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1、郑州航空工业管理学院 毕 业 论 文（设 计） 2010届 电气工程及其自动化 专业 班级题 目 两相混合式步进电动机驱动控制系统设计姓 名 学号 指导教师 职称 二一二 年 五 月 二十五 日摘 要本文源于解决步进电动机的失步问题。论文在了解步进电动机的特点及工作原理的基础上，重点研究两相步进电动机的单片机控制技术。根据两相混合式步进电动机的驱动控制特点，本文采用了双极性驱动方式，通过脉冲分配合理控制绕组中的电流保证步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的角度均匀，并在此基础上设计了一种两相混合式步进电动机驱动器。该驱动器以单片机8098为控制核心，选用PBL3717、H桥驱动器件等构成
2、驱动电路，论文从驱动技术方案、硬件电路、控制软件设计方面进行了详细地描述。在反馈检测电路设计时，采用光电编码器来进行步进电动机的转速。通过8279扩展键盘显示电路来显示电动机的转速和给定速度；另外利用ISD1420语音芯片实现语音报速功能。最后对所设计的两相混合式步进电动机驱动器进行了性能测试分析，结果表明：该驱动器达到了系统设计前所提出的各项指标。系统运行安全、可靠、稳定。整个系统电路简单实用、性能优良、通用性强。设计原则适用于各种步进电动机，有一定的实用价值。关键词：2相混合式步进电动机，非线性动态模型，单片机，细分控制AbstractThis dissertation is about
3、a fundamental research that solve the problem of desynchronizing, Based on the characteristics and the work principle of stepping motor, the paper emphasizes the control technology of stepping motor which controlled by the 8098 SCM.According to the character, the paper uses dual bridge driving contr
4、ol technology. Through analyzing and establishing the subdivision model, this paper controls the winding current reasonably, and guarantees constant magnetic field value, even angle. A new driver for 2-phase stepping motor is designed.The driver takes single chip 8098 as the control core, selects BP
5、L3717 and H-bridge as the driver circuit. The paper discusses the technology of driver, the hardware and software designing in detail .In order to design the feedback of the current and speed of 2-phase hybrid stepping motor, using speed monitor to detect the speed of stepping motor. At the same tim
6、e, using key- board to input the speed and output by LED, which is taken by chip 8279.In the other way, we use pronunciation chip ISD1420 to report the current steep. At last, a whole test for driver is made. The experiment result indicates that this driver reaches the qualities required. The system
7、 runs smoothly and safety. The circuit is simple, and has a good performance. The design principle fits many kinds of stepping motor, and has a good practical value. Key Words: 2-phase hybrid stepping motor, Nonlinear dynamic model Single chip，Subdivision control目录绪论11.1课题研究背景及主要内容11.2.2系统硬件电路21.2.3
8、系统控制软件21.3课题关键技术22 混合式步进电动机工作原理32.1步进电动机的分类及特点32.1.2性能分析32.2混合式步进电动机结构及其工作原理32.2.1混合式步进电动机结构32.2.2混合式步进电动机工作原理43.1步进电动机的驱动概述53.1.1一般驱动系统的组成结构53.1.2驱动器的特点63.2步进电动机驱动技术分析73.2.1单电压驱动73.2.2双电压驱动83.2.3斩波恒流驱动93.2.4细分驱动103.2.5双极性驱动114步进电动机控制系统设计114.1系统总体概述124.2系统硬件134.2.1单片机主控制单元电路设计134.2.2速度检测反馈电路154.2.3功
