基于Multisim10的步進電機數控電路的分析

摘 要：在智能數控領域，常用的運動控制裝置就是步進電機，這是因為步進電機操作簡單便捷且能提供一定的角度精度。為了更形象的了解步進電控系統原理，通過數學邏輯電路設計步進電控電路，并采用Multisim10在構建基礎上對電路進行仿真。同時分析仿真驗證電路的可行性，使得電路設計更加直觀。

關鍵詞：步進電機；電機數控電路；Multisim10

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-02

將電脈沖信號轉變，通過線位移以及角位移的開環控制元件是步進電機的主要特點。當收到脈沖信號時，步進電機就會按照設定的方向進行角度固定轉動，旋轉過程是按照角度設定而進行的。因此，控制角位移換可以選擇控制脈沖數量，同時點擊運轉速度可以以脈沖頻率進行有效控制。本文以相關知識和數字技術完成其中的電控設計，通過Multisim10在構建基礎上對電路進行仿真。不僅調試方便且設計簡單有一定的靈活度也做到了成本低價格廉，運行可靠容易控制。

一、Multisim10仿真功能特點

Multisim10是2007年美國NI公司推出的虛擬實驗室仿真工具，為使用者提供集成化的實驗場所和實驗環境。采用圖形化的輸入模式，只需要簡單的連接操作，就可以實現實驗電路分析和搭建[1]。Multisim10豐富了元器件，在電路器件選擇上，虛擬數據庫為其提供了上千種仿真元件，可以多角度的滿足不同的應用目的。由于虛擬儀器功能強大，儀表及虛擬儀器在Multisim10平臺中種類齊全，在實驗室作業的萬用表、示波器以及信號發生器等邏輯分析儀器應有盡有，測量精度穩定且操作方便。此外，Multisim10可以測量、設計、演示各種電路。

二、步進電機驅動控制系統構成

步進電機作為執行元件，在自動化控制中被廣泛應用，也是機電一體化的關鍵。步進電機驅動電源及驅動控制系統是由脈沖發生器、分配器環形脈沖、放大器功率放大等不見構成控制系統綜合構成。其中，脈沖發生器是從幾赫到幾萬赫的脈沖頻率發生器。脈沖分配中有上穩態觸發器及電路組成。根據一定的指令在脈沖放大器上輸入一定的邏輯指令[2]。但是如若要滿足系統驅動需求，首先要經過功率放大器來控制脈沖分配器的輸出電源，而后驅動步進電機。在此過程中點擊啟動控制系統是由脈沖分配器、脈沖發生器以及脈沖放大器等組成[3]。

三、步進電機控制系統電路設計

（一）脈沖發生器電路的設計。眾所周知，信號發生器是一種能產生標準信號的電子儀器，是工業生產和電工、電子實驗室中經常使用的電子儀器之一[4]。但值得指出的是，連續脈沖信號的實現方式多種多樣，通常是以CPU和單片機的形式進行控制。單片機控制點在于要對電壓電流進行編程。在現代電子學的各個領域，常常需要高精度且頻率可方便調節的信號發生器，但器件成本和技術要求也大大提高，因此在滿足工作要求的前提下，性價比高的發生器是我們的首選。本次研究中以數字邏輯電路為主，著重分析電路設計實現過程，為了使電路簡單方便，因此采用555定時器作為基礎控制元件，至此按外圍電路信號連續控制。作為一種模擬數字混合型的集成電路，555定時器應用廣泛。能通過時間延遲產生多種脈沖信號，內部電壓使用標準為5kΩ電阻三個，因此稱之為555電路。555電路類型的分為CMOS及雙極性兩種，但工作原理與功能相近、引腳排列相同、邏輯功能相同，因此兩種分類之間利于操作互換。其內部原理如圖1所示。

為了提升電路負載能力，緩沖器G4設置在輸出端，如果經過電阻將3端連接到電源，只要電阻值足夠大，高電平為3端電壓時，高電平也一定是4端電壓。相反，低電平為3端電壓時，那么4端電壓也一定的低電平。同時能承受較大的負載電流。5-16V為555定時器中雙極性電壓范圍，200mA為最大負載電流。3-18V為CMOS型555定時器電壓范圍，4mA為最大負載電流。如果輸入電壓信號過程中，Vc1和Vc2電平信號不同，那么輸入與輸出之間為施密特觸發關系。如果在Vc2上加低電平信號，則Vc1端將自動出現低電平信號，此時為單穩態觸發器。如果使得低電平信號交替出現，則Vc1和Vc2可以得到多諧振蕩器。555定時器功能如下表1。

同時，555定時器組成，是由電容器或電阻器連接多諧振蕩器及單穩態觸發器。輸出脈沖寬度tp=1.1RC，要想改變脈沖寬度只需要改變RC值就可以得到不同的脈沖信號。

（二）脈沖分配器電路設計。雙穩態觸發器及由門電路構成邏輯脈沖分配器電路。根據脈沖信號將指令按照一定的邏輯關聯，將脈沖放大，使得步進電動機正常運行。因此，可以有三只74LS74D觸發器構成脈沖分配器。其邏輯功能主要表現在輸入狀態的改變是隨著輸出狀態改變而改變的，在此過程中輸入狀態相比輸出狀態要慢一步。利用此邏輯特點，可以講觸發器集中組合到一處，分別利用輸出端引出三個觸發器，脈沖分配器的輸出端也是有觸發器完成的。具體工作原理如圖2所示。

