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2、进电机控制研究背景11 2 3 1.2 步进电机驱动技术概述34 5 1.3 国内外相关领域研究现状61.4 课题研究的目的7第2章 两相混合步进电机驱动器的整体设计方案82.1驱动器系统功能需求92.2驱动器系统硬件构架102.3两相混合步进电机驱动器软件系统构架10第3章 两相混合步进电机驱动器的硬件构成123.1 单片机最小系统设计123.2电源处理电路设计13 3.3 保护电路设计143.4 主驱动电路设计143.5 OC门与光电隔离电路16第4章 两相混合步进电机驱动器的软件设计174.1 系统初始化及主流程174.2占空比寄存器184.3定时器PWM输出配置19第5章 关键技术处理
3、205.1 解决超调与功率管发热问题的PWM机制优化处理方法205.2电机驱动器可扩展处理技术20第6章 结 论22参考文献23致 谢24摘 要随猎微电子技术、计算机技术以及控制技术的不断发展，式步进电机的驱动技术的发展越来越快，步进电机的应用需求越来越大。步进电机不能直接接入电源进行工作，它必须使用专用设备进行驱动，因此.步进电机的运行性能除了受本身性能的影响外，很大程度上还取决于其驭动器的好坏。目前市场上的步进电机驱动器基本都是单电机的驱动器。即一个驱动器只能驱动一个步进电机，这样对于需要应用多台步进电机的场合.必须购买多台驱动器，这样无疑加大了生产成本和产品的空间体积。因此，对于步进电机
4、控制系统而言，开发一套新型的能满足多路输出的高精度高稳定性步进电机驱动器器具有极其重要意义。关健词:步进电机；单片机；可扩展性第1章 绪 论 随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到了广泛的应用.步进电机是一种完成数字信号模拟信号转换的执行元件，它区别于其他控制用途电动机的最大特点是:能接收数字控制信号(电脉冲信号)，并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移.步进电机必须与相应的驱动电路配合使用，其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数，因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键.众所周知:电动机的各相绕组之间、定转子之
5、间存在一定的强祸合，电磁关系也有较严重的非线性，但就其本质而言，对I台步进电机的控制，就是按一定的相序向其相线圈提供驱动信号，同时对各相电流进行控制，从而产生必要的转矩以驱动电机旋转.本文简要介绍三相反应式步进电机的一种驱动电路的设计.1.1步进电机控制研究背景步进电机作为机电一体化的关键产品之一，有着广泛的应用。步进电机是一种根据电磁学原理，采用组合电进铁理论，利用定转子之间的磁场作用，将电脉冲转化为机械能的执行机构.在结构上，电动机定转子都采用凸极结构，各绕组之间的磁场彼此孤立。步进电是一种离散型自动化执行元件.以一定的步距角一步一步做增量运动，其转速和运行的距离不受负级变化的影响。只取决
6、于给定脉冲信号的频率和数量。利用现代数字控制技术，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，实现准确的定位控制:同时可以通过改变脉冲频率和变化快慢来控制步进电机转动的速度与加速度，从而实现调速的目的.它含有以下优势:1)无累计误差.步进电机的每步精度在30/u 5%之间，在不失步的前提下其的角位移和物入脉冲数严格成正比，不会将一步的误差积累到下一步，有较好的位w精度和运动的重复性.2)动态响应快，有优秀的启停、反转响应。 3)没有电刷，电机可书性高，寿命长。4)电机的响应由愉入的数字脉冲确定，可以开环控制，控制结构简单可靠，价格低廉。 5)电机通电停转时候转矩最大，实现停止自锁。 6)速度正比于脉冲
7、频率，可调的转速范围宽:易于控制，只擂要控制给定脉冲的频率和个效.即可达到调速和精确定位的目的。 正是由于这些优点，步进电机被广泛应用于自动控制系统中，是数字开环控制系统理想的执行元件。尤其是80年代以后，随着徽处理器的发展和应用，给步进电动机的推广带来了广阔的前景.但是，在性能上步进电机也有明显的不足之处.1)控制不当容易发生共振和失步现象，且低速时嗓声比较大。2难以获得较大的转矩.3)高速时因力矩衰减容易造成失步。 步进电机在构造上分为三种主要类型:反应式(Variable Reluctance，简称VR)步进电机、永磁式(Permanent Magnet,简称PM)步进电机和混合式(Hy
