步进电机驱动系统课程设计研究

1、摘要：针对应用型本科电气专业的特点与要求，为适应电气领域新的发展方向，增强学生实 践动手能力，新开设了 “电气控制课程设计”课程新项目，针对其中的步进电机驱动系统这 个设计题目，给出了全部设计项目参考内容及指导事项，该设计项目软硬件兼顾， 难易适中，比较适合一个两周的课程设计的工作量。关键词：步进电机驱动系统；课程设计；软硬件；gal作者简介：孙冠群（1974-）,男，河北沫水人，中国计量学院现代科技学院，讲师；陈卫民（1972-）,男，江西广丰人，中国计量学院机电工程学院，副教授。中图分类号：g642.0文献标识码：a文章编号：1007-0079 （2013） 14-0055-02课程设计是

2、典型的实践类课程，它对培养学生的实践动手能力非常重要，是典型的理论 联系实际的教学形式。电气控制课程设计是很多高校应用型电气专业本科阶段一门重要的实践课程，该课程设 计针对电力电子及电机控制方向开设题目。近年来，随着全社会电机控制应用领域的发展变 化，为适应此种新形式，同时又要适宜高校教学的实际情况，对该课程设计题目进行了改革，设计了 “步进电机驱动系统”课程设计题目，该题目工作量适中、软硬件兼顾，可充分锻炼 学生的实践动手能力。本文给出了步进电动机驱动系统软硬件设计的典型案例，在教学中此案例分阶段逐步向 学生公开。一、 设计背景步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此，其具有瞬间起

3、动与急速停止 的优越特性。与其他驱动元件相比，步进电动机通常不需要反馈就能对位移或速度的精确控 制信号执行动作，它输出的转角或位移精度高，误差不会积累。由于属于开环控制，控制系 统结构简单，一般也与多类数字设备兼容，价格便宜。其广泛用于简易数控机床、送料机构、 仪器仪表、光电变换驱动等领域。二、 设计步骤及要求第一，学生事先需查阅有关资料，学习并熟悉步进电动机及其基本控制原理。第二，针对四相步进电动机，在教师指导下确定系统总体实现方案，并熟悉总体驱动控 制原理。第三，利用eda设计软件（如protel99se）,设计四相步进电动机驱动器硬件电路原理 图，并与指导教师协商后确定电路原理图。第四，

4、查阅有关资料，熟悉相关元器件，尤其是涉及脉冲分配的芯片（如gal器件）；编 写四相步进电动机驱动用双四拍脉冲分配软件，并烧录程序。第五，焊接调试主控芯片（如gal）电路，重点调试其基本逻辑关系以及正/反转、起停控制信号。第六，查阅有关资料，熟悉隔离与整形放大器（如光耦、功率放大集成器件）电路结构 原理，焊接剩余部分全部电路。第七，调试系统电路，要求电机可变脉冲频率调速。第八，依据查阅的参考资料、设计原理及具体实现方案、调试的实验数据及其他结果结 论，认真撰写课程设计报告。三、 设计原理1.概述（1）电动机。步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的机电执行元件。每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，

5、故称为步进电动机或脉冲马达。它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。步进电动机可以作为一种控制用的特种电机，由于其没有积 累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。本课程设计选用四相绕组结构的 永磁式小型步进电动机。(2)变频脉冲信号。 变频信号源是一个脉冲频率能由几hz到几十khz连续变化的脉冲信号发生器，常见的有多谐振荡器和单结晶体器构成的弛张振荡器，它们都是通过调节r和c的大小，以改变充放电的时间常数，得到各种频率的脉冲信号。本课程设计所需的变频脉冲信号由专用脉冲发生器提供。

