步进电机控制电路课程设计.doc

数字电子技术课程设计
步进电机控制电路
班级学号
姓名
平时成绩
答辩成绩
报告成绩
总分
122033143
袁伟康
28

122033115
刘洁茹
28

122033120
许乃宁
28

122033106
张祥
25

一、 设计要求
设计三相六拍环形分配器，是使电机正反转，并且能自启动。
二、 设计过程

如上图所示，电路分为三个部分：时钟电路、环形分配器（能实
现自启动）、步进电机驱动电路、通过EN、DR信号控制电机正反转。
1、 步进电机
a、步进电机（三相六拍）结构及工作原理 

上图为（三相六拍）步进电机的结构图。步进电机控制主要有三个
重要参数即转速、转过的角度和转向。由于步进电机的转动是由输入脉冲
信号控制，所以转速是由输入脉冲信号的频率决定，而转过的角度由输入
脉冲信号的脉冲个数决定。转向由环形分配器的输出通过步进电机A、B
、C相绕组来控制，环形分配器通过控制各相绕组通电的相序来控制步电
机转向，步进电机的特点是来一个电脉冲，转一个步距角，控制脉冲频率
可以控制电机转速，改变脉冲顺序来改变方向。
b、步进电机的工作方式 
步进电机A、B、C相绕组的通电顺序：正转（即RD为高电平）
A® AB®B®BC®C® CA®A ，步进电机A、B、C绕组电平变
化顺序：100®110®010®011®001®101®100 反转（即DR为低电
平）A® AC®C®CB®B® BA，步进电机A、B、C绕组电平变化
顺序：100®101®001®011®010®110®100 每来一个cp脉冲，
转子转过30度（360/12），改变三相线圈的通电顺序即可改变电机
转动方向。 
2、 时钟脉冲发生器
由555定时器芯片组成的多谐振荡器作为脉冲源，如果脉冲源的
振荡频率为500Hz，根据振荡频率f=1.44/[（R1+2R2）C]，可取C=10nF，
R1=85kΩ，R2=100kΩ。
其电路如下：

3、 脉冲环形分配器
根据三相六拍步进电机步进电机工作原理得到以下状态转换图：

为了不让电路进入无效循环（即死循环），当启动电路时，使得000
的次态变为111,111的次态变为010，从而实现自启动。令Q2=A,Q1=B,Q0=C，
可得环形分配器的状态方程和驱动方程，其卡诺图如下：

Q1nQ0n
G
Q2n

00
01
11
10
00
111
011
010
110
01
101
001
010
100
11
110
100
010
010
10
111
101
001
011

选用D触发器可得：
Q2n+1=GQ0n+GQ1n=D2
Q1n+1=GQ2n+GQ0n+Q2nQ1nQ0n=D1
Q0n+1=GQ1n+GQ2n=D0

其电路图如下：

4、 步进电机驱动电路
该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大，从而足够
驱动步进电机。由于脉冲环形分配器输出端输出电流很小，而步进电动机的驱
动电流较大。为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即
功率放大器）后才能驱动步进电机。图中使用三级晶体管放大，经A相、B相、
C相三极管放大，在通过电机电源和电机线圈放大电流，由稳压管进行限流，
小随配电机不同而异。
其电路如下：

三、 元器件清单
序号
编号
名称
数量
1
U1
NE555定时器
X1
2
U2,U3,U4
74LS00与非门
X3
3
U5,U6
74LS04非门
X2
4
U7,U8
74LS74D触发器
X2
5
D1,D2,D3,D4,D5
1N4007稳压管
X5
6
Q1,Q2,Q3
2N3906PNP三极管
X3
7

三相六拍步进电机
X1
8
J1,J2
单刀双掷开关
X2
9
C1,C2,C3
10uF电容
X3
10
C4,C5
10nF电容
X2
11
R1
10K电阻
X6
12
R2
85K电阻
X1
13
R3
100K电阻
X1
14
D6,D7,D8
发光二极管
X3

四、 电路连线图
使用multisim仿真软件模拟的总电路图如下所示：

五、 实验（仿真）结果
1、 时钟脉冲波形

2、 步进电机启动正转

3、 步进电机启动反转

4、 步进电机停止

六、 出现问题及解决方法
做课程设计是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时
课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所
以在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的
使用有了更多的认识。在对陌生各种元件使用时，我们才了解到我们现在的知
识水平还很有限，需要我们自己拓展，要多看一些关于其他类型的不同的见解。
由于部分细节之前没有涉及过以及一些知识点的遗忘，所以进行该课程设计从
查资料到设计电路还是花了不少时间。感受最大就是在课堂上我们的确了解到
了很多芯片的特性、功能也在实验课上进行了实践，但是要对一个实用的电路
进行方案设计到做出实物还是有一定的距离。因为一个成功的设计不仅要求熟
练掌握数电知识、熟悉常用的芯片的使用方法，还需要对各个模块进行协调、
整合。单从理论知识方面看，我们很容易理解三相六拍步进电机以及环形分配
器的工作原理。但是实际处理的时候会产生很多问题。首先，相同的方案在部
分实验箱可以正常工作， 但在软件实现仿真时存在一些问题，这个时候就需要
对电路进行简单的改进，检验仿真电路连接是否根据自己设计的电路想法一样，
但是，第一个是由于时钟脉冲出现0.1ms的区别导致仿真电路测试其输出波形
时出现相序跳变的现象，后来直接利用仿真软件提供的5V/500Hz的时钟脉冲实
现了输出波形与理论值相同，第二个是步进电机驱动电路的实际电路在仿真软
件中就无法看出现象，后来经过简单的修改，直接利用LED等的闪烁很明显的
得到了结构。其次，就是刚开始设计的电路一上电就出现了直接进入到000与
111的无效循环中去，这是之前设计方案时没有预料的情况，讨论之后认识到
了可能存在的原因，利用置数的方法来破坏死循环的状态从而引导环形分配器
进入有效循环，几次尝试之后问题最终得到了解决。