一种步进电动机环形分配器

沈光祖(合肥工业大学)

l  概述

    步进电机通常设计成3、4、5或6相。运行方式每相依次通电的称单拍．每相邻两相依次通电的称双拍．每单、双相相问依次通电的称倍拍。例如三相步进电机按A-B-C-A相顺序通电为单三拍运行：接AB一BC一CA-AB顺序通电为双三拍运行；按A—AB一B一BC一C一CA一A顺序通电为三相六拍运行。其它相数步进电机运行方式可依次类推。步进电机的环形分配器目前只有三相的有专用集成电路．且价格较高．输出电流较小。若使用双向移位寄存器芯片40194．可组成任意相任意运行方式的步进电机环形分配器．具有价格较低、输出电流较大、电路简单、正反向转换方便、容易实现自动从非期望状态进入期望状态、便于与微型机或数字电路接口等优点。

2电路设计要点

2．1根据步进电机的相数与运行方式确定双向移位寄存器的必要与充分(简称充要)的位敬。单拍与双拍运行的充要位数等于步进电机的相数．单数相电机倍拍运行的充要位敬等于相数加1．双数相倍拍运行的充要位数等于拍数。但集成电路40191是四位双向移位寄存器，两片串联则为八位．实际使用的位数可多于充要位数。例如三相单三拍只需三位．实际使用时可用一片40194为四位．又如五相十拍只需六位，可用两片40194为八位。

2．2选择移位寄存器右移及左移输入端的信号源。对于单拍与双拍及双数相电机倍拍运行方式，如果实际使用的双向移位寄存器位数等于充要位数．则移出信号就作为右移及左移输入端的信号源。如果实际使用的位数多于充要位数．则右移及左移输入端的信号取自移出信号之前的输出信号．向前取的位数等于实际使用多于充要的位数。例如三棚单三拍运行使用一片40194．其四位输出信号为Q₀、Q₁、Q₂、Q₃为右移移出信号，Q₀为左移移出信号．由于实际使用了四位双向移位奇存器．比充要位数多了一位，因此其右移输入端DSR接至仇，左移输入端DSL，接至Q_l。

    对单数相电机倍拍运行方式．如果实际使用的双向移位寄存器位数等于充要位数，则移出信号前一位输出信号的反相信号作右移及左移输入端的信号源。如果实际使用的位敬多于充要位数．则右移及左移输入端的信号取自移出信号前面输出信号的反相信号．向前的位数等于实际使用多于充要的位数加l。例如五相十拍运行使用两片40191．其八位输出信号为Q₀Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆Q₇，Q₇为右移移出信号．Q₀为左移移出信号．由于实际使用了八位．比充要位数多了两位．因此其右移输入端DSR接至Q₄左移输入端DSL，接2.3选择双向位寄存器的若干输出端作为环形分配器信号。对于单拍与双拍运行方式．移位寄存器的前位输出信号依次就是环形分配器信号ABC……。例如三相单三拍或双三拍．则移位寄存器的Q₀就是A,Q₁就是B,Q₂就是G。对于单数相电机倍拍运行方式．移位寄存器中的Q₀、Q₂、Q₄，……为环形分配器信号的前几位，而Q₁,Q₃……为环形分配器的后几位。例如对于三相六拍运行，移位寄存器的Q₀就是A，Q₂就是B,Q₁就是C。对于五相十拍运行，移位寄存器的Q₀就是A．Q₂就是B,Q₄就是C．Q₁就是D,Q₃就是E。对于双数相电机倍拍运行方式．移位寄存脚标双数(或单数)的输出信号依次就是环形分配器信号。

2．4列出双向移位寄存器期望状态的时序表。对于单拍与双拍运行．前几位的期望状态时序表就是环形分配器的时序表．多出位的时序则遵循移位规则。对于单数相电机倍拍运行，第一拍的Q₀为1．从Q₁开始到充要位数为0，最后的多余位均为1,第二拍开始则按移位规则列出时序．对于双数相电机倍拍运行，脚标双数(或单数)的输出信号按环形分配器时序．其余按移位规则。根据双向移位寄存器的时序表按步骤3的规则列出环形分配器的时序表，核对是否符合步进电机所要求的运行方式。

