XY平面绘图机传动控制系统设计

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XY平面绘图机传动控制系统设计

作者姓名：

专业名称：机械工程及自动化

指导教师：

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摘要

步进电动机控制特性好、误差不长期积累、控制精度高，广泛应用于速度，位置等控制领域。开环控制系统组成简单，应用广泛。XY平面绘图机是将机械系统与微电子系统相结合而形成的一个有机整体，通过步进电动机控制完成图形的绘制。

本设计利用单片机8031提供脉冲，经环形分配器和放大电路，通过双压驱动电路控制步进电动机，以实现绘图机的传动控制。论文主要介绍了步进电动机的基本工作原理、控制方式、驱动方式、双压驱动电路的设计，以及环形分配器CH250和双单稳态多谐振荡器74221连线。利用目前我们所学的步进电动机的相关知识来控制驱动电路，利用电子电路的知识来设计硬件直接的连接。

关键词 ：步进电动机 硬件分配器 单稳电路 8031

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Abstract

Stepper motor control characteristic is good, the error is not a long-term accumulation, high control precision, widely used in the speed, position and other control areas. Open-loop control system composed of simple, widely used. XY plane drawing machine is the mechanical systems and microelectronics systems combined to form an organic whole, by stepper motor control to complete graphics rendering.

The design used to provide pulse 8031, by circular distributor and amplifier circuit, through the dual pressure control stepper motor drive circuit to achieve the drawing machine drive control. Thesis describes the basic working principle of stepper motor, control mode, drive mode, dual-voltage drive circuit, and the ring distributor CH250 and dual monostable multivibrator 74221 connections. Advantage of the present study we have knowledge of stepping motor drive circuit to control the use of knowledge to the design of electronic circuits to connect the hardware directly.

Keywords: Stepper motor，hardware distributor，monostable circuit，8031

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目录

摘要 ................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................... II 目录 .............................................................................................................. III

前言 ................................................................................................................ 1

1概述 ............................................................................................................. 3

1.1步进电动机的产生和发展 ............................................................... 3

1.2步进电动机的结构和主要性能指标 ............................................... 4

1.3步进电机的工作原理 ....................................................................... 6

1.4步进电动机的分类 ........................................................................... 7

1.4.1按工作原理分类 ........................................................................ 7

1.4.2按输出转矩的大小分类 ............................................................ 9

2步进电动机控制系统 ............................................................................... 10

2.1步进电动机的开环控制 ................................................................. 10

2.2 8031单片机系统概述 .................................................................... 12

2.3步进电动机的环形分配器 ............................................................. 14

2.3.1步进电动机的驱动方式 .......................................................... 14

2.3.2步进电动机的环形分配器 ...................................................... 14

2.4步进电动机的驱动电路 ................................................................. 19

3电路设计 ................................................................................................... 25

3.1选择步进电动机 ............................................................................. 25

3.2驱动方案的选择 ............................................................................. 27

3.3驱动电路的设计 ............................................................................. 28

3.3.1驱动电路的时间常数和电压 .................................................. 28

3.3.3器件的确定 .............................................................................. 30

3.3.3驱动电源产品的选用 .............................................................. 33

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总结 .............................................................................................................. 34

致谢 .............................................................................................................. 35

参考文献 ...................................................................................................... 36

附件 步进电动机传动控制原理总图 ........................................................ 37

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前言

传统的机械式X-Y绘图机虽然价格较低，但由于采用手动，除精度和效率较低外，其潜在的功能未能充分的利用。为了适应现代化生产的需要，利用单片机和步进电动机对X-Y绘图仪系统进行了机电一体化设计，将机械系统与微机控制系统有机的结合在一起，使其系统的传动控制精度高，速度快，性能稳定和电路简单，工作可靠等特点，具有很好的使用价值。

步进电动机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展,步进动电机的需求量与日俱增,在各个国民经济领域都有应用。特别是随着数字技术和计算机的发展，研究步进电动机的驱动电路，使步进动电机的控制更加简便，灵活和智能化，使其应用更加广泛。

