，2010年

[3] 童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年

[4] 戴伏生主编. 基础电子电路设计与实践.[M]北京：国防工业出版社，2002年

[5] 王静波、刘丽萍主编．电子技术实验与课程设计指导．[M]北京∶电子工业出版社，2011年

附录I 总电路图

附录II 元器件清单