基于Multisim10的步进电机数控电路的分析

摘 要：在智能数控领域，常用的运动控制装置就是步进电机，这是因为步进电机操作简单便捷且能提供一定的角度精度。为了更形象的了解步进电控系统原理，通过数学逻辑电路设计步进电控电路，并采用Multisim10在构建基础上对电路进行仿真。同时分析仿真验证电路的可行性，使得电路设计更加直观。

关键词：步进电机；电机数控电路；Multisim10

中图分类号：TM383.6 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 22-0000-02

将电脉冲信号转变，通过线位移以及角位移的开环控制元件是步进电机的主要特点。当收到脉冲信号时，步进电机就会按照设定的方向进行角度固定转动，旋转过程是按照角度设定而进行的。因此，控制角位移换可以选择控制脉冲数量，同时点击运转速度可以以脉冲频率进行有效控制。本文以相关知识和数字技术完成其中的电控设计，通过Multisim10在构建基础上对电路进行仿真。不仅调试方便且设计简单有一定的灵活度也做到了成本低价格廉，运行可靠容易控制。

一、Multisim10仿真功能特点

Multisim10是2007年美国NI公司推出的虚拟实验室仿真工具，为使用者提供集成化的实验场所和实验环境。采用图形化的输入模式，只需要简单的连接操作，就可以实现实验电路分析和搭建[1]。Multisim10丰富了元器件，在电路器件选择上，虚拟数据库为其提供了上千种仿真元件，可以多角度的满足不同的应用目的。由于虚拟仪器功能强大，仪表及虚拟仪器在Multisim10平台中种类齐全，在实验室作业的万用表、示波器以及信号发生器等逻辑分析仪器应有尽有，测量精度稳定且操作方便。此外，Multisim10可以测量、设计、演示各种电路。

二、步进电机驱动控制系统构成

步进电机作为执行元件，在自动化控制中被广泛应用，也是机电一体化的关键。步进电机驱动电源及驱动控制系统是由脉冲发生器、分配器环形脉冲、放大器功率放大等不见构成控制系统综合构成。其中，脉冲发生器是从几赫到几万赫的脉冲频率发生器。脉冲分配中有上稳态触发器及电路组成。根据一定的指令在脉冲放大器上输入一定的逻辑指令[2]。但是如若要满足系统驱动需求，首先要经过功率放大器来控制脉冲分配器的输出电源，而后驱动步进电机。在此过程中点击启动控制系统是由脉冲分配器、脉冲发生器以及脉冲放大器等组成[3]。

三、步进电机控制系统电路设计

（一）脉冲发生器电路的设计。众所周知，信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一[4]。但值得指出的是，连续脉冲信号的实现方式多种多样，通常是以CPU和单片机的形式进行控制。单片机控制点在于要对电压电流进行编程。在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。本次研究中以数字逻辑电路为主，着重分析电路设计实现过程，为了使电路简单方便，因此采用555定时器作为基础控制元件，至此按外围电路信号连续控制。作为一种模拟数字混合型的集成电路，555定时器应用广泛。能通过时间延迟产生多种脉冲信号，内部电压使用标准为5kΩ电阻三个，因此称之为555电路。555电路类型的分为CMOS及双极性两种，但工作原理与功能相近、引脚排列相同、逻辑功能相同，因此两种分类之间利于操作互换。其内部原理如图1所示。

为了提升电路负载能力，缓冲器G4设置在输出端，如果经过电阻将3端连接到电源，只要电阻值足够大，高电平为3端电压时，高电平也一定是4端电压。相反，低电平为3端电压时，那么4端电压也一定的低电平。同时能承受较大的负载电流。5-16V为555定时器中双极性电压范围，200mA为最大负载电流。3-18V为CMOS型555定时器电压范围，4mA为最大负载电流。如果输入电压信号过程中，Vc1和Vc2电平信号不同，那么输入与输出之间为施密特触发关系。如果在Vc2上加低电平信号，则Vc1端将自动出现低电平信号，此时为单稳态触发器。如果使得低电平信号交替出现，则Vc1和Vc2可以得到多谐振荡器。555定时器功能如下表1。

同时，555定时器组成，是由电容器或电阻器连接多谐振荡器及单稳态触发器。输出脉冲宽度tp=1.1RC，要想改变脉冲宽度只需要改变RC值就可以得到不同的脉冲信号。

（二）脉冲分配器电路设计。双稳态触发器及由门电路构成逻辑脉冲分配器电路。根据脉冲信号将指令按照一定的逻辑关联，将脉冲放大，使得步进电动机正常运行。因此，可以有三只74LS74D触发器构成脉冲分配器。其逻辑功能主要表现在输入状态的改变是随着输出状态改变而改变的，在此过程中输入状态相比输出状态要慢一步。利用此逻辑特点，可以讲触发器集中组合到一处，分别利用输出端引出三个触发器，脉冲分配器的输出端也是有触发器完成的。具体工作原理如图2所示。

