三相六拍步进电机控制器的设计分解

沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
三相六拍步进电机控制器的设计
班级/ 学号
学生姓名小班哥
指导教师
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称电子技术综合课程设计
院（系）专业
班级学号姓名
课程设计题目三相六拍步进电机控制器的设计
课程设计时间: 年月日至年月日
课程设计的内容及要求：
一、设计说明
设计三相六拍步进电机控制器。

二、技术指标
1、了解三相六拍步进电机工作原理控制方法。

2、用模拟或数字电路设计一个三相六拍步进电机控制器。

3、可以实现步进电机连续运行及点动控制。

4、用数码管实时显示步进电机连续运行时的转速。

单位：转数/分钟。

三、设计要求
1. 在选择器件时，应考虑成本。

2. 根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。

3. 画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。

四、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；
2. 仿真及硬件实验验证所设计的电路。

3．进行实验数据处理和分析。

五、推荐参考资料
1．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
2．童诗白、华成英主编者. 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年
六、按照要求撰写课程设计报告
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
成绩评定表
目录
目录 (1)
一、概述 (2)
二、方案论证 (3)
三、电路设计 (4)
1.脉冲发生器电路设计 (5)
2.连续运动及点动控制电路设计 (5)
3.脉冲分配器电路设计 (6)
4.转速显示电路设计 (7)
5.逻辑分析电路设计 (7)
四、性能测试 (9)
1.步进电机连续运行 (9)
2.步进电机点动控制运行 (9)
3.转速显示 (11)
五、结论 (11)
六、性价比 (12)
七、课设体会及合理建议 (12)
参考文献 (12)
附录I 总电路图 (13)
附录II 元器件清单 (14)
一．概述
随着现代电子技术的发展，人们正处于一个信息时代。

电子技术的应用越来越广泛,成为我们生活中不可或缺的部分。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，它在速度、位置等控制领域被广泛地应用。

三相步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。

步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度。

步进电机广泛应用于对精度要求比较高的运动控制系统中，如机器人、打印机、软盘驱动器、绘图仪、机械阀门控制器等。

矩角特性是步进电机运行时一个很重要的参数，矩角特性好，步进电机启动转矩就大，运行不易失步。

改善矩角特性一般通过增加步进电机的运行拍数来实现。

三相六拍比三相二拍的矩角特性好一倍，因此在很多情况下，三相步进电机采用三相六拍运行方式。

三相六拍步进电动机是一典型单定子、径向分组、反应式伺服电机。

它与普通电机一样，分为定子和转子两部分，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。

定子铁芯由电工钢片叠压而成。

定子绕组绕制在定子铁芯上，六个均匀分布齿上的线圈，在直径方向上相对的两个齿上的线圈串连在一起，构成一相控制绕组。

三相步进电机可构成三相控制绕组，若任一相绕组通电，便形成一组定子磁极。

在定子的每个磁极上，即定子铁芯上的每个齿上开了五个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9º，转子上没有绕组，只有均匀分布的40个小齿，齿槽等宽，齿间夹角为9º，与磁极上的小齿一致。

此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距。

当A相磁极上的小齿与转子上的小齿对齐时，B相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮1/3齿距角，C相磁极上的齿刚好超前或滞后转子齿轮2/3齿距角。

图1 单定子径向分相反应式伺服步进电机结构原理图
二、方案论证
设计一个三相六拍步进电机控制器。

方案一：
用GAL控制脉冲分配对三相六拍步进电机进行控制，原理框图如图2所示。

图2 采用集成芯片实现三相六拍步进控制逻辑电路
采用GAL控制脉冲分配的逻辑设计，利用GAL中八个输出逻辑宏单元中的三个来完成，电机的工作状态（O、P、Q）中的现态与控制信号（S、R、D）可通过GAL的与、或阵列组合逻辑来完成。

方案二：
用555构成脉冲触发电路，并用集成芯片构成脉冲分配器和译码器等对三相六拍步进电机的绕组进行通断电控制，从而实现对三相六拍步进电机进行控制。

原理框图如图3所示。

图3 控制电路框图
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，第二部分是脉冲分配器，第三部分是步进电动机。

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。

这里用555产生脉冲信号，并且用其他集成芯片构成脉冲分配电路对步进电机进行控制。

综上所述，本设计采用的是方案二，555构成脉冲电路，用集成芯片构成脉冲分配器实现对电机控制，芯片价格比较便宜有很高的性价比。

并且能利用Multisim软件进行电路的仿真。

三、电路设计
三相六拍步进电机有三个绕组A、B、C。

其转动通电顺序为A→AB→B→BC →C→CA→A，用555定时器产生脉冲信号，用4个逻辑与非门和1个74LS163D 和1个74LS138来实现对脉冲信号控制和分配。

A B C
1 0 0
1 1 0
0 1 0
0 1 1
0 0 1
1 0 1
1.脉冲发生器电路设计
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4所示。

图4 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=(R1+R2)C1ln3
T=0.24ms
振荡频率为
f=1/T
f=4.1KHz
2.连续运动及点动控制电路设计
在脉冲发生器的输出端设置一个单刀双掷开关，用来实现点动以及连续运行的控制，点动运行电路的设计思想是：利用J1按钮来控制高、低电平的切换。

