步进电机驱动器的设计--毕业论文.doc

乌海职业技术学院电力工程系乌海职业技术学院电力工程系 2017 届毕业生毕业论文届毕业生毕业论文 题题 目：目：步进电机驱动器的设计步进电机驱动器的设计 作作 者：者：班班 级：级：学学 号：号：指指 导导 教教 师：师：年 月 日 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 摘摘 要要 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 步进电机控制研究背景.1 1.1.1 步进电机概述.1 1.1.2 步进电机的种类.2 1.1.3 两相混合式步进电机.3 1.2 步进电机驱动技术概述.3 1.2.1 步进电机驱动技术.4 1.2.2 细分驱动技术.5 1.3 国内外相关领域研究现状.6 1.4 课题研究的目的.7 第第 2 章章 两相混合步进电机驱动器的整体设计方案两相混合步进电机驱动器的整体设计方案.8 2.1 驱动器系统功能需求.9 2.2 驱动器系统硬件构架.10 2.3 两相混合步进电机驱动器软件系统构架.10 第第 3 章章 两相混合步进电机驱动器的硬件两相混合步进电机驱动器的硬件构成构成.12 3.1 单片机最小系统设计.12 3.2 电源处理电路设计.13 3.3 保护电路设计.14 3.4 主驱动电路设计.14 3.5 OC 门与光电隔离电路.16 第第 4 章章 两相混合步进电机驱动器的软件设计两相混合步进电机驱动器的软件设计.17 4.1 系统初始化及主流程.17 4.2 占空比寄存器.18 4.3 定时器 PWM 输出配置.19 第第 5 章章 关键技术处理关键技术处理.20 5.1 解决超调与功率管发热问题的 PWM 机制优化处理方法.20 5.2 电机驱动器可扩展处理技术.20 第第 6 章章 结结 论论.22 参考文献参考文献.23 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 致致 谢谢.24 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 摘 要 随猎微电子技术、计算机技术以及控制技术的不断发展，式步进电机的驱动技术的发展越来越快，步进电机的应用需求越来越大。步进电机不能直接接入电源进行工作，它必须使用专用设备进行驱动，因此.步进电机的运行性能除了受本身性能的影响外，很大程度上还取决于其驭动器的好坏。目前市场上的步进电机驱动器基本都是单电机的驱动器。即一个驱动器只能驱动一个步进电机，这样对于需要应用多台步进电机的场合.必须购买多台驱动器，这样无疑加大了生产成本和产品的空间体积。因此，对于步进电机控制系统而言，开发一套新型的能满足多路输出的高精度高稳定性步进电机驱动器器具有极其重要意义。关健词关健词:步进电机；单片机；可扩展性乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 1 第 1 章 绪 论 随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到了广泛的应用.步进电机是一种完成数字信号模拟信号转换的执行元件，它区别于其他控制用途电动机的最大特点是:能接收数字控制信号(电脉冲信号)，并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移.步进电机必须与相应的驱动电路配合使用，其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数，因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键.众所周知:电动机的各相绕组之间、定转子之间存在一定的强祸合，电磁关系也有较严重的非线性，但就其本质而言，对 I 台步进电机的控制，就是按一定的相序向其相线圈提供驱动信号，同时对各相电流进行控制，从而产生必要的转矩以驱动电机旋转.本文简要介绍三相反应式步进电机的一种驱动电路的设计.1.1 步进电机控制研究背景 1.1.1 步进电机控制研究背景 步进电机作为机电一体化的关键产品之一，有着广泛的应用。