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1、三相混合式步进电机细分驱动器的设计院 系：机电与自动化学院专 业 班：电气工程及其自动化1004班姓 名： 学 号：20101131179指导教师： 2014年5月三相混合式步进电机细分驱动器的设计The Design of Three-phaseHybrid Stepping Motor Subdivision Drive摘 要作为一种常用的开环控制执行元件，步进电机脉冲控制一般分为整步，半步，和细分三种工作方式。由于整步和半步方式易导致步进电机工作出现振荡现象，且噪声大，效率低，故细分驱动已成为步进电机脉冲控制的主流。本文正是以三相混合式步进电机为研究对象，针对已有细分驱动采用专用驱动器带
2、来的成本高，档位少，且控制不够灵活等问题，提出一种基于分离器件设计的细分驱动方案。本文主要研究内容如下：在对三种步进电机分类比较的基础上，讨论了步进电机的几种常用驱动电路。重点分析并探讨了三相混合式步进电机细分驱动原理，针对目前三相混合式步进电机细分驱动现状，提出结合正弦细分和恒流斩波控制的细分驱动方案。分析了三相混合式步进电机细分驱动的设计要求，完成了细分驱动的逆变电路主拓扑结构设计。基于系统整体设计，完成了细分驱动器的硬件设计和软件设计。其中，硬件设计主要包括微处理器最小系统，电源模块，信号输入及调理单元，电流采样及PI电流调节单元，PWM调制及三路功率驱动电路设计等。软件设计主要包括上位
3、PC机软件和下位机软件设计。上位机完成三相混合式步进电机驱动器细分参数的生成，并基于串行通信实现对下位机的参数设置和控制；下位机基于Keil C语言平台，实现细分驱动器的控制算法。关键词：步进电机 细分 单片机 PWMAbstractAs a commonly used open-loop control actuator, the pulse control of stepper motor is generally divided into full step, half step, and subdivision driver three ways of working. As full
4、 step and half step easily lead stepper motor oscillation and noise, low efficiency, the subdivision division drive has become the mainstream way of the stepper motor pulse control. This article mainly study three-phase hybrid stepping motor, but the equipment is usually expensive, and only has a fe
5、w stalls, and not flexible enough to control. A new way based on separation device design and sub-driving program. The main contents are as follows.Based on the researching the kinds of stepper motor, we discuss several ways of control. We mainly discuss the subdivision division of three-phase hybri
6、d stepping motor. And make a project to design a good equipment to make the stepper motor work well.Give Three-phase hybrid stepping motor subdivision driver design requirements, and completed of the subdivision drive inverter circuit topology design. Complete hardware design and software design. In
7、cluding microprocessor system, power supply module, the signal input and conditioning unit, current sampling and PI current regulator unit, PWM modulation and three-way power driver circuit design, hardware design.Software design includes PC software and MCU software design. The program used to comp
8、uter subdivision drive parameters, communicated with MCU by serial. And the MCU software control the hardware system.Key words: stepper motor subdivision microcontroller PWMII目 录摘 要IAbstractII绪论11 基于三相混合式步进电机驱动器综述21.1 课题研究的目的和意义21.2 国内外研究现状21.3 课题研究应解决主要问题即基本理论依据32 设计方案42.1 系统设计总体方案框图42.2 微控制器控制电路52
