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重庆理工大学毕业论文1摘要步进电动机在无位置传感器和速度传感器系统中可以实现精确开环控制,同时又具有价格低廉、易于控制、定位准确和计算机接口易于实现等优点,被广泛应用于机械、仪表、工业控制等领域。然而,步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于驱动电源的结构与性能,性能良好的驱动电源可以在最大程度上改善步进电机系统的性能,减少振荡与失步的发生,在高频运行时能够提供足够的转矩。步进电机多数采用绕组电流控制方式,这种方法可以提高供电电压,在高频运行时具有较好的绕组电流波形,而且可保证在一定频率范围内电流恒定,提高步进电动机的高频特性。步进电动机控制脉冲的环形分配多采用软件实现,与传统的逻辑硬件电路的实现方法相比,其控制更灵活、方便,而且易于进行升降速控制。本文在研究三相反应式步进电机工作原理和多种控制方法的基础上,采用AT89C51单片机为主控制芯片设计了单片机控制系统,进行了三相步进电机驱动电源的设计，利用软件对步进电机进行控制,并采用恒电流脉宽调制方法（PWM）对各绕组进行了恒流控制。最后,搭建了驱动电源试验电路。关键词:三相步进电机；驱动电源；单片机；PWM恒流控制重庆理工大学毕业论文2AbstractSteppermotorwithoutpositionsensorandspeedsensorinthesystemcanrealizepreciseopen-loopcontrol,atthesametime,haslowcost,easytocontrol,accuratepositioningandcomputerinterfaceadvantagesofeasytoimplement,iswidelyusedinmachinery,instrumentation,industrialcontrolandotherfields.However,steppermotorsystemperformanceandrunningqualitytoalargeextentdependsonthestructureandperformanceofdrivepowersupply,goodperformanceofthedrivepowercanbeinthelargestextent,improvestheperformanceofthesteppingmotorsystem,reducethehappeningoftheoscillationandstepout,thehighfrequencyruntimecanprovideenoughtorque.Moststeppermotoradoptswindingcurrentcontrolmethod,thismethodcanimprovethepowersupplyvoltage,athighfrequencyoperationhasgoodwindingcurrentwaveform,andcanguaranteeinacertainfrequencyrangeconstantcurrent,improvethehighfrequencycharacteristicsofsteppingmotor.Theannulardistributionofstepmotorcontrolpulseisusedmoresoftwareimplementation,comparedwithtraditionallogichardwarecircuitrealizationmethod,itscontrolismoreflexible,convenient,andeasytocontrolthespeed.Basedonthestudyofthree-phasereactivesteppingmotorprincipleofworkandavarietyofcontrolmethods,onthebasisofusingAT89S51controlchipdesignwithasingle-chipmicrocomputercontrolsystem,thethree-phasesteppermotordrivepowersupplydesign,usingthemethodofsoftwarelinkpointstocontrolstepmotor,andbyadoptingthemethodofconstantcurrentpulsewidthmodulation(PWM)foreachwindingtotheconstantcurrentcontrol.Finally,setthedrivepowersupplytestcircuit.KEYWORDThree-phasestepmotor;Drivepower;Singlechipmicrocomputer;PWMconstantcurrentcontrol重庆理工大学毕业论文3目录第一章绪论1.1课题研究的目的和意义1.2国内外现状及发展趋势1.2.1步进电机驱动技术发展1.2.2国外驱动器发展概况1.2.3国内驱动器发展概况第二章步进电机驱动电源的硬件设计2.1步进电动机的结构及其工作原理2.2步进电机的优缺点分析2.3步进电机常用驱动电路比较2.3.1单电压驱动2.3.2高低压驱动2.3.3调频调压驱动2.3.4斩波恒流驱动2.3.5电流细分驱动2.4脉冲宽度调制技术原理及其控制方法2.4.1脉宽调制技术基本原理2.4.2恒电流脉宽调制方法第三章步进电机驱动电源硬件设计3.1系统结构图3.2主电路设计3.2.1主电路设计3.2.2主要器件的选择3.3控制电路设计3.3.1单片机的选择3.3.2脉冲发生电路3.3.3显示电路3.3.4键盘电路3.4脉宽调制电路的设计第四章总结致谢参考文献重庆理工大学毕业论文4第一章绪论1.1.1课题研究的目的和意义步进电机的工作必须使用专用的电源驱动。针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动。随着微处理器的广泛应用和新的控制方式的出现，使得驱动电源的控制电路趋向于应用微控制器和专用芯片结合的控制方法，使得原来由硬件实现的环形分配功能可以很方便的由软件程序来完成，而且具有很高的灵活性。驱动电路则趋向于采用可以实现绕组电流恒定控制的电路驱动形式。