两相步进电机驱动器设计

两相步进电机驱动器设计

目录

第1章绪论 (3)

1.1 引言 (3)

1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介 (3)

第2章设计方案 (5)

2.1 步进电机的介绍 (5)

2.2 步进电机的特点 (6)

2.3 步进电机的分类 (6)

2.4步进电机运动特性及性能参数 (7)

2.5 设计方案的确定 (8)

2.6 设计思想与设计原理 (9)

第3章单元电路的设计 (9)

3.1方波产生电路设计 (9)

3.2 信号的分配 (13)

3.3功率放大电路设计 (15)

3.4 总体设计 (16)

第4章设计方案的论证 (18)

第5章心得体会 (18)

第6章参考文献 (19)

第1章

1.1 引言

步进电动机一般以开环运行方式工作在伺服运动系统中，它以脉冲信号进行控制，将脉冲电信号变换为相应的角位移或线位移。步进电动机可以实现信号的变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。由于其控制系统结构简单，控制容易并且无累积误差，因而在20世纪70 年代盛行一时。80 年代之后，随着高性能永磁材料的发展、计算机技术以及电力电子技术的发展，矢量控制技术等一些先进的控制方法得以实现，使得永磁同步电机性能有了质的飞跃，在高性能的伺服系统中逐渐处

于统治地位。相应的，步进电机的缺点越来越明显，比如，其定位精度有

限、低频运行时振荡、存在失步等，因而只能运用在对速度和精度要求不

高，且对成本敏感的领域。技术进步给步进电动机带来挑战的同时，也带

来了新的发展遇。由于电力电子技术及计算机技术的进步，步进电动机的

细分驱动得以实现。细分驱动技术是70 年代中期发展起来的一种可以显

著改善步进电机综合性能的驱动控制技术。实践证明，步进电机脉冲细分

驱动技术可以减小步进电动机的步距角，提高电机运行的平稳性，增加控

制的灵活性等。由于电机制造技术的发展，德国百格拉公司于1973 年发

明了五相混合式步进电动机，又于1993 年开发了三相混合式步进电动机。

根据混合式步进电动机的结构特点，可以将交流伺服控制方法引入到混合

式步进电机控制系统中，使其可以以任意步距角运行，并且可以显著削弱

步进电机的一些缺点。若引入位置反馈，则混合式步进电机控题正是借鉴

了永磁交流伺服系统的控制方法，研制了基于DSP的三相混合式步进电机驱

动器.

1.2 步进电机常见的控制方法与驱动技术简介

1.2.1常见的步进电机控制方案

1、基于电子电路的控制

步进电机受电脉冲信号控制，电脉冲信号的产生、分配、放大全靠电子元器件的动作来实现。由于脉冲控制信号的驱动能力一般都很弱，因此必须有功率放大驱动电路。步进电机与控制电路、功率放大驱动电路组成一体，构成步进电机驱动系统。此种控制电路设计简单，功能强大，可实现一般步进电机的细分任务。这个系统由三部分组成：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路、功率放大驱动电路。系统组成如图1.1所示。

脉冲控制器

功

率

放

大

驱

动

电

路

环

形

分

配

器

步

进

电

机

图1.1 基于电子电路控制系统

此种方案即可为开环控制，也可闭环控制。开环时，其平稳性好，成本低，设计简单，但未能实现高精度细分。采用闭环控制，即能实现高精度细分，实现无级调速。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度，然后通过反馈和适当的处理，自动给出脉冲链，使步进电机每一步响应控制信号的命令，从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步[4]。该方案多通过一些大规模集成电路来控制其脉冲输出频率和脉冲输出数，功能相对较单一，如需改变控制方案，必须需重新设计，因此灵活性不高。

2、基于PLC的控制

PLC也叫可编程控制器，是一种工业上用的计算机。PLC作为新一代的工业控制器，由于具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高等优点而广泛应用于各行业的自动控制系统中。步进电机控制系统有PLC、环形分配器和功率驱动电路组成。控制系统采用PLC来产生控制脉冲。通过PLC 编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量，同时通过编程控制脉冲频率来控制步进电机的转动速度，进而控制伺服机构的进给速度。环形脉冲分配器将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环形分配器，也可采用硬件环形分配器。采用软件环形分配器占用PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数大于4时，对于大型生产线应该予以考虑。采用硬件环形分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省PLC资源，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动电路将PLC输出的控制脉冲放大，达到比较大的驱动能力，来驱动步进电机。

采用软件来产生控制步进电机的环型脉冲信号，并用PLC中的定时器来产生速度脉冲信号，这样就可以省掉专用的步进电机驱动器，降低硬件成本。但由于PLC的扫描周期一般为但由于PLC的扫描周期一般为几毫秒到几十毫秒，相应的频率只能达到几百赫兹，因此，受到PLC工作方式的限制及其扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作，无法实现高速控制。并且在速度较高时，由于受到扫描周期的影响，相应的控制精度就降低了。

3、基于单片机的控制

采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。用软件代替环形分配器，达到了对步进电机的最佳控制。系统中采用单片机接口线直接