上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电动机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电动机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。步进电机具有转子惯量底，定位精度高，无累积误差，控制简单等特点。实际操作时不受电源电压，负载，环境，温度的影响能够实现快速启动、制动和反

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转。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制"步进电机作为控制执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

本设计利用单片机8031提供脉冲，经环形分配器和放大电路，通过双压驱动电路控制步进电动机，以实现绘图机的传动控制。对X-Y绘图仪的机械系统、控制系统及电路的硬件和软件进行了设计，该系统具有使用广泛，操作方便，速度快，精度高等特点。

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1概述

步进电动机又称脉冲电动机，我国步进电动机20世纪70年代初开始起步，70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种和高性能电动机不断开发，80年代中期以后，各种混合式步进电动机被广泛利用。目前，随着科学技术的发展，特别是永磁材料、半导体技术、计算机技术的发展，使步进电动机在众多领域得到了广泛应用。由于步进电动机具有易于控制、响应性好、精度高等特点，被广泛应用在自动控制的各个领域，尤其在计算机外围设备、办公设备、加工机械、包装机械、食品机械中的应用更为广泛。从发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列，成为电动机的一种基本类型。随着计算机技术进一步的发展，步进电动机必将成为机电一体化不可缺少的元件之一。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

1.1步进电动机的产生和发展

步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至1860年间。1870午前后开始以控制为目的的尝试，应用于氮弧灯的电极输送机构中。这被认为是最初的步进电动机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电动机。不久又在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。

20世纪60年代后期，在步进电动机本体方面随着水磁材料的发展，各种实用性步进电动机应运而生，而半导体技术的发展则推进了步进电动机在众多领域的应用。在近30年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机，以及同步电动机并列，从而成为电动机的一种基本类型。

我国步进电动机的研究及制造起始于本世纪50年代后期。从50年

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代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究发展到一个较高水平。70年代中期至80年代中期为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛利用。

步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。

任何一种产品大概都有一个从复杂到简单的发展过程，步进电机约30年来的发展，也已经逐步形成了自己的主流产品，在西方国家，可明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电机，其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电机被认为有较高运行性能指标而广泛用于工业自动化的场合。

步进电动机的发展方向主要有如下三点:(1)进一步完善和扩展驱动和控制功能。如采用SVPWM技术，采用电子齿轮比技术，扩展通讯网络功能等。(2)高功率密度的步进电动机系统。(3)闭环控制步进电动机系统。为了彻底克服步进电动机系统一些根本性的弱点，如振荡的倾向及失步等，可改为闭环系统，但这种改变的步进电动机系统已起了质的变化，不再是本来意义上的步进电动机，而成为无刷直流电动机(BLDCM)，或交流伺服电机(AC servo）。

1.2步进电动机的结构和主要性能指标

步进电机又称电脉冲马达。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。

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目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。在反应式步进电机中，有轴向分相和径向分相两种。

步进电动机由定子和转子两大部分组成。定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机”，用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。

三相反应式步进电动机的结构简图如图1.1所示，定子有六个磁极，每两个相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。

图1.1三相反应式步进电动机的结构简图

步进电动机的主要性能指标：

最大静转矩Mjmax(N·m) 它表示了步进电机承受负载的能力。Mjmax越大，其带负载能力越强，运行的快速性及稳定性也越好。

空载起动频率fq(步/秒) 它是衡量步进电机快速性能的重要技术数据。

起动矩频特性 起动频率fq随负载力矩M下降的关系曲线称为起动矩频特性

空载运行频率fmax(步/秒)

运行矩频特性它是衡量步进电机运转时承载能力的动态性能指标。

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1.3步进电机的工作原理

（1）基本工作原理

步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，如图1.2所示

.