9、率驱动电路154.2.4系统供电电源174.3.1系统软件设计的基本原则184.3.2主程序设计194.3.3步进电动机的速度控制204.3.4 8279接口芯片扩展键盘、显示器21结 论28附录A系统控制总电路图29参 考 文 献31V郑州航空工业管理学院1绪论1.1课题研究背景及主要内容我国步进电动机的研究及制造起始于二十世纪50年代后期。从50年代后期到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也发展
10、到了一个较高水平。70年代中期至80年代中期成为成品发展阶段，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作了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛应用。步进电动机是一种新型增量式电机，是数字控制系统的一种执行元件。它是利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机。步进电动机有多种不同的结构。主要以混合式和反应式为主。混合式步进电动机是在同步电动机的基础上发展起来的。既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的步进电动机驱动器；
11、步进电动机系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，还与驱动器性能有关。步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。课题以两相混合式步进电动机为代表作为研究对象，以先进的驱动技术为研究目的，开发高性能，高可靠性的驱动器，与两相混合式步进电动机合理搭配使用，其技术指标如下:额定电压：15V一50V额定电流: 5A以下工作方式: 连续转矩输出: 在一定频率范围内恒定鉴于上述原因，本课题对步进电动机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合
12、步进电动机运行特性的驱动控制方式及电路，对提高两相混合式步进电动机系统的性能，推动步进电动机的广泛应用，发展新一代高性能混合式步进电动机驱动系统，不仅具有较高的现实意义，而且具有一定的经济价值。1.2课题完成的主要工作 1.2.1系统总体方案论证 本文研究了基于单片机的步进电动机控制系统控制技术、控制策略及其实现方法，确定了基于单片机的两相混合式步进电动机驱动控制系统的总体设计方案。该阶段的工作主要包括:系统总体方案的论证:广泛查阅国内外相关技术资料，研究了步进电动机驱动控制系统控制技术、控制策略，并对基于单片机的两相混合式步进电动机驱动控制系统的各种实现方案进行了论证;系统总体方案的设计:从
13、控制器芯片即单片机芯片的选择，系统硬件控制电路、驱动电路基本框架以到系统基本控制策略的确定等各方面，确定系统的总体设计方案。1.2.2系统硬件电路根据已确定的基于单片机的两相混合式步进电动机控制系统总体设计方案，完成了系统硬件电路的设计、实现以及硬件电路的性能测试工作。该阶段的工作主要包括：系统硬件电路设计：根据确定的控制系统总体设计方案完成系统硬件电路的设计，如单片机芯片的选择、驱动集成电路的选择、系统原理电路的绘制等；系统硬件电路性能测试：主要完成系统硬件的电器测试，系统各功能模块的测试等。1.2.3系统控制软件按照系统技术标准要求和确定的系统控制策略，对系统控制软件进行合理的分析、规划及
14、设计，确定软件流程，并对系统软件进行调试运行。该阶段的工作主要包括：系统软件分析：根据系统的要求以及主控制器的特点对系统控制软件进行整体的分析和规划；系统软件与实现：根据系统软件整体的分析和规划，编写流程图，逐个实现各功能模块程序；1.3课题关键技术课题在设计过程中主要解决如下难点和关键技术：1、两相混合式步进电动机的动态模型混合式步进电动机绕组供电情况及运行状态较为复杂，难以用解析法来分析其运行性能。近年来仿真模型逐渐成熟，但是由于对混合式步进电动机运行性能指标要求的进一步提高，其对仿真模型的精度的要求也相应提高;所以对绕组电感、电磁转矩、旋转电势等的非线性特性要求有更精确的描述。2、系统抗
15、干扰技术步进电动机在工作过程中，会产生较大的电磁干扰，引起步进电动机工作状态不稳，直接影响系统的可靠性。分析单片机控制步进电动机驱动系统中电磁干扰产生原因，在设计初将驱动器的电磁兼容设计与整个系统电磁兼容性紧密联系起来考虑，采取光电隔离、系统有效监控、软件滤波等方法和措施有效抑制电磁干扰，提高系统抗干扰特性。3、控制电路的设计控制电路的好坏直接影响电机的运行效果。考虑到两相混合式步进电机驱动器在A、B两相电路的对称性，在反馈放大电路设计时，采用光电编码器检测速度来实现速度闭环控制;此外，驱动电路中采用双极性工作，减少了驱动电源的数量。2 混合式步进电动机工作原理2.1步进电动机的分类及特点步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电元件。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机。步进电动机的输入是脉冲信号，它绕组内的电流既不是通常的交流电，也不是恒定的直流电，而是脉冲电流。从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式步进电动机主要类型有旋转电