2．5列出所有移位寄存器的非期望状态的时

序．利用双向移位寄存器的清零端RST或并行置数端．D_oD₁D₂D₃,找出从非期望状态自动进入期望状态的****方案。

2．6设计出的电机图中要添加控制移位寄存器移位方向信号．以便能控制步进电机的正反转．还可增加在合闸加电时使移位寄存器自动进入期望状态的电路。

3设计举例例

1．三棚双三拍

  充要位数为三位．使用一片四位双向移位寄存器．多出了一位。因此右移输入端DSR接Q₂,左移输入端DsL接Q₁．列出移位寄存器的期望状态时序表(见表1)。

     列出移位寄存器的所有非期望状态在时钟信号作用下的时序．不能自动进入期望状态的Q₀Q₁Q₂Q₃=111]及0000外，其余均能进入左移的0010—01OO一1001—001 0及右移的0010一100]一0100—001 0。由于移位寄存器的全0是非期望状态．不能利用它的清零端了RST,只能利用它的并行置数端D_oD₁D₂D₅．当栓出Q₀Q₁Q₃=000或Q_oQ₁Q₂=111时产生一个信号使移位寄存器的控制端S1S0=11．在时钟信号作用下将移位寄存器置成期望状态，则完整的电路如图1所示。图中的单刀三掷开关或可用继电器触点或可用微机输出信号用以控制移位寄存器的移位方式或保持来控制步进电机的转向或停或转，当移位寄存器的S₁S₀=0I时为右移,S₁S₀=10时为左移，S₁S₀=00时为保持。

    该电路只用了三片普通集成电路．双向移位寄存器10194；3输入端三与非门4023及3输入端三或门4075。

  例2．三相六拍

    充要位数为四位，刚好使用一片四位双向移位寄存器，右移输入端DSR接Q₂，左移输入端DSL接Q₁，列出移位寄存器期望状态及环形分配器时序表如表2所示。

    列出移位寄存器的所有非期望状态在时钟信号作用下的时序，除了1111及0000在下一个时钟脉冲到来时，不论右移或左移都能进入期望状态外，其余的非期望状态在时钟脉冲作用下都能进入Ol01一1OlO一0101的循环，因而只要栓出Q₀Q₁Q₂=010或101后使移位寄存器清零，就能自动进入期望状态，据此设计的电路如图2。图中的时基电路555及与其相连的阻容回路是在开启电源时为移位寄存器送一个清零脉冲，从而在第一个时钟脉冲来到时就进入期望状态。

Q4左移输入端DSL，接伽．列出移位寄存器期望状态及环形分配器时序表如表3所示：

    列出移位寄存器的所有非期望状态在li寸钟信号作用下的时序．不能进入期望状态的．不论左移或右移都能进入Q₀Q₁Q₂=0l0的状态因而只要栓出Q₀Q₁Q₂一0lO后使移位寄存器清零．全零的移位寄存器能自动进入期望状态．其电路如图3所示。

例4四相八拍

  双数相步进电机倍拍运行的充要位数等于拍数即八位．则好用二片双向移位寄存器，右移输入端DSR接移出端Qr．左移输入端DSL，接输出端Q0．列出移位寄存器期望状态及环形分配器时序表如表4所示。

    由于不能用一个简单电路来栓出移位寄存器的所有非期望状态，只能采用这种的方案来实现自动进入期望状态。当栓出移位寄存器的输出为全1或全0或右移时Q₆Q₇=0l或左移时Q_oQ₁=01，则在下一个时钏脉冲到来时，使Q₀Q₁Q₂Q₃Q₄Q₅Q₆Q₇置成11100000其电路如图d所示。