三相步进电机驱动电机

电子技术课程设计任务书

摘要：本次设计的是步进电机的控制电路，主要包括脉冲发生器，环形分配器和功率

驱动放大电路，另外为了实现通电方式以及正反转的切换，特别增加了这两部分电路的设计。脉冲发生器是利用555定时器来实现的，而且通过调节可变电阻的大小可以改变输出脉冲的频率。环形分配器是电路的主体部分，根据电路不同的通电方式的逻辑关系可以列出真值表，从而得到相对应的卡诺图，进而得到每一相的逻辑代数表达式，最后根据表达式可以通过一系列逻辑门实现脉冲分配电路。最后就是功率放大电路，通过脉冲控制三极管的开断，从而达到绕组的通断电，并且设计了二极管放电回路，供绕组中的电感释放电能。最后，利用Multisim 软件进行电路的仿真。

关键字：步进电机，NE555，环形分配器，功率放大电路，仿真

目 录

1 步进电机控制电路的简介 . ........................................................................................................ 5 2 三相步进电机驱动电路的设计 . ............................................................................................ 5

2.1 脉冲发生器的设计 .................................... 5 2.2 通电方式、正反转及手动或连续运行方式的选择.............. 7

2.2.1 通电方式及正反转选择的电路设计 . .................................................................................... 7 2.2.2 手动以及连续运行电路的设计 .............................................................................................. 7

2.3 脉冲分配器的设计 .................................... 8

2.3.1 列出真值表 .................................................................................................................................... 8 2.3.2 画出卡诺图并列出逻辑表达式 ............................................................................................ 10 2.3.3 脉冲分配器的电路设计........................................................................................................... 12

2.4 功率驱动放大电路的设计 .............................. 12

3 步进电机控制电路的仿真 . ...................................................................................................... 13

3.1 脉冲发生器电路的仿真 . ............................... 13 3.2 脉冲分配器电路的仿真 . ............................... 16

结论 . ................................................ 19

参考文献 ............................................ 20 附 录 .............................................. 21

1 步进电机控制电路的简介

步进电机的控制电路总共可以分为三大部分，第一部分是由脉冲发生器及通电方式、正反转电路组成，第二部分是脉冲分配器，第三部分是功率驱动放大电路及步进电动机。首先由脉冲发生器发出一系列频率可调的脉冲波，然后由脉冲分配器将脉冲分配给步进电动机的每一相，通过脉冲的改变来实现步进电机的转动。每一个脉冲上升沿到来，步进电机转动一定的角度。同时，驱动电路中含有改变电机通电方式及正反转的电路，可以实现电机正向双三拍运行，反向双三拍运行，正向单、双六拍运行和反向单、双六拍运行四种运行方式。同时还可以实现步进电机手动和连续运行。整个控制电路的总体框图如图1.1所示。

图1.1 步进电机控制电路总体框图

2 三相步进电机驱动电路的设计

2.1 脉冲发生器的设计

这里采用的是555定时器来作为脉冲发生器，产生一系列频率可调的方波脉冲，每当一个脉冲的上升沿到来时即可触发步进电机转动一定角度。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不仅用于信号的产生和变换，还常

用于控制与检测电路中。其内部电路由分压器、电压比较器、SR 锁存器、放电三极管以及缓冲器组成，外部引出8个端口，分别是8号引脚电源端，4号引脚复位端，3号引脚输出端，1号引脚接地端，7号引脚放电端，2号引脚触发输入端，6号引脚阀值输入端和5号引脚控制电压端。电路实现的原理是：通过对电容得充放电来得到一系列脉冲，改变充电或放电的时间即可改变脉冲的频率，因此，电路中可以在电源至放电端口之间（充电回路）串一个可调电阻，在电容正极至放电端口之间（放电回路）也串一个可调电阻，从而改变电容充放电的时间，进而改变输出脉冲的频率，实现频率可调。具

当R1=R4=0波脉冲从OUT

2.2 通电方式、正反转及手动或连续运行方式的选择

2.2.1 通电方式及正反转选择的电路设计

由于采用的是逻辑门电路来控制电机的通电方式及正反转，因此可令逻辑1逻辑0

AC 。当S3断开，S4闭合时，正反转输出高电平1，通电方式输出低电平0，电机应工作在单、双六拍正转，脉冲的触发顺序应该为：

。当S3、S4都闭合时，即输出都为低电平0，电机应工作在单、双六拍反转，脉冲的触发顺序应该为：。由此，可以列出真值表，如表2.1所示：

(设K1为1则电机正转，为0则电机反转；K2为1则为双三拍，为0则为单、双六拍)