步进电机是一种根据电磁学原理，采用组合电进铁理论，利用定转子之间的磁场作用，将电脉冲转化为机械能的执行机构.在结构上，电动机定转子都采用凸极结构，各绕组之间的磁场彼此孤立。步进电是一种离散型自动化执行元件.以一定的步距角一步一步做增量运动，其转速和运行的距离不受负级变化的影响。只取决于给定脉冲信号的频率和数量。利用现代数字控制技术，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，实现准确的定位控制:同时可以通过改变脉冲频率和变化快慢来控制步进电机转动的速度与加速度，从而实现调速的目的.它含有以下优势:1)无累计误差.步进电机的每步精度在 30/u 5%之间，在不失步的前提下其的角位移和物入脉冲数严格成正比，不会将一步的误差积累到下一步，有较好的位 w精度和运动的重复性.2)动态响应快，有优秀的启停、反转响应。3)没有电刷，电机可书性高，寿命长。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 2 4)电机的响应由愉入的数字脉冲确定，可以开环控制，控制结构简单可靠，价格低廉。5)电机通电停转时候转矩最大，实现停止自锁。6)速度正比于脉冲频率，可调的转速范围宽:易于控制，只擂要控制给定脉冲的频率和个效.即可达到调速和精确定位的目的。正是由于这些优点，步进电机被广泛应用于自动控制系统中，是数字开环控制系统理想的执行元件。尤其是80 年代以后，随着徽处理器的发展和应用，给步进电动机的推广带来了广阔的前景.但是，在性能上步进电机也有明显的不足之处.1)控制不当容易发生共振和失步现象，且低速时嗓声比较大。2难以获得较大的转矩.3)高速时因力矩衰减容易造成失步。1.1.2 步进电机的种类 步进电机在构造上分为三种主要类型:反应式(Variable Reluctance，简称 VR)步进电机、永磁式(Permanent Magnet,简称 PM)步进电机和混合式(Hybrid Stepping，简称 HB)步进电机。反应式步进电动机又称变磁阻式步进电动机，依靠改变电机磁阻来产生电磁转矩，从而带动步进电机运行，是目前比较流行的一种电动机，其绕组位于定子上，转子由软磁材料组成。其结构简单、成本低、步距角小(步距角为 1.20)，但动态性能差、效率低、发热大，可命性差.反应式步进电机又分为单段式和多段式步进电机，单段式步进电机结构简单;多段式步进电机结构复杂.制造困难，工作特性差。水磁式步进电机的转子用永磁材料制成，动态性能好、抽出力矩大、定位梢度差、步矩角大(一般为 7.50 或 150).混合式步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，是目前十分流行的一种步进电机。其转子上采用永磁材料，定子上乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 3 含有多相绕组，按定子绕组又分为两相混合式步进电机、三相混合式步进电机和五相混合式步进电机。混合式步进电机的特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，配上驭动器后运行效果良好，尤其是两相混合式步进电机，其约占，97%的市场份领。1.1.3 两相混合步进电机 两相式混合式步进电机常见的定子有 4 个极和 8 个极，极面上均匀分布一定数且的小齿及控制绕组，各相控制绕组都可以双向通电，转子由永磁铁和两端开有齿槽的铁芯组成，两段铁芯错开半个齿距.转子齿距与定子小齿的齿距相等.同一段转子片子上所有齿都具有同向极性，而两块不同段的转子片的极性相反。混合式步进电机的轴向结构图如图 1-1 所示。图图 1-1 混合式步进电机的轴向结构图混合式步进电机的轴向结构图 1.2 步进电机驱动技术概述 步进电机不像普通的直流电机，不能直接接到交直流电源上进行工作，而必须使用专用控制系统设备进行驱动，步进电机运行的性能如输出力矩、运行频率等除了受其本身性能的影响外，还取决于驱动器控制系统的优劣。因此，步进电机的出现，步进电机驱动器也应运而生，它们的研究几乎是同步的，步进电机驱动器是步进电机运动控制的一个不可分割的整体。步进电机驱动系统一般由脉冲信号发生器、环形分配器、倍号处理与放大、推动级、功率驰动、电流检测与保护乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 4 电路等组成，如图 1-2 所示。