a)U相通电 b)V相通电 c)W相通电

图1.2单三拍通电方式时转子的位置

a当U相通电，V、W相不通电，如图1.2a所示，1、3齿与U相对齐；

b当V相通电，U、W相不通电，如图1.2b所示，2、4齿与V相对齐；

c当W相通电，U、V相不通电，如图1.2c所示，1、3齿与W相对齐；

由此可见，当通电顺序为U→V→W→U→V→…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度）。当改变通电顺序时，将改变转子的转向。

（2）通电方式

1)单相轮流通电方式

每次切换前后只有一相绕组通电。在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。

例如U→V→W→U→V→…即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电。

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2）双相轮流通电方式

每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。

以三相反应式电动机为例，双相轮流通电方式为：UV→VW→WU→UV→…称为三相双三拍通电。

a)U相通电 b)U、V相通电 c)U相通电 d)V、W相通电

图1.3步进电动机的通电方式

3）单双相轮流通电方式

上述两种通电方式的组合。即通U→UV→V→VW→W→WU→U→ 称为三相六拍通电，如图1.3所示。三相六拍通电方式的步距角减小一倍。

1.4步进电动机的分类

1.4.1按工作原理分类

1 可变磁阻型(VR型——Variable Reluctivity Type)又称作反应式步进电机

其定子与转子由铁芯构成，没有永久磁铁，定子上嵌有线圈。转于在定子与转子磁阻最小位置上转动，并由此而得名可变磁阻型。

这类电机的转子结构简单、转子直径小，有利于高速响应。由于该类电机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。

这种电机具有制造成本高、效率低、转子的阻尼差、噪声大等缺点。 制造材料费用低、结构简单、步距角小。

2 永磁型(PM型一Permanent Magnet Type)

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PM型步进电机的转子采用永久磁铁、定于采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电机由于采用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用作定位驱动。PM型电机的特点是励磁功率小、效率高、造价便宜，因此需要量也大。由于转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造，故步距角较大。与VR型相比转矩大，但转子惯量也较大。

3 混合型(HB型一Hybrid Type)

转子导磁体上嵌有永久磁铁，可以说是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式。故称为混合型步进电机。

它不仅具有VR型步进电机步距角小、响应频率高的优点，而且还具有PM型步进电机励磁功率小、效率高的优点，是一种很有发展前途的步进电机。

图1.4步进电动机的典型分类

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1.4.2按输出转矩的大小分类

（1）快速步进电动机

电动机的输出转矩一般为0.07～4Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。

（2）功率步进电动机

电动机的输出转矩一般为5～40Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向式（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。

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2步进电动机控制系统

步进电动机是受其输入信号，既一系列的电脉冲控制而动作的。脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能够输出足够的功率，经环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他控制线路组合称为步进电动机的驱动电源，它对步进电动机来说是不可分割的一部分。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机控制系统。如图2.1所示。

图2.1步进电动机传动控制系统框图

步进电动机具有独特的优点：（1）控制性能好；（2）误差不长期积累；（3）步距值不受各种干扰因素的影响。步进电动机转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲信号数；故它作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。在多数情况下，可以代替直流伺服电动机。近年来，随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，数控系统的采用，促进了步进电动机的发展，使步进电动机在机械、电子、纺织、轻工、化工、石油、冶金、文教和卫生等行业，特别是在数控机床上都获得越来越广泛的应用。

2.1步进电动机的开环控制

步进电动机的工作过程一般由控制器控制，控制器按照设计者的要

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求完成一定的控制过程，使驱动电源按照要求的规律驱动电动机运行。简单的控制过程可以用各种逻辑电路来实现，但线路复杂，控制方案难以改变。目前，主要采用单片机作为步进电动机的控制器进行控制，很好地克服了硬件逻辑线路控制器的缺点。

1 串行控制

具有串行控制功能的单片机系统与步进电动机驱动电源之间具有较少的连线。这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器，其功能框图如图2.2所示。

图2.2串行控制功能图

本次设计则采用串行控制。

2 并行控制

用微机系统的数条端口线直接去控制步进电动机各相驱动电路的方法称为并行控制。在驱动电源内，不包含环形分配器，其功能必须由微机系统完成。系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：