8、brid Stepping，简称HB)步进电机。 反应式步进电动机又称变磁阻式步进电动机，依靠改变电机磁阻来产生电磁转矩，从而带动步进电机运行，是目前比较流行的一种电动机，其绕组位于定子上，转子由软磁材料组成。其结构简单、成本低、步距角小(步距角为1.20)，但动态性能差、效率低、发热大，可命性差.反应式步进电机又分为单段式和多段式步进电机，单段式步进电机结构简单;多段式步进电机结构复杂.制造困难，工作特性差。 水磁式步进电机的转子用永磁材料制成，动态性能好、抽出力矩大、定位梢度差、步矩角大(一般为7.50或150). 混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，是目前十分流行的一种步进
9、电机。其转子上采用永磁材料，定子上含有多相绕组，按定子绕组又分为两相混合式步进电机、三相混合式步进电机和五相混合式步进电机。混合式步进电机的特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，配上驭动器后运行效果良好，尤其是两相混合式步进电机，其约占，97%的市场份领。1.1.3两相混合步进电机 混合式步进电机的轴向结构图如图1-1所示。图1-1混合式步进电机的轴向结构图1.2步进电机驱动技术概述步进电机不像普通的直流电机，不能直接接到交直流电源上进行工作，而必须使用专用控制系统设备进行驱动，步进电机运行的性能如输出力矩、运行频率等除了受其本身性能的影响外，还取决于驱动器控制系统的优劣。因此，步进电机的出
10、现，步进电机驱动器也应运而生，它们的研究几乎是同步的，步进电机驱动器是步进电机运动控制的一个不可分割的整体。步进电机驱动系统一般由脉冲信号发生器、环形分配器、倍号处理与放大、推动级、功率驰动、电流检测与保护电路等组成，如图1-2所示。步进电机功率驱动器推动级信号处理与放大环形分配器脉冲信号发生器MCU电流采样与保护电路图1-2传统步进电机驱动器的基本组成部分脉冲信号发生器用来产生一定的方波或三角波等，环形分配器用来接收外部控制脉冲，井按要求的顺序产生控制步进电机各相绕组导通和截止的信号，从而决定步进电机的转向;信号处理是实现对输出信号的转换、合成和放大等，如实现SPWM等特殊信号:推动级是对较
11、小的信号进行放大，从而足以推动驱动电路:驱动电路一般为双极性驱动电路，如H桥电路，以满足定子磁极的极性交变;保护电路为过压、欠压、过温保护等保护驱动电路的安全。混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路、拓扑结构和驱动方式，其中包括单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调频调压奥动和细分驭动等。 单电压驱动方式是指以一个恒定的电源电压对工作中的电机绕组进行供电。这种驱动方式存在共振区，需要串大功串电阻，功耗大，高频时带载能力不高，但是其低频响应较好、驱动电路简单、应用成本低廉 双电压v动的方式是电路使用高低压进行驱动，在导通前以高电压供电来提高电流的上升率，当上升到额
12、定电流时，利用低电压和低压功率管给电机绕组进行供电，以维持额定电流的大小。这种驱动方式低频时嗓音大，共振现象仍然存在。 斩波恒流驱动是目前步进电机应用.广泛的驱动方式之一，这种驱动方式以比电机额定电压高得多的电压供电，以加快绕组电流上升和衰减的速度，通过斩波的方式使电机绕组电流在高低频及顿定等工作状态中都保持领定值。这种方式提高了输出转矩，墓本消除了低频共振现象. 调频调压驱动方式实现了电机在低速时绕组电流上升前沿较平缓的特性，从而降低了低频振动。其荃本思想是在驱动电路中增加比较电路和调压电路，使电机运行在低频时使用低电压驭动，高频时使用高电压驱动。这种驱动方式能在较宽的频率范围内运行，矩频特
13、性也较好，但是线路比较复杂，而且针对不同的步进电机，需要输出电压与输入控制脉冲频率的特性进行重新调整。 电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为0（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角） 外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消
14、除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。 细分技术与步进电机精度提高的关系：步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。 细分是细分驱动的其中方法，恒流的实现常用斩波驱动，给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分，这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈，可以不需要反馈地实现电机的细分驱动，但是由于电机的反电势等的作用，正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流，效果没有电流细分好，但是它的驱动电路相对简单
