三相步进电机驱动器设计毕业设计

毕业设计（论文）题目：三相步进电机驱动器设计学院：机电工程学院专业班级：机械工程及自动化03班指导教师：职称：学生姓名：学号：摘要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度,并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响,因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片ULN2003AN的性能、结构的基础上，结合AT89C52单片机，设计出了混合式步进电机驱动电路。关键词：步进电机，AT89C52单片机，ULN2003AN驱动AbstractSteppingmotorsisakindofwillconvertangulardisplacementorelectricalimpulsessignallinedisplacementofprecisionactuator,havefaststartandstopcharacteristics.Thedrivingspeedandinstructionspulsecanstrictlysynchronization,whichhashighrepositioningprecision,andcanrealizethepositive&negativeandsmoothadjustablespeed.Itsoperationspeedandstepdistancefromsupplyvoltagefluctuationandloadeffect,whichhavebeenwidelyappliedinanalog-to-digitalconversion,speedcontrolandthepositioncontrolsystem.Basedontheanalysisofthesteppermotordrivingcharacteristics,achopperconstant-currentsubdivideddrivingprincipleandhybridsteppingmotordrivechipULN2003ANtheperformance,structureinthefoundation,theunionAT89C52singlechipcomputer,designedahybridsteppingmotordrivercircuit.Keywords:Steppingmotor，AT89C52singlechipcomputer，ULN2003ANdriver第1章概述步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Steppingmotor、Pulsemotor或Stepperservo，其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机，其位移速度与脉冲频率成正比，位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成，可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场，该矢量场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此，控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压，转子就旋转一个步距角，称为一步。根据电压脉冲的分配方式，步进电机各相绕组的电流轮流切换，在供给连续脉冲时，就能一步一步地连续转动，从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高，步进电动机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国已经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得尤为重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语言或C语言进行软件开发，通过串行或并行通行的方式实现ｐｃ机与步进电机控制器之间的数据通信，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法。但是在有些应用场合，并不需要高精度的控制，而是需要在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰能力强，可靠性高等要求。本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，具有一定的应用价值。第2章步进电机工作原理由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设备----步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：2.1三相步进电机控制工作原理2.1.1步进电机的工作原理图1步进电机三相接线图如图1所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。如果给处于错齿状态的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大（即最小磁阻位置）位置转动，即向趋于对齿的状态转动。2.1.2步进电机的工作方式三相步进电机可以在三相单拍，三相双拍和三相六拍三种工作过方式下工作。在三相单三拍工作方式运行时，通电顺序为：A-B-C-A;三相双三拍工作方式运行时，通电顺序为：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式运行时，通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,因此要输出相应的控制字进行控制。2.1.3步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍,即A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相,即则电机就反转。其他方式情况类似。2.1.4步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感,即振动感。为了使电机转动平滑,减小振动,可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波,可以减小步进电机的步进角,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑,则需采用合适的锁定波形,产生锁定磁力矩,锁定步进电机的转轴,使步进电机的转轴不能自由转动。2.1.5步进电机的速度控制步进电动机运转的速度是由输入到A、B、C三相绕组的频率所决定的。脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。2.2步进电机的驱动控制技术在混合式步进电动机特点和工作原理的基础上，本章就步进电动机的驱动控制技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式:单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)和恒流斩波驱动的工作原理及优缺点，然后重点介绍了细分驱动方式的原理及其模型。2.2.1一般驱动系统的组成结构步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备——步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图2.1所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率的高低。信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还承担电平转换的作用。环形分配器信号放大与处理推动级驱动级保护图2.1步进电动机驱动器构成保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。2.2.2驱动器的特点为使步进电动机满足各种需要的输出，驱动级必须对电动机绕组提供足够的电压和电流，但步进电动机与一般电子设备的驱动有很多不同点，其主要表现在：1．各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的。2．电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。3．绕组断点时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止，必须设计适当的续流回落。绕组