在諸多種脈沖分配器的電路設計中，可逆邏輯電路不但可以使得能耗大幅度降低，還可以運用可逆邏輯的電路對傳統脈沖分配器進行可逆設計，并以此為鑒了必要的物理實現方法。首先對傳統的脈沖分配器中的觸發器和計數器進行可逆設計，然后將傳統脈沖分配器的中的計數器進行替換，最后將可逆計數器和譯碼器級聯，從而構建可逆脈沖分配器。設計可逆邏輯電路，就要使用可逆邏輯門進行構造。另外，由于可逆邏輯電路不能有扇入或者扇出，所以作為設計模板的下列圖3中所示的扇入扇出信號要用可逆邏輯門對信號進行復制。

（三）脈沖放大器電路設計。由于作為輸出端，脈沖分配器輸出電流較小，無法滿足步進電動機驅動需求。由于驅動電流需求較大，因此需要脈沖放大器合理分配輸出脈沖，功率放大器使用后驅動步進電機。功率放大器的功能是將弱小交流信號通過有針對性的元件，將不失真的波形幅值變成步進電機可以使用的交流信號。通常情況下，使用晶體三極管、運算放大電路等進行交流信號放大，若沒有三極管，放大電路的策略就容易流于空談。在圖4所示的模板中，通過對不同開關的轉換，產生脈沖信號的頻率和寬度能夠在一定范圍內連續可調。脈沖主頻信號在輸出的插口板上輸出，并依據主頻頻率的擴展而使得赫茲數值不斷放大，這樣就使得脈沖放大器的電源內部已經達到了連通，并可以應用到實驗和工作領域。

四、步進電機控制電路的Multisim10仿真

Multisim10以windows為核心，適用于數字電路板及模擬板級電路設計過程中的電路仿真工具，在電路設計工作完成后，電路設計是否可行的依據是Multisim10仿真實驗。采用此種仿真驗證方法，能在不搭建實際電路的基礎上，提升和完善電路設計能力，并有陣針對性的對電路設計進行驗證，使得電路分析高效簡單快捷。通過仿真，可以直觀的感受輸出脈沖波形及實際仿真過程。

（一）多諧振蕩器仿真。多諧振蕩器電路，實質上就一種矩形的波產生電路。這種電路無需外加觸發信號的介入，便能以自覺周期性地自行產生具有一定規律作用的矩形脈沖。該脈沖又被稱為多諧振蕩器電路，這是基于基波和多次諧波構成的緣故。常用作脈沖信號源及時序電路中的時鐘信號。以windows為核心的Multisim10，對多諧振蕩器進行仿真過程中，仿真電路如圖3所示。而在仿真過程，示波器得出的波形，如下圖4所示。

（二）脈沖分配器仿真。產生多路順序脈沖信號是構成脈沖分配器的主要功能，它可以由計數器、譯碼器、環形計數器等設備分別構成。該發生器主要由儲能電容器組、氫閘流管、電壓調節器、保護電路、高壓變壓器等部件組成，儲能電容器組的電容量、充電電壓和與高壓變壓器的連接端口可靈活地進行調節，從而使高壓脈沖發生器可產生正極性或負極性。針對脈沖分配器進行仿真，是基于二級管在進行控制信號時序關機進行逐個滅亮的。在放大電路過程中加入三極管，為了使得結果形象清晰，本次研究中選擇三個二極發光管仿真實際步進電機，通過二極發光管的滅亮情況觀察系統輸入輸出。針對脈沖分配器仿真的技術指標，也具有科學性和嚴謹性的要求，如下面表1所示，SYN5002類型的脈沖分配器，在輸入信號和輸出信號方面就具有著嚴格的技術指標，向用戶提供多路脈沖信號。

5 結束語

綜上所述，本文利用D觸發器74LAS74及多諧頻振動器構建了步進電機電路及電控系統，并有針對性的利用Multisim10在構建基礎上對電路進行仿真。不僅調試方便且設計簡單有一定的靈活度也做到了成本低價格廉，運行可靠容易控制。通過分析電控系統電路，能提高電路設計分析能力。同時，通過硬件仿真避免了復雜繁瑣的電路搭建過程，使得多元化電路實現得以實現，有利于素質和能力的提升。

參考文獻：

[1]王帥夫，劉景林.基于大腦情感學習模型的步進電機控制系統研究[J].吉林大學學報（工學版），2014（05）：121-126.

[2]方春仁，楊文煥，吳堅.新型二自由度電機的磁路模型研究[J].微特電機，2014（12）：96-100.

[3]涂曉曼，鄒俊忠，張見.基于CAN總線的電子套結機運動控制系統[J].微特電機，2014（12）：121-126.

[4]馮娟，李燕君.基于步進電動機的智能電動窗簾設計與實現[J].微特電機，2014（10）：70-73.

[作者簡介]沈克（1983.05-），男，江蘇宜興人，常務副總經理，助理工程師，學士學位，研究方向：數控方面的研究。