设计制作一款简单廉价的步进电机控制器,Stepper motor controller

关键字：步进电机控制电路

作者：谢彪

　　步进电机控制电路原理图如下图所示，电路主要由脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路及功率放大电路等几部分组成。

　　在本电路中的脉冲信号由NE555构成的一个多谐振荡器产生，选择开关S1和不同振荡电容C1/C2相连，可得到不同频段的脉冲信号，通过电位器RP可使其3脚输出的信号频率连续可调，该脉冲信号加到十进制计数器CD4017的时钟输入CP端，作为步进电机工作的时钟。

　　电机的工作步序由CD4017的计数输出端提供。由于目前市面上步进电机的种类较多，本电路仅以较常用的“三相双三拍”控制（具体步序见下下表）为例进行分析，其他的控制方式读者们可以参照本例自行分析。由于“三拍”完成一个循环需有三个步序，故由十进制计数器CD4017构成一个3进制的封闭小循环，分别由Q0、Q1、Q2输出所需的步序1、2、3的信号，而将Q3直接接到CD4017的复位端R，从而构成了一个完整的环形分配电路。“双”是在每一步序中电机要有2相同时得电，经对表1中不同步序的真值表分析可知，“A”相的值应在步序1和3均为有效，此时可将Q0与Q2的输出信号经或门(74HC32)送至A相的控制端；Q0与Q1相或后送至B相；Q1与Q2相或后送至C相，这样就可以得到我们所需要的三相双三拍步序控制信号。

　　由于经数字门电路输出的步序信号还无法直接驱动电机工作，故还需增加一级功率放大做为整个控制电路的输出。由于通常电子小制作中使用的步进电机功率较小，故本电路选用的是达林顿电流驱动器ULN2803模块作为控制器的功率输出电路，ULN2803的引脚如下图所示，其中：1-8脚为输入端；11-18脚为输出端；9脚接地；10脚接电源“+”。由于ULN2803的扇出电流有限，而灌电流较大，能达到1A左右，所以本电路使用其灌电流工作方式，ULN2803内部的续流二极管也保证了其与电机线圈连接的安全。如果需要输出的电流能再大一些，也可以将ULN2803的二组并联，作为一组使用即可。

　　电路中使用了二组电源进行供电，一组经三端稳压集成块LM7805稳压后，输出+5V为控制　　部分提供电源；而步进电机各相绕组所需的电压较高，故将其直接接到另一组12～24V的电源上，这样可增大步进电机的输出力矩，绕组的另一端接在ULN2803的相应输出端。

　　控制器的制作与调试

 
　　
　　该步进电机控制器的元器件均无特殊要求，按电原理图装好电路即可调试。为防止调试过程中电机堵转，电流增大损坏功率模块ULN2803，可将三只发光二极管串连好限流电阻接入ULN2803的相应输出端，接通电源后发光二极管应能顺序点亮；拨动挡位选择开关Sl，发光二极管点亮的频率应有明显的变化，调节电位器RP发光二极管点亮的频率应能平滑的变化，至此步进电机驱动控制器安装完成。

　　去掉调试的发光二极管和限流电阻，将步进电机的绕组线圈接入电路中，通电即可运转。读者可根据实际的控制需要选择C1、C2的参数（通常约为零点零几～几个μF之间），使S1与C1相连时，电机转速约在100转/分以下；与C2相连时，电机转速在100～几百转/分之间。调节电位器RP电机在各挡位转速应能平滑变化。

　　拨动选择开关S2，可以交换二组的相序，使电机反方向旋转。

　　对于其它类型的步进电机控制器，读者只要改变CD4017输出的步序信号即可，通常简单的控制，CD4017输出的10个步序足以满足。读者如需控制较大功率的步进电机时，可改用其他大功率器件做驱动；读者对电机转速有特殊需要者，可根据需要改变NE555输出脉冲振荡信号的频率。

　　当然本电路的设计仅可以满足简单控制的要求，只是一种“入门”级的控制电路，目的主要是抛砖引玉，以供广大的电子爱好者参考。本电路还无法实现多级细分的要求，此时只能用单片机才能完成。