1）纯软件方法

2）软、硬件相结方法

并行控制方案的功能框图如图2.3所示。

图2.3并行控制功能图

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3 步进电动机速度控制

控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出脉冲的频率或者换相的周期。系统可以用两种方法确定脉冲的周期（频率）：

1)软件延时

图2.4点-位控制的加减法过程

2）定时器

软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法实现的，它占用CPU时间。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现。

4 步进电动机的加减速控制

在点－位控制过程中，运行速度需要有一个“加速－恒速－减速－低恒速－停止”的加减速过程。点－位控制的加减速过程如图2.4所示。

2.2 8031单片机系统概述

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展、单片机内还包含A/D、D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件。由于它的结构和功能都是按工业要求设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据处理场合，因而目前应确切称为微控制器（Microcontroller）。单片机的称谓只是保留了其习惯称呼。

由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强

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及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各领域均得到了广泛运用。

MCS-51系列单片机是美国Inter公司于1980年推出的一种8位单 片机系列。该系列的基本产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩模型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的应用。

本设计中对单片机要求不是太高，因此选用Inter公司的8031即可。它有以下几个部分组成：

1 CPU中央处理器

中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器输出口或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。

2 内存

内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器 。

3 时钟电路

8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列但需要外接石英晶体做震荡器和微调电容。

4 定时/计数器

8031有两个16位的定时计数器，每个定时器和计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。

5 并行I/O接口

MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输入或输出。

本设计使用8031并行I/O接口P1口中的P1.0和P1.1两个端口。 6 串行I/O接口

它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以作为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。

7 中断控制系统

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8031有五个中断源，即外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。

8031芯片为通过连接外部元件和环形分配器，将外部信号转化为脉冲信号，输送给脉冲分配器。

2.3步进电动机的环形分配器

2.3.1步进电动机的驱动方式

步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现这种轮流通电，需将控制脉冲按规定的通电方式分配到步进电动机的每相绕组。这种分配既可以用硬件来实现也可以用软件来完成。实现脉冲分配的硬件逻辑电路称为环形分配器。在计算机数字控制系统中，采用软件完成脉冲分配的方式称为软件环分。

经分配器输出的脉冲能保证步进电动机绕组按规定顺序通电。但输出的脉冲未经放大时，其驱动功率很小，而步进电动机绕组通常需要相当大的功率，包含一定的电流和电压才能驱动。所以分配器出来的脉冲还需进行功率放大才能驱动步进电动机。步进电动机驱动系统框图如图

2.5所示。

图2.5步进电动机驱动系统框图

2.3.2步进电动机的环形分配器

环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和关断，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。因此，环形分配器由步进电动机的

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励磁绕组数（相数）和工作方式来决定。环形分配器有硬件和软件两种方式。硬件环形分配器有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等特点；软件环分往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足高速、实时控制的要求。

1 硬件环形分配器

硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。随着元器件的发展，目前，已经有各种专用集成环形分配器芯片可供选用。

（1）集成脉冲分配器

CH250是专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用CMOS工艺，集成度高、可靠性好。它的管脚图及三相六拍工作时的接线图如图2.6所示。

a)管脚图

b)三相六拍接线图

图2.6 CH250环形分配器

CH250有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉

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冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。

若采用CL脉冲输入端时，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN＝1时工作，EN＝0时禁止。反之，采用EN作时钟端，则下降沿触发，此时CL为使能端，CL＝0时工作，CL＝1时禁止。

R和R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当R加上正脉冲，ABC的状态为110，而R*加上正脉冲后，ABC的状态为100，以避免ABC出现000或111非法状态。

目前市场上出售的环形脉冲分配器专用集成电路芯片一般还包括许多其它功能，如斩波控制等。环形脉冲分配器专用集成电路芯片的种类特别多，功能也十分齐全。如用于两相步进电动机斩波控制的L297(L297A)、PMM8713和用于五相步进电动机的动机斩波控制的PMM8714等。

表2.1 CH250状态表

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