三相六拍步进电机课程设计报告

数字电子技术课程

设

计

报

告

一、步进电机相关知识介绍

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、方案设计

1.电路设计要求

对三相六拍步进电机的控制，主要分为两个方面：三相绕组的接通与断开顺序控制。即：

正转顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A：反转顺序：A-AC-C-CB-B-BA-A

以及每个步距角的行进速度。围绕这两个主要方面，可提出具体的控制要求如下：（1）可正转起动或反转起动；

（2）运行过程中，点击能够正转、反转、保持；

（3）可使用手动使时钟频率f=1~50Hz，连续可调。

2.电路用到的实验仪器

74LS00*3（与非门）

74LS74*2（D触发器）

74LS04 *1(非门)

LED灯*3

+5V 电源导线若干时钟频率发生器

三、总体设计原理及框图

通常来说，步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电动机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。依据本次设计的具体要求，步进电机驱动电路整体框图如图。

四、步进电机原理

1、步进电动机

一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的，故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移（或直线位移）的执行元件。

步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。

2、三相六状态步进电机工作原理

设A相首先通电，转子齿与定子A、A′对齐（图2.a）。然后在A相继续通电的情况下接通B相。这时定子B、B′极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A′极继续拉住齿1、3，因此，转子将转到两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图(2.b)所示，即转子从图(a)位置顺时针转过了15°。接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿2、4和定子B、B′极对齐（图2.c），转子从图(2.b)的位置又转过了15°。其位置如图3d所示。这样，如果按A→A、B→B→B、C→C→C、A→A…的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15°。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→A…的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。

图2 步进电机通电方式及原理图

五、各分框图中电路设计及计算

1.时钟脉冲发生器

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，通过对电容的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。具体设计电路如图3所示。

图3 脉冲产生电路

图4中R1=8.5K,R2=10K,C1=10nF,则

电路的振荡周期为

T=(R 1+R 2)C 1ln3

T=0.24ms 振荡频率为

f=1/T

f=4.1KHz

采用555定时器构成的斯密特触发器作为整形电路。

3.环形脉冲分配器

步进电动机的脉冲分配可以由硬件和软件两种方法来实现。硬件环形分配器需要根据步进电动机的相数和要求的通电方式而设计专门的电路，图5所示为一个三相六拍的环形分配器。

分配器的主体是三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别经各自的功放线与步进电动机A、B、C三相绕组连接。当QA＝1时，A相绕组通电；QB＝1时，B相绕组通电；QC＝1时，C相绕组通电。DR+和DR-是步进电动机的正反转控制信号。

正转时，各相通电顺序：A－AB－B－BC－C－CA

反转时，各相通电顺序：A－AC－C－CB－B－BA