南华大学课程设计

NANHUA University电子技术课程设计题 目 步进电机的驱动电路 电气工程学院 肖 金 凤 副 教 授 电力 071 班学院名称 指导教师 职 班 学 称 级 号学生姓名2010 年 1 月 21 日-1-1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等） ：一、设计并仿真一步进电机驱动电路。

原始资料： 保持转 型号 36BF003-2 相数 3 步距角 3/6 电压 27 电流 距 0.6 0.049 1600 设计频率二、主要技术指标与要求：（1）基本要求a、步进电机能够在三拍/单双六拍工作方式间切换； b、能实现步进电机手动和连续运行； c、利用仿真软件对硬件电路仿真。

（2）扩展功能a、步进电机步距角可控； b、能实现步进电机正/反转。

-2-2．对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕 ：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书。

要求图纸布局合理，符合工程要求，所有的器件的选择要有计算 依据。

3．主要参考文献：[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997 [2]谢自美.电子线路设计、实验、测试.武汉：华中科技大学出版社，2002 [3]毕满清.电子技术实验与课程设计[M].北京：机械工业出版社，1995 [4]陈明义.电工电子技术课程设计指导[M].长沙：中南大学出版社，2002 [5]陈隆昌.控制电机.西安:西安电子科技大学出版社,1992-3-目录引言…………………………………………………………………………………1 1 步进电机的基本概念…………………………………………………………21.1 步进电机的分类………………………………………………………………2 1.2 三相步进电机的工作原理……………………………………………………22 步进电机驱动系统的组成 …………………………………………………32.1 时钟信号产生器的组成与工作原理…………………………………………4 2.2 环形分配器的组成与工作原理………………………………………………5 2.3 功率放大器的组成与工作原理………………………………………………11 2.4 手自动切换电路的组成与工作原理…………………………………………123 步进电机驱动电路组合电路图与仿真 …………………………………143.1 步进电机单三拍运行情况……………………………………………………15 3.2 步进电机双三拍运行情况……………………………………………………16 3.3 步进电机六拍运行情况………………………………………………………18 3.4 步进电机手动运行情况………………………………………………………19结论…………………………………………………………………………………20 参考文献 …………………………………………………………………………21 附录…………………………………………………………………………………22-4-引言：步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，步进电机在微 机控制的中小型机床和其它自动化装置方面取得了广泛的应用。

步进电动机有着特殊 性，其与一般交、直流电动机不一样, 后者的电源常常是一个标准的交、直电源, 只要 电压等级和容量与电动机给定参数相等, 电机基本上就有确定的性能，而步进电动机的 电源在许多情况下是一个直流开关电源。

步进电动机的性能很大程度上依赖于驱动电源 的性能, 所以研究高性能的步进电动机电源尤为重要，近三十年来，随着数字技术，计 算机技术和永磁材料的迅速发展，步进电机的发展也进入了一个新时期，步进电机的研 究与应用也凸显出更广阔的前景。

作为一种纯粹的数字控制电动机，步进电机在某些方面有着明显的优势： 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又很可靠。

步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，具有了良好的跟随性。

设计方向：步进电动机驱动电路的研究与设计可采用单片机控制理论，数字电路与模拟电路 结合控制，以及VHDL 语言设计步进电机控制等。

在满足设计要求的前提下，此次设计 采用的是数字电路与模拟电路相结合的电路设计思路，在设计过程中，采用Multisim 软件对所设计电路进行有效的检测与仿真。

进行此次步进电动机驱动电路课程设计希望 达到以下目的： 其一在结合自己所学模拟电子技术， 数字电子技术， 电机学的基础之上， 将所学的基础理论和基本知识在课程设计中进行一个有效的总结与提升； 其二通过课程 设计提高我们解决实际问题的能力与自学的能力。

在此次课程设计中，我的总体设计思路是： 首先，通过查阅相关资料、咨询老师对步进电动机的组成与工作原理有一个深入的 了解，在此基础上，熟悉步进电动机的驱动电路组成以及工作原理； 其次，再根据驱动电路的组成分步骤，分区域地用软件对时钟信号产生器，环形分 配器，功率放大器等部分进行设计与仿真，并依次记录仿真结果； 最后，将设计的电路进行有效的组合，仿真成功后，根据设计过程与仿真结果撰写 设计论文。

-5-1 步进电机的基本概念步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。

步进电动机的 输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。

正常运动情况下，它每转 一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对 应关系，不受电压波动和负载变化的影响。

１.１ 步进电动机的种类：(1)反应式步进电动机(VR)。

反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小； 但动态性能差。

(2)永磁式步进电动机(PM)。

永磁式步进电动机出力大，动态性能好；但步距角大。

(3)混合式步进电动机(HB)。

混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机 两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。

