数字逻辑课设报告--三相六拍步进电机控制器

一、概述

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

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。若在其输入端加入一个脉冲信号，该电机就会转过一个步距角。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

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，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。三相六拍步进电机工作的正转次序为A—AB—B—BC—C—CA—A，反转次序为A—AC—C—CB—B—BA—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，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。它是一个中间转换环节，前面与时钟脉冲电路相接，后面接驱动电路。三者组成了步进电机的控制器。环形脉冲分配器是本次课程设计的重点和难点。

二、方案论证

利用数字逻辑电路设计一个三相六拍步进电机控制器，可以实现正转、反转、单步运行、停车等功能。

方案一：

本方案由直流稳压电源电路提供电源；时钟脉冲电路是555定时器芯片组成的多谐振荡器；环形分配器部分由74LS191加减可逆计数器和与非门电路用置数法组成6进制计数器，分别控制步进电机的正转、反转，再通过74LS138译码器和3个与非门电路实现六拍的组合逻辑函数，实现三相六拍步进电机的六拍循环。步进电机的单步运行功能的实现只需通过按动开关进行高低电平信号的转换即可，停车功能只要停止脉冲就能实现。

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三相六拍步进电机控制器由直流稳压电源电路、时钟脉冲电路、环形分配器、驱动电路组成，其原理框图如图1所示。

直流稳压电源电路A时钟脉冲电路环形分配器B驱动电路步进电机C

图1 方案一原理框图

步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机停止，在输入端加入一个脉冲信号，该步进电机就会转过一个步距角。改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。该电路的时钟脉冲电路给环形分配器提供输入脉冲，环形分配器将输入时钟脉冲信号转换成A、B、C三相绕组所需的顺序控制信号，经驱动电路后，加到电机的三相绕组上，驱动三相六拍步进电机转动。改变脉冲信号的输入顺序，就可以实现三相六拍步进电机的正转和反转。

方案二：

本方案由555定时器芯片组成的施密特电路作为脉冲源；六拍循环电路部分由JK触发器组成的可逆计数器和必要的门电路组成6进制计数器，再通过74LS138译码器和必要的门电路实现六拍的组合逻辑函数，就能实现三相六拍步进电机的正转、反转；通过按动开关进行高低电平信号的转换实现单步运行功能，停车功能的实现通过停止脉冲源提供脉冲即可。

步进电机输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，就能改变步进电机的转动方向。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。给电机加一个脉冲信号，电机就能转过一个步距角。

三相六拍步进电机控制器由直流稳压电源电路、脉冲源、单步运行电路、六拍循环电路、驱动电路组成，其原理框图如图2所示。

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直流稳压电源电路A脉冲源六拍循环电路B驱动电路步进电机单步运行电路C

图2 方案二原理框图

脉冲源根据要求控制步进电机运转，脉冲源给六拍循环电路提供输入脉冲，JK触发器组成的加减可逆计数器、74LS138译码器与非门电路构成六拍循环电路。JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元，具有置0、置1、保持和翻转功能，利用JK触发器的翻转功能，计数器实现加法或减法计数，脉冲分配器的正反转工作方式由JK触发器的输出端按其要求进行组合。

本设计采用的是方案一，555构成的多谐振荡电路作为脉冲源不需要外加信号，只要接通供电电源，就能自动产生矩形脉冲信号；74LS191做可逆计数器，电路比较简单，性价比较高。

三、电路设计

1、直流稳压电源电路

直流稳压电源主要由三部分组成：电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。 该电路采用电源变压器将220V，50Hz电网交流电压u1变为整流电路所需的交流电压u2；由单相全波桥式整流电路将变压器次级交流电压u2变为单向的直流电压u3；由滤波电路滤除脉动电压u3中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压u4；由稳压电路C1抵消输入线较长时产生的电感效应，防止电路自激振荡；C2用于消除输出电压中的高频噪声。电路如图3所示。

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图3 直流稳压电源电路图

计算公式如下：

电源变压器 u2=u1÷n=220÷10=22 V 整流滤波电路 u4=1.1×u2=22.4 V

稳压电路 uo=5 V 2、时钟脉冲电路

这里采用的是555定时器来作为时钟脉冲电路，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过一个步距角。555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，由555定时器构成的多谐振荡器，组成信号产生电路。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 时钟脉冲电路图

图4中R1=85kΩ,R1=100kΩ,C1=10nF,则

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电路的振荡周期为

T=(R1+2×R2)×C1×ln2 T=1.995ms 振荡频率为

f=1÷T f=501.2Hz 3、环形分配器电路

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74LS191和1个74LS138来实现环形脉冲分配。对步进电机三个绕组的通电方式进行控制，三相六拍步进电机的正转顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A，反转顺序：A-AC-C-BC-B-AB-A，由此实现电机的步进。

用74LS191可逆计数器和必要的门电路组成6进制计数器。74LS191本身有16个状态，6进制则取其中的6个状态。根据表1可知当M接低电平，74LS191实现加法计数，即步进电机正转；反之，步进电机反转。

表1 74LS191功能表

译码器采用3线—8线74LS138芯片，由表2可得逻辑关系为（设A相为X，B相为Y，C相为Z）：

X(A,B,C,)=(Y0ˊY1ˊY5ˊ) ˊ Y(A,B,C,)=(Y1ˊY2ˊY3ˊ) ˊ Z(A,B,C,)=(Y3ˊY4ˊY5ˊ) ˊ

表2 74LS138译码器真值表

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