图图 1-2 传统步进电机驱动器的基本组成部分传统步进电机驱动器的基本组成部分 脉冲信号发生器用来产生一定的方波或三角波等，环形分配器用来接收外部控制脉冲，井按要求的顺序产生控制步进电机各相绕组导通和截止的信号，从而决定步进电机的转向;信号处理是实现对输出信号的转换、合成和放大等，如实现SPWM 等特殊信号:推动级是对较小的信号进行放大，从而足以推动驱动电路:驱动电路一般为双极性驱动电路，如 H 桥电路，以满足定子磁极的极性交变;保护电路为过压、欠压、过温保护等保护驱动电路的安全。1.2.1 步进电机驱动技术 混合式步进电机的驱动技术在发展和成熟的过程中出现过各种各样的驱动电路、拓扑结构和驱动方式，其中包括单电压驱动、双电压驱动、斩波恒流驱动、调频调压奥动和细分驭动等。单电压驱动方式是指以一个恒定的电源电压对工作中的电机绕组进行供电。这种驱动方式存在共振区，需要串大功串电阻，功耗大，高频时带载能力不高，但是其低频响应较好、驱动电路简单、应用成本低廉 双电压 v 动的方式是电路使用高低压进行驱动，在导通前以高电压供电来提高电流的上升率，当上升到额定电流时，利用低电压和低压功率管给电机绕组进行供电，以维持额定电流的大小。这种驱动方式低频时嗓音大，共振现象仍然存在。斩波恒流驱动是目前步进电机应用.广泛的驱动方式之一，这种驱动方式以比电机额定电压高得多的电压供电，以加快绕组电流上升和衰减的速度，通过斩波脉冲信号发生器 环形分配器 信号处理与放大 推动级 功率驱动器 步进电机 电流采样与保护电路 MCU 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 5 的方式使电机绕组电流在高低频及顿定等工作状态中都保持领定值。这种方式提高了输出转矩，墓本消除了低频共振现象.调频调压驱动方式实现了电机在低速时绕组电流上升前沿较平缓的特性，从而降低了低频振动。其荃本思想是在驱动电路中增加比较电路和调压电路，使电机运行在低频时使用低电压驭动，高频时使用高电压驱动。这种驱动方式能在较宽的频率范围内运行，矩频特性也较好，但是线路比较复杂，而且针对不同的步进电机，需要输出电压与输入控制脉冲频率的特性进行重新调整。1.2.2 细分驱动技术 电机固有步距角”细分成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。其原理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为 0（绕组电流波形不再是近似方波，而是 N 级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有 N 个新的平衡位置（形成 N 个步距角）外对细分驱动技术的研究十分活跃，高性能的细分驱动电路，可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致，大大提高了步进电机的脉冲分辨率，减小或消除了震荡、噪声和转矩波动，使步进电机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用：在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器，则用户只需在驱动器上改变细分数，就可以大幅度改变实际步距角，步进电机的相数对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。细分技术与步进电机精度提高的关系：步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。细分对驱动器要有相当高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高。国内有一些驱动器采用对电机相电流进行“平滑”处理来取代细分，属于“假细分”，“平乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 6 滑”并不产生微步，会引起电机力矩的下降。真正的细分控制不但不会引起电机力矩的下降，相反，力矩会有所增加。