两相步进电机驱动器设计解读

两相步进电机驱动器设计目录第1章绪论31.1引言31.2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52.1步进电机的介绍52.2步进电机的特点62.3步进电机的分类62.4步进电机运动特性及性能参数72.5设计方案的确定82.6设计思想与设计原理9第3章单元电路的设计93.1方波产生电路设计93.2 信号的分配133.3功率放大电路设计153.4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191.1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。脉冲控制器环形分配器功率放大驱动电路步进电机图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 去控制步进电机各相驱动线路。由于单片机的强大功能，还可设计大量的外围电 路，键盘作为一个外部中断源，设置了步进电机正转、反转、档次、停止等功能， 采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对步进电机的最佳控 制，显示器及时显示正转、反转速度等状态。环形分配器其功能由单片机系统实 现，采用软件编程的办法实现脉冲的分配。第2章2.1步进电机介绍步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距 角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控 制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机 转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特 种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。2.2.步进电机特点（1）旋转角度与输入脉冲成比例，角度误差小，不会产生积累误差。（2）利用输入脉冲频率高低可做转速调整。（3）由于精度高，可采用开环控制，避免使用复杂的反馈控制电路，成本 低。（4）电动机的动态反应快，起动、停止、加速、减速、正反转反应快，容 易控制。（5）可以直接带负载低速运行，不必接减速器。（6）结构简单，可靠性高，使用寿命长。（7）在低速和共振区时可能产生振动和噪声，细分步距角可减轻震荡。（8）有可能产生失步现象。步进电动机有一个起动频率，电动机起动时，如果输入脉冲过高，电动机来 不及获得足够能量，转子跟不上旋转磁场速度，会引起失步。提高电动机转矩， 减小步距角，减小负载转动惯量都将可以提高电动机起动频率。制动和突然转向时，转子获得过多能量，产生严重过冲，引起失步。过快加 速或减速时，也可能引起失步。2.3.步进电机分类（1）可变磁阻式（VR型）步进电机该类电动机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制成的齿型转子进 行步进驱动，故又称作反应式步进电动机，其定子与转子分别由铁心构成。定子 上嵌有线圈，转子朝定子间磁阻最小方向转动，并由此而得名为可变磁阻型。（2）永磁式（PM型）步进电机PM型进电动机的转子采用永久磁铁，定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电， 建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电动机由于采 用了永久磁铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用作 定位驱动。（3）混合式（HB型）步进电机这种电动机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是PM型步进电动机，但从定子 和转子的导磁体来看，又和VR型相似，所以是PM型和VR型相结合的一种形式， 故称为混合性步进电动机。他不仅具有VR型步进电动机步距角小、响应频率高 的优点，而且还具有PM型步进电动机励磁功率小、效率高的优点。2.4.步进电机运动特性及性能参数（1）分辨力在一个电脉冲作用下，步进电动机转子转过的角位移即步距角a。（2）矩-角特性图2.1矩-角特性（3）启动频率步进电动机能够不失步起动的最高脉冲频率成为起动频率。所谓失步是转子 前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。