步进电机驱动技术的研究 大工 奥鹏.doc

大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 网络教育学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 步进电机驱动技术的研究 学习中心： 层 次： 专科起点本科 专 业： 年 级： 年 春/秋 季 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： 年 月 日II步进电机驱动技术的研究内容摘要步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电元件，与其它类型电机相比具有易于精确控制、无累积误差等优点，在众多领域应用广泛。步进电机的使用离不开步进电机驱动器，步进电机的运行性能与步进电机的驱动器的优劣密切相关。本文在分析步进电机特点及其驱动系统的基础上，主要对混合式步进电机的驱动技术进行了研究。由于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，所以对步进电动机的驱动技术进行应用性研究，不仅具有较高的现实意义，而且具有极大的经济价值。关键词：步进电机；驱动技术；混合式步进电机目 录内容摘要I引 言11 步进电机基础知识31.1 步进电机概述31.2 步进电机的特点31.3 步进电机的应用51.4 步进电机发展趋势52 步进电机驱动技术62.1步进电机驱动技术概述62.2步进电机驱动系统的组成62.3混合式步进电机驱动方式73 总结11参考文献12引 言步进电机作为一种执行机构，是机电一体化的关键产品之一，广泛的应用在各个计算机控制的自动系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求和应用量与日俱增。步进电机突出的优点是它可以在宽广的频率范围内，通过过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制等，并且由其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可靠，因此在众多领域有着极其广泛的应用。近年来，随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛。我国的步进电机行业起步较早，并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色，目前，仍有许多国内用户使用反应式步进电机。混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好，在发达国家中，越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。步进电机驱动技术的发展也十分迅速。我国步进电机的应用虽然起步较早，但其驱动技术的发展相对落后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。国内仍有不少用户沿用已被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式，驱动器电路中使用分立元件居多，可靠性差，且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐。目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小。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(GTR)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。步进电机作为数字式执行元件，具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长期累积等优点，被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。在多种步进电机中，混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。步进电机多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。失步和震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，步进电动机和与之配套的驱动器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。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。这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了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。获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款1 步进电机基础知识1.1 步进电机概述 步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为 Stepper motor、Stepping motor 或 Stepper等。它是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机，由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，步进电机就移动一步。这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别，它是步进式运动的，所以称为步进电动机。又因其绕组上所加的电源式脉冲电压，有时也称它为脉冲电动机。 步进电机受脉冲信号控制，它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速，并能快速起动、制动和反转。所以，电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。它每转一周都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距误差不会长期积累。这些特点使它广泛使用于数字控制的开环系统中，并使整个系统大为简化而又运行可靠。 步进电机有多种不同的结构，主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。近 20 多年来，步进电机驱动技术和电机结构都得到了很大的发展，逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的，其综合了该两类步进电机的特点，因而性能更好。 国外步进电机研究较早，步进电机驱动技术的研究成果也很多，如今正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。