细分是细分驱动的其中方法，恒流的实现常用斩波驱动，给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分，这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈，可以不需要反馈地实现电机的细分驱动，但是由于电机的反电势等的作用，正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流，效果没有电流细分好，但是它的驱动电路相对简单。可以提高电机的步进角分辨率，但是，这并不是细分驱动的初衷，而是为了减缓步进电机运转过程的震动和噪声，使电机的力矩输出更平稳。这像数码相机的光学变焦和数字变焦的关系，提高步进系统分辨率最好依靠电机本身和机械结构。在工程应用中，电机的细分数可能不同，在低速时，可增大细分数，当速度增加时，减少细分数。1.3 国内外相关领域研究现状 外多年以来，随着电力电子技术、微控制器技术、信号处理技术的飞速发展，步进电机驱动技术和驱动器的发展也十分迅速.20 世纪 60 年代初期人们就开始使用单电压驱动技术，随后为了改变单电压驱动高频特性又发明了高低压驱动技术。到 20 世纪 70 年代中期，人们发明了斩波驱动技术，通过斩波使步进电机绕组电流在电机工作时都保持恒定，增大了步进电机的转矩，基本消除了低频共振现象。之后人们又提出了对步进电机步距角细分的驱动方式，以及在此基础上依托于现今先进的单片机技术、DSP 技术和 FPGA 技术又产生电流矢量恒幅均匀旋转驱动技术和电压空间矢量调制(SVPWM)驱动技术 1975 年，美国学者 T.R 首次在美国增量运动控制系统对步进电机步距角细分的控制方法。自此以后，步进电机的细分驱动技术得到了长足的发展，井在实际中得到了广泛的应用叫.事实证明，步进电机驱动器利用细分驱动方式能很好的解决步进电机低频振动的问肠，提高电机运行的称定性，加强了控制的灵活性，l2006 年，英国利物浦约翰摩尔斯大学的学者提出的电压空间矢 PWM，分析了不同的空间矢盆 SVPWM 的五相逆变器及其应用于正弦绕组分布的五相电动机乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 7 的情况.2009 年，寨国普密莲国王理工学院设计井仿真了基于 FPGA 的多模式步进电机激励信号发生器。此外，近几年来，国外对步进电机的控制还致力于对集成驭动芯片的开发。市场上涌现了一大批体积小、性能高的驱动器系统集成芯片，如三洋公司开发生产的 PMM8713,PMM8723,PMM8714.SGS 公司生产的 L297 控制器和 L298 驱动器，日本新电元工业公司生产的 MTDI110(四相斩波驱动)和 MTD2001(两相、H桥、斩波驱动)、东芝公司生产的 TB6560AHQ 芯片以及 MOTOROLA 公司生产的 SAA 1042(四相)姐动芯片等 r26利用这些集成芯片，在加少盆的外围电路，就可以完成对一个体积小、性能高、功能齐全的步进电机驱动器的设计 1521.虽然这些驱动芯片有着很高的集成度和祖定性，但是难以对普通的步进电机都适用，例如 L297,L298 芯片只含脉冲分配和电流斩波，控制方式有限;ALLEGRO 公司的 UCN5804 芯片只适用于 4 相步进电机等。对于在集成驱动芯片的开发方面，国内与国外一些商家合资，如与日本合作开发生产了 THB7128.THB8128 等驱动芯片，但由于涉及到微电子技术、集成电路加工技术和电力电子技术的前沿技术，尤其是相对国外先进的控制算法，如空间圆弧插补、PVT 算法、样条插补、反向运动学算法、速度前瞻和轨迹拟合等1311 国内存在一定的差距。1.4 课题研究的目的 步进电机作为一种将电脉冲转化为角位移执行元件，是机电一体化的关键产品之一，它利用接收到的脉冲信号，驱动步进电机按预定的方向转动一个固定的角度，可以通过控制脉冲数来达到精确定位的目的，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。目前，步进电机尤其是两相混合式步进电机已广泛应用在各个国民经济领域的各种自动化控制系统中，而且需求 A 与日俱增.另外，步进电机的工作豁要使用专用的控制设备进行驱动，步进电机运行的性能除了受本身性能的影响外，还取决于驱动器的优劣。因此.乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 8 市场上对步进电机驱动器的需求也将越来越大，而且对其性能要求也越来越高.目前，市场上的两相混合式步进电机驱动器存在以下问皿:1)目前两相混合式步进电机驱动器一般都是单电机奥动器，即一个驱动器只能驱动一个步进电机，这祥对于需耍应用多台步进电机的场合，需要购买多台驱动器，加大了产品的生产成本和空间结构的体积。2)目前市场上的步进电机驱动器驱动两相混合式步进电机运转的最高转速一般限制在 500r/min 以内，转速再高时电机扭矩已经很小.不足以带动较大的负载，因此使用范围将受到大幅的限制.3)现有的步进电机细分驰动器驰动步进电机运行时仍存在低频振动和高频失步的问题，严重影晌了步进电机的使用稳定性和精度。针对以上问题，开发一欲新型的能满足 2 路以上(最多 4 路)输出的高精度与高稳定性的两相混合步进电机驱动器将很有必要而且很有愈义和市场前景。本课压项目就是由此而来的，课题的研究最终目的就是设计与实现一欲具有高精度与高稳定性的 2 路以上(最多4路)输出的两相混合式步进电机驱动器，适用于28-57系列的两相混合步进电机，且能运行稳定，电机定位精度高、高速输出扭矩恒定。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 9 第 2 章 两相混合步进电机驱动器的整体设计方案 本课题以 STM32FI03RST6 单片机为核心控制器件，实现 2 路以上(最多 4路)步进电机驱动器的设计。硬件部分由外部脉冲、方向、使能信号的输入隔离与滤波处理电路，按键液晶的处理单元，驱动功放电路、相电流的采样反馈电路、过温过流保护电路以及电派处理电路等组成，并由按健和，2864 液晶对步进电机的驱动电流、细分数等参数进行设定。软件部分主要由外部脉冲输入中断、基于电流矢里恒幅均匀旋转的 PWM 输出脉宽移相调整、相电流采样与 PI 调节等组成。2.1 对运行中高压隔离开关的要求 项目要求的步进电机驱动器应实现如下的功能:(1)驱动的电机数 I，通过扩展可同时塑动 4 路 24-57 系列四线制两相混合式步进电机。2)输入电压能适用于针对不同的步进电机所选用的不同供应电浑电压，输入电压范围 限布组为 24-64V.3)输出电流能针对不同的步进电机对相电流在 4.8A 范困内可调，通过液晶和按键处理，调整定时器输出 PWM 的占空比来实现.4)步进电机驱动细分数实现 1,2.4.8,16.32.64,128 每路可调，通过液晶和按链处理实现。5)电路含有过压、欠压、过沮、过流、电机绕组开路.通过指示灯以及液晶显示进行区别.过流、过压或过沮(大于电流、电压、工作沮度最大奋数的 20%)时自动关断输出，过压、过流保护后需重新上电才可恢复，过温时当沮度降到低到工作温度 时可恢复工作状态。6)减流功能，通过按键和液晶设置，在电机空闲时电流自动降为运行电流的50010.7）乃智能报错信号输出，任一路有过压、欠压、过温、过流、电机绕组开乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 10 路、程序跑等报警时，有指示灯以及液晶显示输出.2.2 驱动器系统硬件构架 图图 2-1 驱动器硬件系统框图驱动器硬件系统框图 项目设计的步进电机驱动器系统以 STM32FI03R8T6 单片机为主控制器，包含按键输入、LCD 显示、RC 滤波电路、光电隔离电路、保护电纬、“桥驱动功放电路和电源处理电路等。系统预先将步进电机每走一微步所对应的各相电流占空比寄存器值存于各单片机中.山按键及液品设定步进电机、细分数、相电流幅值以及自动减流参数等，由单片机定时器自动产生多路 PWM 信号(舟路步进电机对应 4 路 PWM 信号).再对采样电阻采样的反馈电流在程序进行 P1 调节处理，调竹单片机发出的 PWM 信号的占空比，从而调节电流的大小，驱动功率驱动电路.实现闭环跟踪控制，可通过外部脉冲、方向、使能等信控制各步进电机的正、反转和启停。硬件系统框图如图 2-1 所示。2.3 两相混合步进电机驱动器软件系统构架 软件设计遵服“模块化”设计原则，主要包含系统初始化模块、参数设定及LCD 显示模块、调用占空比寄存器班细分表模块、定时器 PWM 配置模块、AD采样模块以及等 P1 调节模块等。