5相环形分配器

步进电机论文：五相混合式步进电动机环形分配器的设计
2012年1月21日
五相混合式步进电机环形分配器的设计
徐殿国王宗培（哈尔滨工业大学）
l引言
五相混合式步进电机具有许多优良的性能，因此在国内外都得到了较大发展，其驱动技术也取得了很大进步[1]。

由于五相混合式步进电动机系统的研制和开发历史不长，电机驱动电源中的环形脉冲分配器专用芯片目前尚未见到，国内外厂家生产的五相混合式步进电动机驱动电源中的环形脉冲分配器大都是由数字逻辑集成电路或EPROM存贮器构成的[2．3]。

由于电机的运行节拍和运行方式较多，采用这些方式设计的环形脉冲分配器结构复杂、功能较少、可靠性不高。

近年来随着逻辑可编程器件的出现，为逻辑电路的设计提供了极大的灵活性，因此完全可以用逻辑可编程器件（例如PAL、GAL等）设计步进电动机的环形脉冲分配器。

本文给出由两片GAL16V8构成的五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的设计方法。

2五相混合式步进电机的励磁方式及环形脉冲分配逻辑
根据五相混合式步进电机韵工作原理，可以得到如表1所示的励磁方式。

可见五相混合式步进电机的励磁方式很多，但是运行节拍只有两种即整步10拍和半步20拍。

尽管该电机的励磁方式很多，但从电机运行的平稳陛和获得最大合成转矩的角庋出发，表1五相混合式步进电动
机的励磁方式常采用4-4相通电方式作为整步运行方式，4-5相通电方式作为半步运行方式。

整步运行方式中的5-5相通电方式虽较4-4相通电方式的合成转矩大，但由于驱动电源中采用桥式电路时存在上下桥臂换向容易引起短路而较少采用。

本文给出的是4-4相通电方式和5-5相通电方式的环形脉冲分配器设计方法。

根据五相混合式步进电机的合成转矩矢量图[4]，可以得到4-5相励磁方式和4-4相励磁方式下的逻辑通电状态变化顺序，如表2所示。

与之对应的功放电路形式如图1所示。

表2中的“1”代表功率管导通，“0”代表功率管关断。

其中正转的逻辑通电状态变化顺序
为。

表2中序号为奇数的逻辑通电状态即为4-4相励磁方式。

3环形脉冲分配器的设计
通过分析可以看出，五相混合式步进电机的环形脉冲分配器应有10个输出端，控制相应的功率开关管导通或关断，使得相应的绕组关断、正向通电或反向通电。

除此之外，该环形脉冲分配器还应有相应的输入控制端，定义为：
CLK-步进脉冲
CW-正转（CW=1）或反转(CW=O)
H-半步运行(H=1)或整步运行(H=0)
PR-初始状态预置
OE-输出使能
根据定义，通过对表2所示逻辑通电状态的分析（并不需用多变量卡诺图的繁杂化简过程），便可以得到五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的时序逻辑表达式：
由时序逻辑表达式，用GAL器件实现环形脉冲分配器的设计是不难的。

目前通用的GAL器件（如GAL16V8、GAL20V8等）只有8个三态输出端，由于五相混合式步进电动机共需要10个输出端，所以可选用两片GAL器件实现。

由两片GAL16V8构成的五相7昆合式步进电动机环形脉冲分配器如图2（略）。

图中CLK和PR输入端周边电路是为实现输出状态自动预置而设计的。

为了保证预置的可靠性，参数选择必须满足
R2C2>R1C1的关系。

当然也可以由外部电路实现状态预置。

根据图2可以得到环形脉冲分配器的输入／输出状态组合关系，如表3所示。

4结语
文中给出的用GAL器件设计五相混合式步进电机环形脉冲分配器的方法，通过试验验证是可行的，所设计的环形脉冲分配器电路结构大为简化，可靠性高。

这种方法同样可以实现其它相数的步进电动机环形脉冲分配器的设计。

细分电路的环形脉冲分配器用这种方法设计也是可行的。

五相混合式步进电动机环形分配器的设计
2011-4-6 17:17:22来源：中国计量测控网
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l引言
五相混合式步进电动机具有许多优良的性能，因此在国内外都得到了较大发展，其驱动技术也取得了很大进步[1]。

由于五相混合式步进电动机系统的研制和开发历史不长，电机驱动电源中的环形脉冲分配器专用芯片目前尚未见到，国内外厂家生产的五相混合式步进电动机驱动电源中的环形
脉冲分配器大都是由数字逻辑集成电路或EPROM存贮器构成的[2.3]。