我国步进电机的研究及制造始于上世纪 50 年代后期，对步进电机精确模型也做了大量研究工作，如今，各种步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用。1.2 步进电机的特点步进电机系统由步进电机本体、步进电机驱动器、逻辑电路和控制器四大部分组成。其系统框图如图 1.1 所示：步进电路驱动电路逻辑电路控制器图 1.1 步进电机系统框图步进电机具有自身的特点，归纳起来有: (1)步进电机最大特征是能够简单的做到高精度的定位控制: 以 5 相步进电机为例，其定位基本单位(分辨率或称步距角)为 0.72(整步)/0.36(半步)，是非常小的;停止定位精度误差皆在每步 35%以内，且无累积误差，故可达到高精度的定位控制。 (2)位置及速度控制简便: 步进电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活的角度控制(位置控制)。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围内平滑调节。 (3)可以直接进行开环控制: 因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。 (4)高可靠性: 获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款 (5)定位保持力矩: 1.3 步进电机的应用通常选择步进电机时我们希望步进电机的输出转矩大、启动频率和运行频率高、步距误差小等等。首先应考虑的是系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量（每输入一个脉冲使被控制对象产生的位移）小。但脉冲当量太小，要求的减速比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。故应兼顾精度与速度。经过长期的发展，步进电机的应用已渗透到数字控制的各个领域，尤其在数控机械中广泛利用了其开环控制的特点。近年来，随着微电子技术、大功率电力电子期间及驱动技术的进步，步进电机在办公自动化机器、工业机械和计算机外设等领域作为控制用电机和驱动用电机被广泛使用。1.4 步进电机发展趋势步进电机今后的发展，依赖于新材料的应用，设计手段的，以及与驱动技术的最佳匹配。首先，精确的分析和设计，模型的建立和完善，是一项重要的基础研究，至今还有许多工作要做，它可以为各类问题的深入分析提供基础，为优化设计指出方向。其次，随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展，步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用，尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。最后，电力电子技术、微电子技术的发展，高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用，同时驱动技术改进的作用也不容忽视，特别是微步驱动技术的应用和成熟，对步进电机的设计和发展产生了很多的影响，也提出了一系列研究的新课题和新方向。2 步进电机驱动技术2.1步进电机驱动技术概述步进电机的工作必须使用专用设备步进电机驱动器。驱动器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。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的三大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器的优劣。当电机和负载已经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法。 步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等。2.2步进电机驱动系统的组成获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款2.3混合式步进电机驱动方式混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现各式各样的驱动电路拓扑结构和驱动方式。根据主电路结构的不同可以分为单电压极性驱动、双电压极性驱动、全桥和多相桥驱动根据驱动方式的不同又可以分为单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、细分驱动等。2.3.1 双极性驱动器与单极性驱动器混合式步进电机要求双极性供电，也就是要求电机励磁绕组有时通正向电流，有时通反向电流。在步进电机发展的初期，电子技术发展水平有限，为了简化驱动电路，采用单极性电路。将电机绕组采用双线并绕，一相绕组分成两相，其中之一正向通电，另一向则反向通电，这样可以单极性供电而达到正、反向励磁的目的。缺点是每次只使用一半的绕组，中低速运行时的转矩不如整个绕组励磁的电机，而且电机的引线过多，两相电机需要六个引出端，三相电机需要九个引出端，五相电机则需要十五个引出端，使得单极性驱动器与三、五相电机之间连线太复杂，因此仅限于两相混合式步进电机。图 2.1 H桥驱动逆变电路随着电力电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱动电路的实现变得容易，成本增加也不是很多，因此现在绝大多数的混合式步进电机使用双极性驱动。对电机绕组双向供电的典型结构是 H桥式逆变电路，如图 2.10 所示，开关管 T1、T4 导通时，T2、T3 截止时，电流经 T1、电机绕组和 T4到地，开关管 T1、T4 截止时，T2、T3 导通时，电流经 T2、电机绕组和 T3到地，可见电流方向相反。D1、D2、D3和 D4 四个二极管组成续流回路。电机每一相绕组需四只开关管驱动，驱动器成本比较高。 五相电机需要 20 只功率管，如图 2.2 所示。获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款图 2.2 H桥驱动的五相步进电机逆变电路使用多相桥驱动则可以减少一半晶体管，如图 2.3 所示。获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款图2.3 多相桥驱动五相步进电机逆变电路2.3.2斩波恒流驱动方式2.3.3 升频升压驱动方式2.5.4 细分驱动技术 获取完整word格式文档或者论文代写请联系：QQ 248173788电话们是在校研究生，同时也一直写各个专业的奥鹏论文，直接跟我们联系，省去了找他们代写网站上的受他们剥削，所以我们代写价格最便宜，我们承诺您可以通过之后再付款3 总结步进电机不能直接接到交直流电源上工作，必须由专门的驱动电源供给的。本文主要介绍了步进电机驱动电路的系统组成、分类和特点。详细阐述了混合式步进电机的单极性与双极性驱动、恒流斩波驱动、升频升压驱动、细分驱动以及五相混合式步进电机的驱动方式，比较和分析了各种驱动技术的优缺点。随着步进电机及其控制技术的不断完善，步进电机在