在诸多种脉冲分配器的电路设计中，可逆逻辑电路不但可以使得能耗大幅度降低，还可以运用可逆逻辑的电路对传统脉冲分配器进行可逆设计，并以此为鉴了必要的物理实现方法。首先对传统的脉冲分配器中的触发器和计数器进行可逆设计，然后将传统脉冲分配器的中的计数器进行替换，最后将可逆计数器和译码器级联，从而构建可逆脉冲分配器。设计可逆逻辑电路，就要使用可逆逻辑门进行构造。另外，由于可逆逻辑电路不能有扇入或者扇出，所以作为设计模板的下列图3中所示的扇入扇出信号要用可逆逻辑门对信号进行复制。

（三）脉冲放大器电路设计。由于作为输出端，脉冲分配器输出电流较小，无法满足步进电动机驱动需求。由于驱动电流需求较大，因此需要脉冲放大器合理分配输出脉冲，功率放大器使用后驱动步进电机。功率放大器的功能是将弱小交流信号通过有针对性的元件，将不失真的波形幅值变成步进电机可以使用的交流信号。通常情况下，使用晶体三极管、运算放大电路等进行交流信号放大，若没有三极管，放大电路的策略就容易流于空谈。在图4所示的模板中，通过对不同开关的转换，产生脉冲信号的频率和宽度能够在一定范围内连续可调。脉冲主频信号在输出的插口板上输出，并依据主频频率的扩展而使得赫兹数值不断放大，这样就使得脉冲放大器的电源内部已经达到了连通，并可以应用到实验和工作领域。

四、步进电机控制电路的Multisim10仿真

Multisim10以windows为核心，适用于数字电路板及模拟板级电路设计过程中的电路仿真工具，在电路设计工作完成后，电路设计是否可行的依据是Multisim10仿真实验。采用此种仿真验证方法，能在不搭建实际电路的基础上，提升和完善电路设计能力，并有阵针对性的对电路设计进行验证，使得电路分析高效简单快捷。通过仿真，可以直观的感受输出脉冲波形及实际仿真过程。

（一）多谐振荡器仿真。多谐振荡器电路，实质上就一种矩形的波产生电路。这种电路无需外加触发信号的介入，便能以自觉周期性地自行产生具有一定规律作用的矩形脉冲。该脉冲又被称为多谐振荡器电路，这是基于基波和多次谐波构成的缘故。常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。以windows为核心的Multisim10，对多谐振荡器进行仿真过程中，仿真电路如图3所示。而在仿真过程，示波器得出的波形，如下图4所示。

（二）脉冲分配器仿真。产生多路顺序脉冲信号是构成脉冲分配器的主要功能，它可以由计数器、译码器、环形计数器等设备分别构成。该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成，储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节，从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性。针对脉冲分配器进行仿真，是基于二级管在进行控制信号时序关机进行逐个灭亮的。在放大电路过程中加入三极管，为了使得结果形象清晰，本次研究中选择三个二极发光管仿真实际步进电机，通过二极发光管的灭亮情况观察系统输入输出。针对脉冲分配器仿真的技术指标，也具有科学性和严谨性的要求，如下面表1所示，SYN5002类型的脉冲分配器，在输入信号和输出信号方面就具有着严格的技术指标，向用户提供多路脉冲信号。

5 结束语

综上所述，本文利用D触发器74LAS74及多谐频振动器构建了步进电机电路及电控系统，并有针对性的利用Multisim10在构建基础上对电路进行仿真。不仅调试方便且设计简单有一定的灵活度也做到了成本低价格廉，运行可靠容易控制。通过分析电控系统电路，能提高电路设计分析能力。同时，通过硬件仿真避免了复杂繁琐的电路搭建过程，使得多元化电路实现得以实现，有利于素质和能力的提升。

参考文献：

[1]王帅夫，刘景林.基于大脑情感学习模型的步进电机控制系统研究[J].吉林大学学报（工学版），2014（05）：121-126.

[2]方春仁，杨文焕，吴坚.新型二自由度电机的磁路模型研究[J].微特电机，2014（12）：96-100.

[3]涂晓曼，邹俊忠，张见.基于CAN总线的电子套结机运动控制系统[J].微特电机，2014（12）：121-126.

[4]冯娟，李燕君.基于步进电动机的智能电动窗帘设计与实现[J].微特电机，2014（10）：70-73.

[作者简介]沈克（1983.05-），男，江苏宜兴人，常务副总经理，助理工程师，学士学位，研究方向：数控方面的研究。