三相步进电机驱动器设计毕业设计论文(编辑修改稿)

三相步进电机驱动器设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。 4．电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。 由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。 驱动级线路，既要保证绕组有足 够的电流电压及正确的波形，同时要保证功率放大器件的安全运行，另外，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。 这就必须要设计合理的线路，选用合适的功率器件。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应功率管的复合管以及各种功率模块等。 目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动 (包括单电压串电阻驱动 )、双电压驱动 (包括高低压驱动 )、斩波恒流驱动和细分驱动等。 以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点。 将在后面详细介绍细分驱动 方式。 步进电动机驱动技术分析 单电压驱动 单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。 其原理图如图 所示，前面推动级输出信号 In 作用于三极管的基级，其集电极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。 因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。 归结起来，单电压驱动器有如下特点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速下降。 图 单电压驱动的原理图 图 的原理图 单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数  较大，致使导通时绕组电流上升较慢、使电机在导通脉宽 T 接近  时绕组电流迅速下降。 由于LR ，故要减小电气时间常数  的方法是减小绕组的电感 L 或增加绕组回路的电阻 R。 对于确定的步进电动机，绕组电感已经确定。 因此在电路中只有用增加回路电阻的方法。 即单电压串电阻驱动，其原理 图如图 所示。 单电压串电阻驱动的主要缺点是损耗大，效率低。 对比前述单电压驱动，其导通时铜损为 2iR，而串电阻后的导通铜损为 2()si R R ，所以电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上。 双电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段用较高电压驱动，原理线路见图 所示。 电源直接接到由大功率管 HT 和二极管 LD 组成的电源转换开关上。 当 HT 关断时，低压电源 LU 通过 LD 给电路提供驱动电压，当 HT 导通时，高压电源 HU 通过 HT 给电路提供驱动电压， LD 处于 反向截止状态，低压电源自动停止供电。 图 双电压驱动的原理图 高低压驱动的原理线路如图 所示，初看起来，与双电压驱动电路似乎差别不大，但实际上工作过程截然不同。 图中所示为每相的单元线路。 主回路由高压管 HT 、电动机绕组、低压管 LT 串联而成。 HU 加高压， LU 加低电压，电动机绕组回路不串电阻。 在每相导通期间，低压管输入信号 LI 与高压管输入信号 HI 见图 所示。 当 LI 为高电平时，该相导通；当 LI 为低电平时，该相截止。 高压管的输入信号 HI 是由 LI 信号的前沿信号获得的， HI 前沿与 LI 同步。 但脉冲宽度要比 LI 小得多，高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩，因此驱动系统可得到较高的响应。 图 高低压驱动的原理图 第三章 .步进电机系统硬件设计 本设计的硬件电路只要包括控制电路、单片机最小系统、驱动电路、显示电路 四大部分。 最小系统只要是为了使单片机正常工作。 控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。 显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。 驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。 系统总体设计方框图如图 41 所示 从该系统的设计 要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常 89C51 单片机 复位电路 键盘控制电路 ULN2803 启动电路 步进 电机 状态显示电路 电源及时钟电路 图 41 总体设计方框图 IH IL t t 0 0 图 高低压管输入信号 用加减按钮控制速度，这样只要 2 根口线，再加上一根方向线盒一根启动信号线共需要 4根输入线。 系统的输出线与步进电机的绕组数有关。 这 里选 进电机，该电机共有四相绕组，工作电压为 +5V，可以个单片机共用一个电源。 步进电机的四相绕组用 P1 口的 ～ 控制，由于 P1口驱动能力不够，因而用一片 2803 增加驱动能力。 用 P0 口控制第一数码管用于显示正反转，用 P2 口控制第二个数码管用于显示转速等级。 数码管采用共阳的。 单片机最小系统 单片机最小系统或者称为最小应用系统，素。