研究目的是在研究三相步进电机工作原理和多种控制方法的基础上，利用脉宽调制方法设计一种绕组电流可控制的步进电动机驱动电源。从而改善步进电机高频运行时的性能，并为进一步制作高性能的步进电机驱动电源提供理论和实验基础。步进电机多应用于开环控制的场合，对转子位置不做检测，较容易在运行过程中产生失步。失步和振荡是较为严重的两个问题。另外，步进电机不能简单的直接接到普通的交直流电源上运转，它需要专门的驱动器。步进电动机驱动电路的合理设计与改进,需要对步进电动机运行机理和具体结构设计的透彻了解与深入分析。同时,步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能,同一台电动机配以不同类型的驱动电源其性能会有较大差异。抛开驱动电源来谈步进电动机的性能是不完全的。通过研制高性能的步进电机驱动器可以大大改善步进电机的运行性能。不同驱动电源引发的步进电机性能上的差异，不仅体现在输出力矩的大小及高频矩频特性上，还体现在电机反应速度、消除电机运转过程中的振动、电机在固有共振点附近运行平稳性等多方面。先进的驱动技术及驱动电源生产工艺的运用是提高步进电机性能的一条有效的途径，可以拓宽步进电机的应用领域。因此，研究开发出高性能的步进电机驱动器有着重大的现实意义。1.2国内外现状及发展趋势1.2.1步进电机驱动技术发展步进电机系统由于发展较早，电机成本低、可靠性好、结构简单、驱动电源成本不高，因而具有良好的市场竞争力。重庆理工大学毕业论文5现阶段，单片机控制技术应用越来越广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。对电机控制的基本电路要以单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测和控制软件支持下，调整和控制功率电路的工作状态，同时检测输出电流大小，进行电流的控制。市电经整流滤波、功率校正电路变成直流电送入功率变换电路(DC/DC)，功率变换电路在脉冲宽度调制电路(PWM)和单片机的控制下输出稳定的直流电压。用户可根据需要通过键盘设定开关电源输出的电压值及最大输出电流值，单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与用户给定数据进行比较，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值。1.2.2国外驱动器发展概况对步进电机的控制，国外主要采用步进电机及相应的细分驱动器，很多半导体公司早已将单片机用于电机的控制。国外对步进电机驱动技术的研究一直很活跃。目前，国外对步进电机的控制与驱动的一个重要发展方向是大量采用专用芯片，结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机的性能，比较典型的芯片有两类。一类芯片的核心是用硬件和微程序来保证步进电机实现合理的加减速过程，同时完成计长走步、正反转等。对于开环使用的步进电机，实现合理的加减速过程便可使其达到较高的运行频率而不失步或过冲。例如日本的PPMC101B便是这种芯片。采用这类专用集成电路，可驱动35相电机，可选择励磁方式；转速精确，设定的转速范围宽、加减速的过渡时间及上升陡度可根据负载选定；此外还有单步运转和不同的停止方式等功能。另一类芯片的核心是实现细分技术，例如日本东芝公司的TA7774H二相步进电机细分控制芯片，其内部集成了PWM斩波控制和函数型双极驱动电路细分控制功能。1.2.3国内驱动器发展概况步进电机系统由于发展较早，电机成本低、可靠性好、结构简单、驱动电源的成本不高，因而具有良好的市场竞争力，国内出现的经济型数控机床及其高档产品绝大多数使用步进电机系统作为伺服结构。常州德昌电子电器厂生产的DCH30806驱动器是三相混合式步进电机驱动器。驱动电为24V～70V，直流供电；正弦波细分恒流驱动；最大输出驱动电流6A/重庆理工大学毕业论文6相；最大30000步/转的十六种细分模式可选；输入信号光电隔离；可适应共阳、共阴、单/双脉冲多种模式；脱机保持功能；提供节能的自动半电流锁定功能。目前在步进电机的驱动技术上，采用斩波恒流驱动、细分驱动以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行快速性和运转精度，使步进电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。近年来，微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，使得步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛。功率开关管目前采用的功率场效应管(MOSFET)，与早先采用的大功率晶体管(GT助相比有很多优点。性能更加优越的绝缘栅极晶体管((IGBT)也已应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。而把IGBT驱动电路及保护电路等都集成在一起的智能IGBT功率模块，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前已开始应用于中、小功率步进电机的驱动。驱动技术方面现在应用较多的有斩波驱动、升频升压驱动等。步进电机驱动技术的一个重要发展方向是微步驱动技术，也叫步进电机细分驱动技术，步进电机细分驱动技术是二十世纪70年代中期发展起来的。步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。而步进电机的闭环控制也成为步进电机运动控制的发展方向。重庆理工大学毕业论文7第二章步进电动机及其驱动系统2.1步进电动机的结构及其工作原理步进电动机种类很多，按照它们的结构和工作原理可以划分为反应式（也称变磁阻式）电机、混合式电机、永磁式电机等三种主要型式，但是它们的基本作用原理相同，现在以三相反应式步进电动机为例说明其基本工作原理。三相反应式步进电机的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕着一相绕组，转子铁芯及定子极上均有小齿，定转子齿距通常相等，定转子间有很小的气隙，转子铁芯上没有绕组。其工作原理如图2.1所示：图2.1三相步进电机工作原理图当A相绕组通电，B、C二相绕组不通电时，电机内建立起以A-A′为轴线的磁场。转子将