由于电机的运行节拍和运行方式较多，采用这些方式设计的环形脉冲分配器结构复杂、功能较少、可靠性不高。

近年来随着逻辑可编程器件的出现，为逻辑电路的设计提供了极大的灵活性，因此完全可以用逻辑可编程器件(例如PAL、GAL等)设计步进电动机的环形脉冲分配器。

本文给出由两片GAL16V8构成的五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的设计方法。

2五相混合式步进电动机的励磁方式及环形脉冲分配逻辑
根据五相混合式步进电动机韵工作原理，可以得到如表1所示的励磁方式。

可见五相混合式步进电机的励磁方式很多，但是运行节拍只有两种即整步10拍和半步20拍。

尽管该电机的励磁方式很多，但从电机运行的平稳陛和获得最大合成转矩的角庋出发，表1五相混合式步进电动机的励磁方式常采用4-4相通电方式作为整步运行方式，4-5相通电方
式作为半步运行方式。

整步运行方式中的5-5相通电方式虽较4-4相通电方式的合成转矩大，但由于驱动电源中采用桥式电路时存在上下桥臂换向容易引起短路而较少采用。

本文给出的是4-4相通电方式和5-5相通电方式的环形脉冲分配器设计方法。

根据五相混合式步进电动机的合成转矩矢量图[4]，可以得到4-5相励磁方式和4-4相励磁方式下的逻辑通电状态变化顺序，如表2所示。

与之对应的功放电路形式如图1所示。

表2中的“1”代表功率管导通，“0”代表功率管关断。

其中正转的逻辑通电状态变化顺序为。

表2中序号为奇数的逻辑通电状态即为4-4相励磁方式。

3环形脉冲分配器的设计
通过分析可以看出，五相混合式步进电动机的环形脉冲分配器应有10个输出端，控制相应的功率开关管导通或关断，使得相应的绕组关断、正向通电或反向通电。

除此之外，该环形脉冲分配器还应有相应的输入控制端，定义为：CLK-步进脉冲
CW-正转(CW=1)或反转(CW=O)
H-半步运行(H=1)或整步运行(H=0)
PR-初始状态预置
OE-输出使能
根据定义，通过对表2所示逻辑通电状态的分析(并不需用多变量卡诺图的繁杂化简过程)，便可以得到五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的时序逻辑表达式：
由时序逻辑表达式，用GAL器件实现环形脉冲分配器的设计是不难的。

目前通用的GAL器件(如GAL16V8、GAL20V8
等)只有8个三态输出端，由于五相混合式步进电动机共需要10个输出端，所以可选用两片GAL器件实现。

由两片GAL16V8构成的五相7昆合式步进电动机环形脉冲分配器如图2(略)。

图中CLK和PR输入端周边电路是为实现输出状态自动预置而设计的。

为了保证预置的可靠性，参数选择必须满足R2C2>R1C1的关系。

当然也可以由外部电路实现状态预置。

根据图2可以得到环形脉冲分配器的输入/输出状态组合关系，如表3所示。

4结语
文中给出的用GAL器件设计五相混合式步进电动机环形脉冲分配器的方法，通过试验验证是可行的，所设计的环形脉冲分配器电路结构大为简化，可靠性高。

这种方法同样可以实现其它相数的步进电动机环形脉冲分配器的设计。

细分电路的环形脉冲分配器用这种方法设计也是可行的。

步进电机及驱动电路设计
时间:2010-12-08来源:作者:电路图之家
步进电机及驱动电路设计
步进电机内部结构如图1所示,如何能使它转起来呢?一搬有两种方法：
1．单相驱动：一相一相驱动，线圈加高电平顺序是：黄'蓝'红'橙；或是：橙'红'蓝'黄。

其中黑白接地。

2．双相驱动：当要求电动机输出大功率时可以两相两相同时驱动，线圈加高电平顺序为：黄+红'蓝+橙；或是：橙+蓝'红+黄。

了解步进电机的驱动方式后、我想到了用移位寄存器产生移位脉冲来让步进电机动起来。

电路如图2。

图2是通过拨码开关控制74LS194使Q0、Q1、Q2、Q3产生上面提过的两种移位脉冲来控制U1(光电耦合器)，运用光电耦合器是为了使控制电路的电源与电机的电源隔离从而减少相互的干扰，当然也可以用可控硅来代替。

R3～R6是1～10k的普通电阻，本例采用1k。

其中将DSL接Q0是为了构成循环左移，同样DSR接Q3是为了构成循环右移。

这样接就可以实现循环左右移从而实现正反转。

74LS194的使用如下表：
要让74LS194工作还必须有脉冲信号，CLK的脉冲信号可由时基电路555产生，电路见图3。

调节R1可改变输出脉冲的周期从而改变电动机的转速。

当然这样的控制不是很精确，如果想精确调节可用单片机来控制。

只要把P0、P1、P2、P3、SO、S1、MR、LCK接到单片机的IO口(如P1口)脉冲的产生用定时。

为了提供足够大的电流还要加一个驱动电路，如图4。

按照以上电路图连接好后就可以调试了。

接上电源后用拨码开关控制电动机的运转，首先置数，比如是单相驱动可设预置数0001(即：P3置0、P2置0、P1置0、P0置1)，然后
S1、S2同时置1，把预置数送出，接下来就可以通过改变S1、SO的状态来改变脉冲的左移右移，从而改变电动机的正反转。