9、.3 电源模块62.4 三路功率驱动电路63 硬件设计73.1 硬件电路框图73.2 微处理器最小系统设计73.3 开关电源设计103.3.1 电源需求分析103.3.2 EMI滤波器设计113.3.3 反激电源设计123.4 PWM及三相驱动电路设计163.4.1 PWM电路163.4.2 三相驱动电路203.5 电流采样及PI调节电路223.5.1 电流采样电路223.5.2 PI调节电路243.6 信号接口电路253.6.1 电流设定和细分档位设定253.6.2 外部脉冲输入电路263.6.3 PC通信接口电路273.6.4 两路正弦信号283.7 保护电路设计293.7.1 欠压保护3
10、03.7.2 过流保护303.7.3 过温保护314 系统软件设计324.1 上位机图形界面设计324.1.1 细分参数生成软件部分324.1.2 串口通信部分344.2 KEIL软件编写部分37结论39致谢40参考文献41IV绪 论步进电机是一种很简易方便的位置控制型器件，可以加反馈装置作精确控制，也可以不使用任何反馈装置就能达到比较好的位置控制精度。该类电机可以将脉冲性质的方波电信号转换为圆形角度位移或者线性距离位移的被控型元件。步进电机有很多特点，最常见的是在正常工作的状态下，其每次运动结束时的停止位置可以很好通过计算给定的脉冲的方波电信号数目和方向来计算获取；该类电机的转动的加速度与转
11、速也可以通过给信号的控制方向、脉冲的方波电信号的给出频率来计算；还有当其外部带动的负载大小出现变化时，以上提及的几个特点不会受到影响。每个步进电机在设计完成之后都会有一个固定的参数，就是在整步工作状态时，每接收到一个脉冲的方波电信号，其都会转动一个固定的角度（有一些直线步进电机是改变的线性位移），这个固定的转动角度称之为步进电机的“步距角”。步进电机最早的雏形诞生时期和柱塞泵发明时期一样。但是步进电转动速度远不及现在其他类型的电机，在一些高速控制的地方效果不好，拖动负载的能力也比不上其他类型的电机。但是步进电机具有很好的位置控制功能，很多非电类专业的人员只需要买回步进电机、驱动器、控制器就能组
12、建一个很好的运动控制平台。步进电机工作的驱动方式有多种，如整步驱动、半步驱动、平滑驱动、细分驱动等。在整步驱动和半步驱动工作状态时，由于步进电机转子每相绕组线圈的电流变化大，容易出现振荡、噪声大的现象，而且步距角的分辨率不高，控制精度低。平滑的工作方式并不能精确控制步进电机的每相电流，只是把每相电流的变化率降低很多，步进电机转动时平稳一点。细分驱动后的每相电流是呈离散的正弦曲线变化的。采用细分控制以后不但不会引起电机的力矩下降，恰恰相反会使等效力矩有所增加。1 基于三相混合式步进电机驱动器综述1.1 课题研究的目的和意义现阶段在市场上广泛销售使用的步进电机驱动器，并未能很好解决步进电机运动转角
13、大、振荡、失步等缺点，而且不能很好的根据客户需求改变，有的时候只能降低设计指标，为了满足更多特殊需求，有必要自己开发一款步进电机细分驱动器，这样可以更具需求来快速的改变方案，做出满足要求的设计。设计一款新的步进电机驱动器的设计方法，使用MCU单片机、一片双路输出的DA芯片、驱动电路、电流采样电路等来构成恒流正弦细分驱动器，这样成本低，使用效率高。可以实现步进电机转角精确控制这一目的，并具有欠压、过热、过压等保护，提高驱动器使用寿命。可通过拨码开关来设置电流大小和多档细分，能使步进电机运转更为稳定可靠，提高运转精度，有广泛的应用前景。1.2 国内外研究现状步进电机正弦细分驱动技术最开始是由科学家
14、在美国增量运动控制系统及器件年会上发表和提出。细分驱动器的最初设计是对步进电机转子每相绕组线圈的电流的控制，主要采用模拟电路来实现，多个晶体功率管并联，单个晶体功率管控制一种电流的调控，多个晶体管的开通和关断组合成多种电流，通过这样的方式来实现线圈电流的调控。随着现代数字集成IC的发展，微控制器技术日益成熟，单片机和DSP之类的大规模集成IC被广泛使用，步进电机正弦细分驱动技术方面开始使用这些可编程芯片，简化了驱动电路硬件方面的设计，缩小了控制系统的体积，降低了成本，同时进一步提高了控制系统的高度智能化和细分定位精度，从而使正弦细分驱动技术得到了很好的推广。我国在步进电机的研究和应用方面起步很
15、晚，由于国外技术的封锁，我国的控制技术和现代半导体技术研发都比较以内自主研发，相比发达国家也非常落后14。50年代后期到60年代后期，步进电机主要是我国的一些科研机构和高等院校做研究和设备装置而采用。70年代初期，我国在步进电机的设计和研究方面才有所突破和发展，在步进电机机体设计方面也有了很大进步与提升。70年代中期到80年代中期，反应式步进电机整机的设计和研究工作也发展到较高水平。九十年代中期，我国也对步进电机做了大量研究，各种混合式步进电机和驱动器被广泛应用和推广。国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。国内有很多步进电机生产厂商，如四海步进电机，就能很好的提供驱动器和电机，还有白云步进电机。国内在步进电机控制领域中，雷赛科技申请了大量专利，设计的产品安全可靠，并大量的销售国外，在步进电机控制领域，是国内执牛耳的公司。上海运控也是我国最为专业的步进电机生产商，并研发了两相步进电机专用的芯片TL206