它 有时也称作永磁感应子式步进电动机。

１.２ 步进电机工作原理：图 1 三相反应式步进电动机的结构示意图 1 ——定子 2——转子 3——定子绕组-6-图 1 是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。

电机的定子上有六个均布的 磁极，其夹角是 60º。

各磁极上套有线圈，按图 1 连成 A、B、C 三相绕组。

转子上均 布 40 个小齿。

所以每个齿的齿距为 θE=360º/40=9º， 而定子每个磁极的极弧上也有 5 个小齿，且定子和转子的齿距和齿宽均相同。

由于定子和转子的小齿数目分别是 30 和 40，其比值是一分数，这就产生了所谓的齿错位的情况。

若以 A 相磁极小齿和转子的小齿对齐，如图 1，那么 B 相和 C 相磁极的齿就会分 别和转子齿相错三分之一的齿距，即 3º。

此时，B、C 极下的磁阻比 A 磁极下的磁阻大。

如果给处于错齿状态的相通电， 则在转子的电磁力作用下， 将向磁导最大 （或磁阻最小） 的位置转动，即趋向于对齿的状态转动，若给 B 相通电，B 相绕组产生定子磁场，其磁 力线穿越 B 相磁极，并力图按磁阻最小的路径闭合，这就使转子受到反应转矩（磁阻转 矩）的作用而转动，直到 B 磁极上的齿与转子齿对齐，恰好转子转过 3º；此时 A、C 磁 极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。

接着停止对 B 相绕组通电，而改为 C 相 绕组通电，同理受反应转矩的作用，转子按顺时针方向再转过 3º。

依次类推，当三相绕 组按 A→B→C→A 顺序循环通电时，转子会按顺时针方向，以每个通电脉冲转动 3º 的 规律步进式转动起来。

若改变通电顺序，按 A→C→B→A 顺序循环通电，则转子就按逆 时针方向以每个通电脉冲转动 3º 的规律转动。

因为每一瞬间只有一相绕组通电，并且按三种通电状态循环通电，故称为单三拍运 行方式。

单三拍运行时的步矩角 θb 为 30º。

三相步进电动机还有两种通电方式，它们分 别是双三拍运行， 即按 AB→BC→CA→AB 顺序循环通电的方式， 以及单、 双六拍运行， 即按 A→AB→B→BC→C→CA→A 顺序循环通电的方式。

六拍运行时的步矩角将减小 一半。

反应式步进电动机的步距角可按下式计算： θb=360º/NEr 式中 Er——转子齿数； N——运行拍数，N=km，m 为步进电动机的绕组相数，k=1或2。

(1)-7-2 步进电机驱动系统的组成步进电机是使用脉冲电源工作，由时钟信号产生器产生的时钟脉冲经过环形分配器 的脉冲分配作用，再经过功率放大器对驱动电路进行控制。

可以画出步进电机驱动系统 组成图如图 2 所示。

驱动电路的工作原理是：时钟脉冲产生电路给环形分配器提供输入 脉冲，环形分配器将输入时钟脉冲信号转换成 A、B、C 三相绕组所需要的顺序控制信 号，经三相的独立功屡犯大电路后，加到电机的三相绕组上，驱动电机转动，每输入一 个时钟信号，电机就前进一步，由此完成电机的驱动。

脉 冲 信 号信 号 分 配功 率 放 大步 进 电 机图 2 驱动电路结构图2.1 时钟信号产生器的组成与工作原理在本次设计中，采用 555 型集成电路，此种集成电路是一种数字、模拟混合型的中 等规模集成电路，可以用来产生时间延迟和多种脉冲信号。

555 型集成电路主要是与电路、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容 器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断，由此便可以构成从微妙到数 十分钟的延时电路，可以方便的构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲 产生或波形变换电路。

在我的设计中所采用的是如图 2.1.1 所示的 555 多谐振荡器。

图 2.1.1 555 多谐振荡器-8-从图 2.1.2 中电路图可以看出，555 多谐振荡器是由 555 定时器和外接元件 R1， R2，C 构成，2 脚与 6 脚直接相连。

电路没有稳态，仅存在暂稳态。

电源通过 R1，R2， 向 C1 充电，以及 C1 通过 R2 向放电端 DIS 放电，使电路产生振荡。

电容 C1 在 1 Vcc3和 2 Vcc 之间充放电，可以用软件仿真出波形如图 2.1.2 所示。

3输出信号的时间参数是 T=0.7(R1+2R2)C.图 2.1.2 时钟脉冲波形在设计 555 多谐振荡器时，选择适合的 R 值与电容 C 的值方能满足要求。

所以在 R1=3k Ω ,R2=44.2k Ω ,C1=10nF 时，可以用上述时间参数求出频率 f 接近 1600HZ。

与此 同时，可以读出该脉冲波形图中 T=T2-T1=637.813us，推算出 f=1 ≈ 1600HZ。