步进电动机的启动控制器

University of South China

电子技术课题设计

题 目 步进电动机的启动控制器

学生姓名 易 璞 专业班级 自 动 化 073 班 学 号 20074460304 同组学生 邱 云

指导老师 刘 冲

2010年1月15日

步进电动机的启动控制器

一、设计任务与要求 1、设计任务

设计制作一台步进电机控制器。 2、设计要求

（1）设计一个三相三拍工作方式的脉冲分配器。

（2）设计电路工作的时钟信号，频率为10HZ～50HZ且连续可调。

二、方案设计与论证

1、设计要求分析

图1 三相步进电机原理图

步迸电动机是一种用脉冲控制的电动机，它能将脉冲信号转换成相应的角位移。下面以反应式步迸电动机为例，说明它的结构和工作原理。

如图是三相步迸电动机的结构图。从图中可以看出，电动机的定子上有六个等分的磁极，AA'、BB'、CC'，每两个相对的齿构成一相。每相上绕有一组线圈。转子有四个齿，上边不绕线圈。当A相通电，B、C相都不通电时，那么由于AA'线圈申的电流，将产生虚线所示的磁场，在这个磁场作用下，迫使转子 的齿1、3跟U相的定子齿对齐。如果在脉冲信号的作用下，A相断开，B相通电，产生

磁场，这时转子齿将逆时针转过30°，使转子齿2、4跟V相定子对齐。再来一个脉冲，使B相断电，C相通电，于是转子齿再转30°，使1、3跟相定子对齐，。如果我们按A-B-C-A-B-C……方式不断按脉冲形式给各相线圈通电、断电，转子就会按逆时针方向旋转。反之，按A-B-C-A-B……来改变各相绕组上的电流，转子就会按顺时针方向旋转。

像这样使A、B、C相轮流通电作为一个周期的状态称为\"三拍\"。如果按A-AB-B-BC-C-CA-A六种通电方式给各绕组通电就称为\"六拍\"。 步迸电动机的结构虽然郁有不同，但其基本工作原理都是一样的。 使用步迸电动机，必须有脉冲信号源，现在大多数步迸电动机都和单片机连在一起，因单片机提供给步进电动机的脉冲信号源是很方便的。 方案一、

用边沿D触发器设计一个三相三拍工作方式的脉冲分配器。脉冲源由NE555组成的多谐振荡器构成，由三极管作功率放大器放大脉冲信号以驱动步进电机。

三、单元电路设计与参数计算 1、多谐振荡器

图2 多谐振荡器电路

低电平时间: Tpl=R1C2ln2=0.7R2C2

高电平时间：Tph=(R1+R2)C2ln2=0.7(R1+R2)C2 振荡频率： f=1.43/(R1+2R2)/C2 2、环形脉冲分配器

由2片74LS74芯片中取三个D触发器构成。 电路如下图：

图3 环形脉冲分配器电路

下表为74LS74N芯片真值表

表1 74LS74N芯片真值表 ~PRE ~CLR CLK D Q ~Q 0 1 X X 1 0 1 0 X X 0 1 0 0 X X 1 1 1 1 - 1 1 0 1 1 - 0 0 1 1 1 0 X HOLD 3、功率放大器

由于环形脉冲分配器输出的逻辑脉冲信号难以驱动步进电动机运转，

所以在脉冲信号与步进电动机之间加一级功放电路，它由三个功放三极管组成(如下图)，为了防止步进电机绕阻断电时产生高压，在每相绕阻两端并联一个续流二极管。

图4 功率放大器电路

四、仿真过程与仿真结果

1、仿真过程

本电路用Multisim10.0仿真，用一片LM555CN组成多谐振荡器。两片74LS74N构成环形计数器。仿真电路如下图：

VCC5VR1330¦¸8VCC4VCCU1OUT3U271234567~1CLR1D1CLK~1PR1Q~1QGNDVCC~2CLR2D2CLK~2PR2Q~2Q9141312111098U3581234567~1CLR1D1CLK~1PR1Q~1QGNDVCC~2CLR2D2CLK~2PR2Q~2Q1413121110982R25k¦¸R4410k¦¸50%Key=A31RSTDISTHRTRICONGND1762574LS74N74LS74N0LM555CNJ160Key = Space XSC2GTABCD0C14.7uF0C2100nF0 图5 仿真电路图

2、仿真结果 （图中红、蓝、绿信号分别对应A、B、C相）

图6 R3=0欧，f=1.43/(R1+2(R2+R3))/C1=29.4HZ

图7 R3=5K欧,f=15HZ

图8 R3=10K欧，f=10HZ

五、总原理图及元器件清单

2、元件清单 元件序号 U1 型号 LM555CN 表2 元件清单 主要参数 数量 备注 555定时器 U2、U3 74LS74N D4-D6 D1-D3 Q1-Q3 M LED0 SMC NPN 37BYJ 1、供应电压：1 4.5-18V 2、供应电流：3-6mA 3、输出电流：225mA(max) 4、上升/下降时间：100ns Vcc:4.75-5.25V 2 oTa:0-70C Io:-0.4-8mA 3 3 3 双D触发器芯片 发光二极管 二极管 三极管 三相四线步进电动机 R1-R7 C1、C2 S1 AXIAL-0.4 RAD-0.3 SW-PB 额定电压：5-12VDC 1 步距角：5.625° 静转矩：34.3mN.m 直流电阻：200欧 噪声<40dB 重量 32g 7 2 1 电阻 电容 开关 五、安装与调试

1、按图在实验板上焊好电路各部分，先不接步进电动机。用示波器测量控

制脉冲发生电路的输出波形，并观察R3电阻值变化对其频率的影响。

2、在环形脉冲分配器的Q1,Q2,Q3端分别接上发光二极管，在控制脉冲作用

下，观察发光二极管是否按照三相三拍模式的时序依次亮、灭。调R3，观察发光二极管亮、灭的速度变化。

3、给步进电机绕阻上加+5V电压将环形脉冲分配器输出引入功率放大器的

输入端，以驱动步进电机。观察步进电机是否转动。调R2，观察电机转速变化。

六、性能测试与分析

由于条件没有做出实物。

七、结论与心得

通过本次实习，将书本上学到的知识应用于实践，学会了一些电子电路仿真设计能力,虽然过程中遇到了一些困难，但是在解决这些问题的过程无疑也是对自己自身专业素质的一种提高与肯定。此次设计不仅增强了自己在专业设计方面的信心，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。

八、参考文献

[1].高吉祥.电子技术基础实验课程设计[M].北京：电子工业出版社，2005 [2].康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京：高等教育出版社，2007 [3].杨碧石.电子技术实训教程[M].北京：电子工业出版社，2005 [4].付家财.电子工程实践技术[M].北京：化学工业出版社，2003 [5].三宅和司.电子元器件的选择与应用.北京：科学出版社，2005