当按钮按下时，输出为高电平，当松开按钮时，变为低电平，具体的设计电路如图5所示。

图5 点动运行开关电路
点动触发的原理跟连续触发的通电方式相同。

图5中J2用来切换点动及连续运行方式，如图此时为连续运行方式。

当J2开关切换至与按钮开关J1相连时，即为点动运行方式电路。

按下时是高电平，松开后为低电平。

此时，按下或松开按钮J1即可实现脉冲信号的产生，脉冲信号的频率由按下按钮的频率决定。

3.脉冲分配器电路设计
这一部分是整个电路的关键所在，这里利用4个逻辑与非门和1个74LS163D 和1个74LS138来实现脉冲分配。

对三相六拍步进电机的速度控制，即对其三个绕组的通电方式进行控制，三相六拍步进电机的转动顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A，其逻辑表示为：A=100，AB=110，B=010，BC=011，C=001，CA=101。

由此实现电机的步进，从而实现对步进电机的速度进行控制。

电路图如图6所示。

图6 脉冲分配电路
由74LS163输出的逻辑信号为Q1、Q2、Q3，经74LS138和与非门译码后输出A、B、C的六拍工作状态真值表，如表2所示。

表2 脉冲分配及六拍工作状态表
Q1 Q2 Q3 A B C
0 0 0 1 0 0
1 0 0 1 1 0
0 1 0 0 1 0
1 1 0 0 1 1
0 0 1 0 0 1
1 0 1 1 0 1
4.逻辑分析电路设计
用逻辑分析仪来对输出脉冲信号进行逻辑分析，如图7所示。

图7 逻辑分析
5.转速显示电路设计
对步进电机的速度进行实时显示，用1个555产生脉冲信号,并且利用4个74LS180对脉冲信号进行计数，用16个D触发器对所计数的信号进行锁存并用一分钟的触发脉冲信号对D触发器进行触发，从而得到转速。

一分钟的脉冲信号由555定时器来产生，电路图如图8所示。

图8 一分钟脉冲产生电路
图中电阻R4=R5=47K，电容C5=6.3uF，则脉冲周期
T=(R4=2R5)C5ln2
T=60s
用74LS160对脉冲信号进行计数并用D触发器进行锁存，并用一分钟脉冲信号对D触发器进行触发，用4个数码管来显示步进电机连续运行时的转速（转/分），电路图如图9所示。

图9 转速显示电路
四、性能的测试
1.步进电机连续运行
用Multisim软件进行仿真，连续运行时的仿真电路如图10所示。

图10 连续运行仿真电路图
对三相六拍步进电机连续运行时进行逻辑分析，如图11所示。

图11 逻辑分析图
图中三个信号分别为A、B、C，其逻辑真值为100、110、010、011、001、101，符合三相六拍步进电机工作状态真值表。

所以连续运行状态符合电路设计要求。

2.步进电机点动控制运行
把单刀双掷开关J2打到与J1相连，进行电路运行仿真，并且点动控制开关J1形成点动的脉冲信号，点动运行电路图如图12所示。

图12 点动运行仿真电路图
对点动控制运行进行逻辑分析如图13所示。

图13 点动控制逻辑分析图
图中三个信号分别是A、B、C，从图中可看出其逻辑真值分别为100、110、010、011、001、101，符合三相六拍步进电机工作状态真值表，所以点动运行符合电路设计要求。

3.转速显示
在电路运行仿真过程中，数码管可以直接显示出转速。

图14 转速显示
在电路中可以读出步进电机的转速，数码管显示的即为转速，由图13可以清晰读出此时转速为290转/分。

五、结论
本次课程设计实现了以下功能：1）能实现步进电机点动控制和连续运行；2）能够实时显示步进电机的转速。

从而实现了对三相六拍步进电机控制器的设计。

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。

整个电路简单可靠，操作方便，实用性高。

而且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。

通过两周的课程设计，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，而且加强了我的动手、思考和解决问题的能力。

在此非常感谢我的指导老师。

六、性价比
电路中用了555定时器、与非门、74LS163、74LS138、74LS160集成芯片以及电压源、电阻和电容等。

易于购买且价格便宜，性价比较高，有很强的实用性。

七、课设体会及合理化建议
课程设计已经完成，但是学习没有结束，在这次课程设计里面，不仅仅是设计一样东西，更多的是学习一种态度，对生活，对学习，不能只单单考虑一件事，一个方面，而是要从更多的方面来进行思考，尽可能完善它，充实它，让它体现出一种人性化出来。

让我学会一种认真做事的态度，首先明确要做的是什么，然后开始思考设计思路，设计方法，一步一步把它实践出来，最后再看哪里不够完善，仔细修正，才能做出好的东西出来。

通过这次实践的机会，我能够初步掌握一些设计的基本思路，对数字电路和模拟电路这些课程有了进一步的认识，每门课程开出来总有一定的道理，它既然放在大三下学期，就是让我对未来有一定的认识，不能只是一个单一的设计人员，更多的是要综合考虑一件事物，这样才能更好的融入进去。

在此，深深地感谢老师提供了这次课设的机会，让我能够更好的更系统的学习数字电路和模拟电路这些课程，能够更好的理解电子设计的相关知识，也能更加努力地面对以后的学习和生活。

并且希望学校能增加一些课程设计，这样可以锻炼我们的动手操作能力，并且能让我们学习的知识与实践充分的结合，提升我们的综合能力。

这对学校和学生都是非常有帮助的。

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] 陈振官等编著. 新颖高效声光报警器. [M]北京：国防工业出版社，2005年
[3]陈明义.电工电子技术课程指导.长沙：中南大学出版社，2002
[4]陈隆昌.控制电机.西安：西安电子科技大学出版社，2004
[5]康华光.电子技术基础（数字部分）.北京：高等教育出版社，2006
谨以此献给可爱的学弟学妹！！！！！！@小班哥@
附录I 总电路图
图15总电路图
附录II 元器件清单。