表2.1 环形分配器的逻辑电路真值表

真值表中有几个状态属于无效状态，而且无法进入到有效状态的循环中，为了避免让其进入无效状态，表中直接将无效状态的次状态变为有效状态。进而避免了无效循环。 2.3.2 画出卡诺图并列出逻辑表达式

根据以上的真值表，可以画出卡诺图。卡诺图根据输出项来画，即三张卡诺图，分别为A n+1、B n+1、C n+1，然后根据真值表一一对应。卡诺图如图2.4所示。

(a) A n+1的卡诺图

(c) C n+1的卡诺图

图2.4 环形分配器的卡诺图

A n+1=K1*BC*+K1*K2B+K1AC+K1B*+B*C*+K2A*

B n+1=K1*K2*A*B+K1*A*C+K1B*C*+K1BC*+K1AB+K2AC+K2B*

C n+1=K1K 2*A*C+K1K 2*A*B+K1A*BC+K1*K2*BC*+K2ABC*+K1*AB*C+K1*K2*B*

（以上三式中符号*为非的意思）

根据卡诺图即可将对应的A 、B 、C 三相的逻辑表达式列出。

2.3.3 脉冲分配器的电路设计

电路图的设计采用了若干二输入与门、三输入与门、四输入与门、六输入或门、七输入或门、非门以及三个D 触发器组成，根据逻辑关系，每当D 触发器的CP 脉冲过来一个上升沿，则D 触发器被触发，输出Q=D，根据CP 脉冲的频率不同，可以调节D 触发器的触发频率，从而影响步进电机的转速，切换S3、S4两个开关则可以让电机在预定的四种状态下运行，从而实现脉冲分配器的作用。

2.4 功率驱动放大电路的设计

由于驱动步进电机需要足够大的电流，而此前的设计并不能驱动步进电机转动，因此还要增加一个功率放大电路为步进电机提供足够大的驱动电流。这里采用的元器件是三极管，基极接脉冲分配器的输出脉冲，发射极接地，集电极接步进电机的绕组，具体电路如2.6图所示。

过调节两个可变电阻的大小可以调出理想的波形，这里用的是100nF 的电容。连续的脉冲输出如图3.2所示。

图3.1 脉冲发生器的仿真接线图

图3.2 输出波形频率最大时的仿真图

当调节两个可变电阻至最小值时，输出脉冲周期是818.713uS ，可求得频率为1221Hz ，与预期值相差不大。

图3.3输出波形频率最小时的仿真图

当调节两个可变电阻至最大值时，输出脉冲的周期为86.745mS ，可求得频率为11Hz ，接近于预期值10Hz ，误差可以忽略。 手动输出脉冲如图3.4所示。

图3.4 手动输出波形的仿真图

将J3切换到8端时即可实现手动产生触发脉冲，通过对开关J2的通断来实现脉冲高低电平的变换，而且理论上任意频率的脉冲都可以输出。

3.2 脉冲分配器电路的仿真

通过Multisim 画图，然后将脉冲分配器的三个输出端口接至示波器，可以看到各相的脉冲波形。脉冲分配器的电路仿真图如图3.5所示。

图3.5 脉冲分配器的电路仿真图

当J1、J4开关都断开时，步进电机以双三拍正转通电，如图3.6所示。

图3.6 双三拍正转仿真图

当J1闭合J4断开，步进电机以双三拍反转通电，如图3.7所示.

图3.7 双三拍反转仿真图

当J1断开J4闭合，步进电机以单、双六拍正转通电，如图3.8所示。

图3.8 单双六拍正转仿真图

当J1、J4开关都闭合时，步进电机以单、双六拍反转通电，如图3.9所示。

图3.9单双六拍反转仿真图

4 结论

本次课程设计实现了以下功能：1）步进电机能够运行在三相双三拍/三相单、双六拍工作方式；2）能实现步进电机手动和连续运行；3）能够实现步进电机正/反转。虽然没有做出实物，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几个开关进行控制，简单可靠，操作性高。而且脉冲发生器的输出脉冲实现了频率可调，脉冲分配器由逻辑门电路组成，如果要实现别的通电方式，也易于修改，可以说实用性是比较强的。

通过一周的课程设计，使我对数字电路有了进一步的了解，对各电路器件（如：与门、或门、非门和555定时器等）及原理有了更深一层次的认识，既增强了我对电路原理的理解能力, 也使我能将所学的知识运用到实际当中去，而且加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

在此感谢我的指导老师徐老师和苏老师。

参考文献

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杜坤梅, 李铁才. 电机控制技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002 黄俊, 王兆安. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2006 陈乔夫, 熊永前. 电机学. 第二版. 武汉：华中科技大学出版社，2007

[10] 黄志伟. 电子电路计算机. 北京：电子工业出版社，2004

附 录

附录一 元件清单：

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附录二 步进电机控制电路原理图

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