6、(3)脉冲分配。脉冲分配器又称环形分配器， 它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉 冲，通过功率放大器加到步进电动机的各相绕组，使步进电动机按一定的方式运行，并实现 正反转控制和定位。脉冲分配器的功能可以用硬件来实现，也可以用软件来实现。本课程设 计的推荐方案采用数字逻辑器件，通过编写逻辑软件程序实现。(4)功率放大。功率放大器的作用是将脉冲发生器的输出脉冲进行功率放大，给步进电动机相绕组提供足够的电流，驱动步进电动机正常工作。一般小型步进电动机常用mosfet功率放大集成电路实现。2.设计原理实现(1)总体电路设计。步进电动机可选用常见12vdc供电的四相永磁式步进电动机。变频脉冲信号选用常用

7、的函数(脉冲)发生器，可方便得到各种频率的脉冲信号。脉冲分配器采用gal16v8(或pal16v8 )器件，采用数字逻辑即fm法编程实现脉冲信号的分配。功率驱动部分，因设计所用步进电动机绕组电流较小，采用uln2003达林顿晶体管可满足功率要求。光耦建议选用til113,它是一款较高速的具有一定线性度的光耦放大器，可避免大电流窜入控制电路部分，另外比起一些常规的光耦，其可通过较高的脉冲频率，并在合理范围内具有 相当的线性度。总体电路原理图见图1。该电路的cp脉冲即为输入的可变频率的数字脉冲，可实现启/停快速控制、正/反转调节等。全案也仅需一套直流电源电路产生+12vdc和+5vdc。下面分别介

8、绍各个部分的设计原理。(2)脉冲分配器。步进电动机各相绕组是按一定的节拍，依次轮流通电工作的。为此， 需用脉冲分配器将脉冲按规定的通电方式分配到各相。我们选用四相双四拍，即任何瞬时有两相符合运行所需扭矩要求的绕组通电产生扭矩。设a、b、c、d分别表示四相步进电动机的四相绕组，正转方式为ab-bc-cd-da-ab，反转方式为ab- da- cd- bc-ab,则其状态真值表如表1所示。 表中，当reset=1时复位，当reset=0时电动机起动。f表示运行方向，f=1时正转，f=0时反转。a1、b1、c1、d1分别表示前一状态的输出；a2、b2、c2、d2分别表示下一状态的输出。根据真值表得逻

9、辑表达式如下：根据gal16v8的管脚配置图，应用protel提供的pld语言编辑器，用fm法编程(或rebel ),合并正反向、使能端，可得到以下完整程序：(3)功率放大电路。 在gal16v8脉冲分配器和uln2003功率放大电路之间加入光电耦合 器件til113，用来起到电气隔离作用， 隔离电动机启动、冲击电流等干扰信号对gal的影响， 确保驱动系统的安全稳定。但加入此光耦后缺点是其输出速度变低，最高频率降低，使电动机的调速范围不高。特别指出的是，采用该光耦后，通过实验，该光耦频率最高要控制在200hz以内，通过核算，在设计调试中脉冲发生器提供的最高频率要低于800hz。功率放大所需ul

10、n2003是由7个npn型大电压、大电流的达林顿管组成，所有单元都内 部集成了序列二极管。输出电压-0.5v到50v,输出最大电流可达0.5a ,完全符合本设计的要求。因为步进电动机只有四相，只需选用其中的四个输入端。四、调试所需工具：数字万用表、数字示波器、测速表、脉冲信号发生器、+5v与+12v直流电源、 接示波器电源所需的隔离变压器等。调试重点内容：测试gal器件的输入输出信号；测试光耦两侧信号；测试uln2003输出 驱动信号与gal逻辑信号的一致性；通过给定脉冲信号频率，核算电动机速度值，并与实测 值比较，给出误差分析结论。注意事项：启动时给定脉冲频率不高于400hz ;数字示波器所接220vac电源需经隔离变压器。五、分组说明本设计由一个工作团队共同完成，每个团队三人，各有侧重，具体分工由三位学生协商 决定，其中:学生一：主要负责“设计要求”中的 学生二：主要负责“设计要求”中的 学生三：主要负责“设计要求”中的六、设计报告说明课程设计报告要有前言、系