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 11 图图 2-2 软件系统构架图软件系统构架图 采样模块主要用来对步进电机各相电流进行实时采样反馈，如果采样电流偏离预期值过大则由报普模块提供报普信号由 LCD 输出，井且实施相应的措施，如切断定时器输出等。PI 调节模块用来对步进电机各相电流的 AD 采样数据进行处理比较，从而调整占空比寄存器的值，使输出电流能达到预期电流的效果。软件系统构如图 2-2 所示。扩展模块是通过按键和液晶进行扩展设定，设定之后使定时器 2 和定时器 3也作为 PWM 输出，用来控制步进电机的运行。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 12 第三章 两相混合步进电机驱动器的硬件构成 本章基于以上章节的分析以及从实践角度的考虑，对两相混合步进电机驱动器的硬件进行了设计，对步进电机驱动器设计的芯片进行选型，进而给出了硬件各个模块的功能及实现方法。目前，市场上用于步进电机驱动器开发的 MCU 主要包含 DSP,FPGA 和单片机。虽然 DSP 和 FPGA 芯片有强大的数据处理能力和高速的运行速度，但是其价格都比较昂贵，因此，基于成本考虑，电机驱动器的设计一般以含有高数据处理能力 16 位和 32 位的单片机为主，常见的如 STM32F 增强型系列和 PIC 系列单片机等。驱动电路一般以驱动芯片驱动 H 桥的构架为主，目前市场是越来越多集成的专用步进电机运动控制模块，将驱动芯片和 H 桥集成在一个芯片当中，虽然在使用时很方便，但是这种芯片一般都有一定的限制性，而且成本较高，同时会降低驱动器的适用性。因此，结合低成本、高功能、足够的技术储备、短暂的开发周期等原则，本课题采用 STM32F 增强型系列单片机作为主 MCU.采用分立元件搭建驱动电路。3.1 单片机最小系统设计 STM32F103R8T6 单片机最小系统及其外围电路原理图如 3-1 所示。属于中等容量增强型.32位基于ARM最新的Cortex-M3内核.带64 K字节闪存的微控制器，含有 USB.CAN.4 个定时器、2 个 ADC、9 个通信接口等丰畜的外设接口，具有价格低廉、运行速度快、数据处理能力强等特点，因此在电机控制方面有着广泛的应用。单片机的时钟信号含有内部振荡时钟和外部振荡时钟，STM32FI03R8T6 单片机系统时钟的选择是在启动时进行.复位时内部8MIlz的RC振荡器被选为默认的CPU 时钟，随后可以选样外部的、具失效监控的 4-16MIIz 时钟.品振电路就足为了给单片机提供一个统一的外部时钟信号，以供单片机实现同步工作方式。根据单片机的数据手册建议.在引脚 OCS IN 和 OCS OUT 之间跨接一个 8M 的晶体振荡器和两个 20p 的微调电容，从而构成晶体振荡电路。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 13 图图 3-1 单片机最小系统及外围电路图单片机最小系统及外围电路图 3.2 电源处理电路设计 驱动器的供电电压为 24V-64V，针对不同的步进电机使用不同的电源电压。而驱动器内部电路需要的电压值有 12V,5V,3.3V.驱动器系统要求的愉出电流最高位 4.8A，电源芯片采用 LM2596 和 LM 1117-3.3。因为 LM2596 的最高输入电压为 40V，而驱动器的电源电压要求能达到 64V。过压、过流和倒接的电路处理如图 3-2 所示。图图 3-2 电源处理电路电源处理电路 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 14 过压保护通过 TIP122,稳压二极管 1N4749A 和限流电限进行实现.TIP122 的愉入耐压能达到 IOOV.歧大电流 8A.1N4749A 的标称电压为 24V，将电源电压稳压到 24V 后给后续的 LM2596 供电，而电机的驱动电压由电源电压直接提供。过流保护采用常规的保险丝方式，保险丝选用自恢复式保险趁。反接保护采用反接二极管到地的方式，当电源反接时，二极管导通，电流直接经过二极管和保险丝，而不经过后级系统，以起到保护作用。3.3 保护电路设计 系统保护电路包括过压保护、欠压保护、相电流过流保护和过温保护等.