两相步进电机驱动器设计解读

1、 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 1 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

2、.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2 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

3、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

4、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

5、电路、功率放大驱动电路。系统组成如图 1.1 所示。 功率环脉步 3 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4。该方案多通过一些大规模集成电路来只要控制策略正确电机不可能轻易失步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

6、，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

7、 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

8、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4 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。 章第 22.1 步进电机介绍 步进电机

9、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。 步进电机特点 2.2.（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

10、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。 5 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

11、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。 型）步进电机 PM（2）永磁式（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。 型）步进电机）混合式（HB（3 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

12、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。 6 步进电机运动特性及性能参数 2.4. ）分辨力（1 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 。 角特性-（2）矩 角特性-2.1 矩图（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。 ）最高工作频率 4（ 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

13、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7 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 J1J2J3 2.5 设计方案的确定 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。使得驱动信号发生电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，从而控制电为电机提供足够的电流，路输出四相驱动信号，经过功率放大电路， 机的运转。 章第 3 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8 二，环

14、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 方波产生电路设计 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。 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GND,接地脚 2 脚TL,低电平触发端 9 3 脚Q,电

15、路的输出端 4 脚/RD,复位端，低电平有效 5 脚V_C,电压控制端 6 脚TH,阈值输入端 7 脚DIS，放电端 8 脚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

16、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 1 555 定时器功能表 10 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 555 鉴于 所示。3.2 方波信号产生电路图 3.2 3Vcc2/Vc 上升，当 Vc 上升到 C1 其工作原理：接通电源后，电容被充电，TR2通过和

17、V0 时，触发器被复位同时放电 BJT 导通，此时为低电平，电容 C1 翻转为高电平。V03Vcc1VcVc 放电，使下降。当下降到/时，触发器又被置位，11 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。

18、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 12 ）状态转换表 2 n Q1n Q0D0 0 1 0 0 1 0 1 1 状态转换表表 1.1. 3）二值移位寄存器结构图 FF0、FF1

19、即两个 D 触发器，触发器的端口未完全画出 图 3.3 寄存器结构图 4） 时序图 13 时序图图 3.4 功率放大电路设计 3.3 脉冲功率放大器是实现控脉冲信号的放大采用的是脉冲功率放大器， 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 （ ）能提供幅值足够、前后沿较陡的励磁电流 1 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，从而造频特性变软；-成输出转矩下降的特点。当脉冲频率增高时，其运行时的矩而当绕组断电时，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

20、提供尽量接近方波的驱动电流。 ）功率小、效率高 2 3）运行稳定可靠，成本低且便于维修14 ）功率放大电路设计（2 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。 7 该部分电路图如图所示。 功率放大电路 3.5 图 15 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。 总体设计 3.4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 16 17 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

21、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