（4）最高工作频率步进电动机起动后，将脉冲频率逐步升高，在额定负载下，电动机能 不失步正常运行的极限频率为最高工作频率。（5）转矩-工作频率特性步进电动机转动后，其输出转矩随工作频率增高而下降，当输出转矩下降到一定程度是，步进电动机就不能正常工作。图2.2转矩-工作频率特性J1J2J32.5设计方案的确定方波产生电路脉冲环形分功率敢大电路配电路图2.3步进电机驱动器整体框图2.6设计思想与设计原理它由方波产生电路，脉冲环形分配电路和功率放大电路三大主要电路组成。 方波产生电路主要为脉冲环形分配电路提供方波脉冲信号，使得驱动信号发生电 路输出四相驱动信号，经过功率放大电路，为电机提供足够的电流，从而控制电 机的运转。第3章在本次设计中，要进行以下几个单元电路的设计：第一，方波产生电路；第二，环形计数电路；第三，功率放大电路。以下的篇幅将对上述电路分别进行设 计及原理阐述。3.1万波产生电路设计方波产生电路的功能很简单，就是为后续电路提供方波脉冲。结合数电教材 上的理论知识，很容易想到用555定时器来构成方波产生器。555定时器内部结构的简化原理图和引脚图如图2所示。它由3个阻值为5 千欧的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJT T以及缓冲器G组成。VccRdTRTHGND1OFT Ed图3.1 555定时器原理图和引脚图555为一 8脚封装的器件，其各引脚的名称和作用如下:1脚一GND,接地脚2脚一TL,低电平触发端3脚一Q,电路的输出端4脚一/RD,复位端，低电平有效5脚一V_C,电压控制端6脚一TH,阈值输入端7脚一DIS,放电端8脚一VCC,电源电压端，其电压范围为：318V定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJT 的状态。图中4为复位输入端，当4为低电平时，不管其他输入端的状态如何， 输出V0为低电平。因此在正常工作时，应将其接高电平。由图可知当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。当V62/3Vcc,V21/3Vcc时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0,放电三极管T导通,输出端V0为低电平。当V62/3Vcc,V21/3Vcc时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平，基本 RS触发器被置1,放电三极管T截止,输出端V0为高电平。当V61/3Vcc时，基本RS触发器R=1,S=1,触发器状态不变，电路亦 保持原状态不变。其功能表如表1所示。表表1555定时器功能表输入输 出UZ1叱F状态XX0导通cc1y导通cc1不变不变Xcc1叱H截止鉴于555定时器的工作原理，我设计出的方波信号产生电路的电路图如图3.2所示。R2R/200 kOhm/50%R1 kOhmR41 kOhmVOR3kOhmD1D2酬萨既a7HDEDLrrTHRRESODNC11 uFC20.01 uF图3.2方波信号产生电路其工作原理：接通电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc 时，触发器被复位同时放电BJT导通，此时V0为低电平，电容C1通过R2和T 放电，使Vc下降。当Vc下降到1/3Vcc时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。电容器C1放电所需时间为t1=0.7R2C当C放电结束时，T截止,Vcc将通过R1和R2向电容器C1充电，Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为t2=0.7(R1+R2)C当Vc上升到2/3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得 到一个周期性的方波，其频率为f=1/(t1+t2)=1.43/(R1+2R2)C通过调节R2，改变频率的大小，从而改变电机的转速。3.2信号的分配脉冲分配器的作用是产生多路顺序脉冲信号，它可以由多种译码器和计数器 构成。(1) 脉冲分配器的选用脉冲分配器选用环形脉冲计数器。环形计数器的特点是可以循环移位，也就是说计数位溢出后又可以从初值开 始计数，并且可以锁存循环次数。(2) 脉冲分配器的设计由于只需要获得两相脉冲信号，故只需要两个寄存器就能完成脉冲分配。