設計制作一款簡單廉價的步進電機控制器,Stepper motor controller

關鍵字：步進電機控制電路

作者：謝彪

　　步進電機控制電路原理圖如下圖所示，電路主要由脈沖信號產生電路、脈沖信號分配電路及功率放大電路等幾部分組成。

　　在本電路中的脈沖信號由NE555構成的一個多諧振蕩器產生，選擇開關S1和不同振蕩電容C1/C2相連，可得到不同頻段的脈沖信號，通過電位器RP可使其3腳輸出的信號頻率連續可調，該脈沖信號加到十進制計數器CD4017的時鐘輸入CP端，作為步進電機工作的時鐘。

　　電機的工作步序由CD4017的計數輸出端提供。由于目前市面上步進電機的種類較多，本電路僅以較常用的“三相雙三拍”控制（具體步序見下下表）為例進行分析，其他的控制方式讀者們可以參照本例自行分析。由于“三拍”完成一個循環需有三個步序，故由十進制計數器CD4017構成一個3進制的封閉小循環，分別由Q0、Q1、Q2輸出所需的步序1、2、3的信號，而將Q3直接接到CD4017的復位端R，從而構成了一個完整的環形分配電路。“雙”是在每一步序中電機要有2相同時得電，經對表1中不同步序的真值表分析可知，“A”相的值應在步序1和3均為有效，此時可將Q0與Q2的輸出信號經或門(74HC32)送至A相的控制端；Q0與Q1相或后送至B相；Q1與Q2相或后送至C相，這樣就可以得到我們所需要的三相雙三拍步序控制信號。

　　由于經數字門電路輸出的步序信號還無法直接驅動電機工作，故還需增加一級功率放大做為整個控制電路的輸出。由于通常電子小制作中使用的步進電機功率較小，故本電路選用的是達林頓電流驅動器ULN2803模塊作為控制器的功率輸出電路，ULN2803的引腳如下圖所示，其中：1-8腳為輸入端；11-18腳為輸出端；9腳接地；10腳接電源“+”。由于ULN2803的扇出電流有限，而灌電流較大，能達到1A左右，所以本電路使用其灌電流工作方式，ULN2803內部的續流二極管也保證了其與電機線圈連接的安全。如果需要輸出的電流能再大一些，也可以將ULN2803的二組并聯，作為一組使用即可。

　　電路中使用了二組電源進行供電，一組經三端穩壓集成塊LM7805穩壓后，輸出+5V為控制　　部分提供電源；而步進電機各相繞組所需的電壓較高，故將其直接接到另一組12～24V的電源上，這樣可增大步進電機的輸出力矩，繞組的另一端接在ULN2803的相應輸出端。

　　控制器的制作與調試

 
　　
　　該步進電機控制器的元器件均無特殊要求，按電原理圖裝好電路即可調試。為防止調試過程中電機堵轉，電流增大損壞功率模塊ULN2803，可將三只發光二極管串連好限流電阻接入ULN2803的相應輸出端，接通電源后發光二極管應能順序點亮；撥動擋位選擇開關Sl，發光二極管點亮的頻率應有明顯的變化，調節電位器RP發光二極管點亮的頻率應能平滑的變化，至此步進電機驅動控制器安裝完成。

　　去掉調試的發光二極管和限流電阻，將步進電機的繞組線圈接入電路中，通電即可運轉。讀者可根據實際的控制需要選擇C1、C2的參數（通常約為零點零幾～幾個μF之間），使S1與C1相連時，電機轉速約在100轉/分以下；與C2相連時，電機轉速在100～幾百轉/分之間。調節電位器RP電機在各擋位轉速應能平滑變化。

　　撥動選擇開關S2，可以交換二組的相序，使電機反方向旋轉。

　　對于其它類型的步進電機控制器，讀者只要改變CD4017輸出的步序信號即可，通常簡單的控制，CD4017輸出的10個步序足以滿足。讀者如需控制較大功率的步進電機時，可改用其他大功率器件做驅動；讀者對電機轉速有特殊需要者，可根據需要改變NE555輸出脈沖振蕩信號的頻率。

　　當然本電路的設計僅可以滿足簡單控制的要求，只是一種“入門”級的控制電路，目的主要是拋磚引玉，以供廣大的電子愛好者參考。本電路還無法實現多級細分的要求，此時只能用單片機才能完成。