如10为正转则01为反转。

当正反转没问题后可以通过调节图3的R1来改变电动机的转速快慢。

当接不同功率的电机时可改变+12V电源(变大或或变小)，不过值得要注意的是电流不要超过三极管的最大工作电流，TIPl27是PNP达林顿管，最大可提供5A电流。

R5、R6、R7、R8是普通电阻，1～10k自行调节，本例中用了1k；R9、R10、R11、R12是大功率限流电阻，功率2～3W阻值2～22欧，本例采用了22欧；D1、D2、D3、D4为保护晶体管而设，可在断电时为感应电势提供泄放通路。

本人采用以上电路自己亲手制作一遍，效果还是不错的，可以驱动不同型号不同功率的步进电机，轻轻松松实现正反转控制和速度调节。

如想精确调节转速、可用单片机来实现，只要去掉555时基振荡电路、把图1改为图5即可。

控制的原理与上面是一样的，就是提高了精度，扩大了调节范围，使用起来比较简单，此电路的编程也比较方便，这里不做详细介绍。

在制作电路时可以在电路板上留出P0、P1、P2、P3、SO、S1、MR、LCK的端口这样不但可以通过开关来控制也可以方便改接单片机。

步进电机论文：步进电动机驱动电路基础
2012年1月21日
步进电动机驱动电路
步进电机需要一个专用电源来驱动，该电源让电动机的绕组按照特定的顺序通电，即受一系列电脉冲的控制和动作；步进电动机的驱动电源由环形分配器、功率放大器及其他控制
电路组成，其框图如图9-4所示。

环形分配器用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生步进电动机工作方式所需的各相脉冲序列信号。

功率放大电路对环形分配电路输出信号进行放大。

产生电动机旋转所需要的励磁电流。

不仅方向信号指定各相绕组导通的先后顺序，以改变步进电动机的选转方向。

电源控制信号在必要时可使各相绕组上的电流为零，达到释放电流、降低功耗的目的。

对不同电机类型和不同的应用场合，选用的功率驱动放大电路不尽相同。

即使是同一台步进电动机，在使用不同的驱动的驱动方案时，其矩频特性也相差很大。

比较常用的功率驱动放大电路有电压驱动、双电压驱动、双电压驱动、斩波恒
流驱动、细分驱动电路和集成电路驱动电路等，下面分别介绍其工作原理。

1.单电压驱动
但电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。

单电压驱动如图9-5所示
功率晶体管t用作开头，l是电机一相绕组的电感，电源电压一般选择在10v-100v左右。

限流电阻r1决定了时间常数，r1在工作中要消耗一定的能量，所以这个电路损耗大、放率
低，一般只用于小功率步进电动机的驱动。

2.双电压驱动
用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。

双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法
1）双电压法
双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。

其电路原理如图9-6所示。

当电动机工作在低频时，给t1低电平，使t1关断。

这时，电动机的绕组由低电压vl供电，控制脉冲通过t2使绕组得到低压脉冲电源。

当电动机工作在高频时，给t1高电平，使t1打开。

这时二极管d2反响截止，切断低电压电源vl，电动机绕组由高电压vh供电，使控制脉冲通过t2使绕组得到高压脉冲电源。

这种驱动方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在
高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单压驱动的弱点，在限流电阻r上仍然会产生损耗和发热。

2）高低压法
高低压法的基本思路是：不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，是绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。

高低压驱动电路的原理如图9-7所示，尽管看起来与双电压法电路非常相似，但它们的原理有很大差别。

高压开关管t1的输入脉冲uh与低压开关管t2的输入脉冲
ul同时起步，但脉宽要窄得多。

两个脉冲同时使开关管t1、t2导通，使高电压vh为电动机绕组供电。

这使得绕组中电流i快速上升，电流波形的前沿很陡，如图9-7所示电流波形。

当脉冲uh降为低电平时，高压开关管t1截止，高电压被切断，使电压vl通过二极管d2为绕组继续供电，由于绕组电阻小，回路中又没有串联电阻，所以低电压只需数伏就可以为绕组提供提供较大电流。

高低压驱动法是目前普遍应用的一种方法。

由于这种驱动在低频时电流有较大的上冲，电动机低频噪声较大，低频共振现象存在，使用时要注意。

重点提示
步进电动机与其他电动机不同，它所标称的额定电压和额定电流只是参考值，又因为步进电动机以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进电动机可以超出其额定值范围工作。

这就是为什么步进电动机可以采用高低压工作的原因。

一般高压选择范围是80v-150v，低压选择范围是5v到20v.选择时注意不要偏离步进电动的额定值太远。