此 处采用D型触发器完成。CP即脉冲信号的输入端Y0，Q1、Q0分别为两相脉冲信号的输出端。1) 逻辑表达式Q1 = D,QO=D2）状态转换表Q1nQ0nD001001011表1.状态转换表3）二值移位寄存器结构图FF0、FF1即两个D触发器，触发器的端口未完全画出DO01图3.3寄存器结构图4）时序图CPCYO)图3.4时序图3.3功率放大电路设计脉冲信号的放大采用的是脉冲功率放大器，脉冲功率放大器是实现控 制信号与步进电机匹配的重要组件。（1）步进电机放大电路的要求1）能提供幅值足够、前后沿较陡的励磁电流步进电机的绕组是一个铁芯电感线圈。在一个脉冲方波引起的接通与 断开中，由于存在过渡过程，实际的电流平均值比理想的方波小，从而造 成输出转矩下降的特点。当脉冲频率增高时，其运行时的矩-频特性变软； 而当绕组断电时，电流不立即消失，出现对转向下一步阻尼，也使得输出 转矩及工作频率下降。所以驱动电路应设法提供尽量接近方波的驱动电流。2）功率小、效率高3）运行稳定可靠，成本低且便于维修(2)功率放大电路设计该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大，从而足够驱动两相步进电机。该部分电路图如图7所示。程机电薄o.iurLOOuFKnhpi图3.5功率放大电路至此，方波信号产生电路，脉冲环形分配电路，功率放大电路三大主要单元 电路都已设计完成。3.4总体设计经过以上分析，我们将各部分电路连接，并加以适当控制，即得到了两相步进电机驱动器的总体电路图，总体电路图如图8图3.6步进电机驱动器总体电路图第4章设计方案的论证本次设计结束，就本次课设所设计的电路，从几个方面简单给与论证。（1）正确性。虽然设计的电路不算很复杂，主要只包括三个单元电路：方 波信号产生单元电路，环形分配单元电路，功率放大单元电路。但要正确的设计 出电路也不是非常简单的事，从电路的仿真结果来看，设计的步进电机驱动电路 的正确性得到证实。（2）简单性。这里所说的简单性并不是越简单越好，开始做课设时查了一 些相关资料，也有很多别人设计的电路，由于当时对所要设计的电路原理不是非 常清楚，于是先模仿别人的电路设计，但后来发现一点，并不是电路看上去越复 杂越好，只要能够满足设计的要求，应该是越简单越好。本次设计的电路就比较 简单清楚。（3）功能性。在达到了正确性和简单性的基础上，电路的功能性就体现出 来了，它具有课设所需要的所有功能：实现电机正转/反转控制和转速控制，通 过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，从而获得所需的转角、 转速及转动方向，实现步进电机的单相或双相激励。第5章心得体会经过三周的机电一体化课程设计，我觉得我收获相当大，在这个实践环节中 学到了很多知识，同时也提高了自身的实践能力。在这次机电一体化课程设计 中我发现了很多问题，对于出现的问题，我们就的去翻阅以前的专业书籍来复习， 以前学的大多是理论性极强的东西，而这次却遇到了一个实际的应用问题。在课 程设计开始之前，我就从图书馆找相关参考资料，当在课程设计中遇到难以解决 的问题的时候，我会晚上回宿舍上网查阅问题的解决办法。在设计过程中，我遇 到不懂的问题，我会主动和同学一起探讨或请教老师，所有的渠道都在想办法解 决疑问，为的是把问题尽快的解决。设计过程中，我深刻地认识到，在运用四年 所学的专业知识来解决实际问题时，却很难找到突破口。原因就在于我们用在实 践上的时间太少了，还不能熟练地将所学的理论知识应用于实际中，还有就是缺 乏一个完整的知识体系，以前所学的知识没有在学完之后进行归纳总结，对机械 类和电子类的知识分别进行总结，只有这样才能形成自己的知识体系，在面对像 机电一体化这样的综合性问题时才能有步骤地进行解决。此外，我学会了电子电 路设计软件PROTEL，从电路原理图的设计，到PCB板的设计等等，初步掌握了 该软件的使用及实际的应用，为以后从事相关的工作打下了良好的基础。最后 衷心地感谢老师们的热心指导！第6章参考文献：1 徐安静.数字电子技术.修订版.北京:清华大学出版社20082 阎石.数字电子技术基础.第五版.北京:高等教育出版社20063 余孟尝.数字电子技术基础简明教程.第三版.北京:高等教育出版社 20064 胡宴如.模拟电子技术.第二版.北京：高等教育出版社，20085 康华光.电子技术基础（数字部分）.第四版.北京:高等教育出版社 20056 童诗白.模拟电子技术基础.第四版.北京:高等教育出版社20087 周明安，朱光忠，宋晓华等.步进电机驱动技术发展及现状.J.机电工程技术，2005