电源电压的过压和过流保护采用稳压二极竹和自恢复保险性进行处理，详见电源处理电路设计部分。欠压保护通过单片机内置的供电枪渊器进行检测判断.以软件处理来实现对运行数据的保护。Mt1 电流过流保护通过对采样电流进行处理与设定电流位进行比较，通过比较结果控制电路的工作状态。过滥保护电路通过温度传感器 LM35CZ 来实现，LM35CZ 是枯密的摄氏温度传感器.其愉出电压线性的与温度成正比，额定温度范围达到-55-1500，功耗低于 605A。通过 LM35CZ 对驱动器温度进行采样转换为电压信号，再将电压信号进行滩波放大后与预设电压进行比较，从而控制 10 口的电平信号，检测是否过温，从而控制单片机的输出状态。3.4 主驱动电路设计 主控制器输出的PWM信号经过高速光电偶合器6NI37进行隔离后送入主驱动电路。主驱动电路是电机绕组与电力电子开关器件之间的桥梁，本项目采用双极性的电机驱动方式，驱动电路由桥式驱动芯片 1R21IOS 和 4 个 N 沟道的功率MOS 管 IRF64ON 组成的全桥驭动电路，如图 3-3 和 3-4 分别为 A+相和 A-相驱动电路，共同组成 A 相绕组驭动电路.IRF64ON 有纳秒级的快速开关速度，高达 200V 最大驱动电压，18A 最大驭动电流，导通电阻尽为 0.1512，功耗小，过载能力强，抗千扰能力强等特点。在驱动电阻上并联一个反向二极管(如 R6 上并的 DI)为快速恢复二极管，用以加快MOS 管的关断速度:在 MOSFET 的栅极和源极之间并联+15 V 的稳压管 IN4744乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 15 和 680 K 的电阻，以保护功率场效应管.并联一个电容 J 月来吸收杂散电容电压;同时在每个 MOS 管上都反向并联了一个快恢复二极管 ESID 作为续流作用以防止关断电机绕组时产生较大的反电动势;在每个 MOS 管的 DS 端都并一个 RCD缓冲电路，以减小功率管开关期间形成的超调现象。图图 3-3 主驱动电路主驱动电路 图图 3-4 主驱动电路图主驱动电路图 如图 3-4 所示，当 Q1 和 Q4 导通时，Q2 和 Q3 截至，电流经 Q1 电机绕组 Q4采样电阻到地:而当 Q1 和 Q4 截止，Q2 和 Q3 导通时，电流经 Q2 电机绕组 Q3到地，因此电机绕组中流过过两个方向相反的电流，即为 A+流向 A-和 A-流向A+两种。B 相驱动电路与 A 相的完全相同。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 16 3.5 OC 光门与光电隔离电路 当驱动器驱动两路步进电机时，单片机就需要输出 8 路 PWM 信号来驱动光耦的打开，因此.为了减小单片机的带载压力，增强单片机的带载能力，尤其是在当驱动器驱动多路步进电机时，电路中需要添加 OC 门驱动电路。项目中使用的 OC 门为 SN7407，用来驱动光拙 6N137。图 3-5 所示为 OC 门驭动电路及 A+相的光电隔离电路。图图 3-5 OC 门及光电隔离电路门及光电隔离电路 在光耦的输出端采用了一个型带通滤波电路，用来滤除纹波干扰，其中 R56提保持反相器输入端的电压值，以保证驱动能力。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 17 第 4 章 两相混合步进电机驱动器的软件设计 本课题以 STM32FI03RST6 单片机为核心控制器件，实现 2 路以上(最多 4路)步进电机驱动器的设计。硬件部分由外部脉冲、方向、使能信号的输入隔离与滤波处理电路，按键液晶的处理单元，驱动功放电路、相电流的采样反馈电路、过温过流保护电路以及电派处理电路等组成，并由按健和，2864 液晶对步进电机的驱动电流、细分数等参数进行设定。软件部分主要由外部脉冲输入中断、基于电流矢里恒幅均匀旋转的 PWM 输出脉宽移相调整、相电流采样与 PI 调节等组成。4.1 系统初始化及主流程求 系统初始化包括对系统主时钟、总线时钟 AP13I 与 APB2 的配置，GPIO 端口输入输出功能的配置，MOA 通道的配置等.图图 4-1 驱动器系统及中断处理器流程框图驱动器系统及中断处理器流程框图 系统主流程如图 4-1 所示。驱动器在初次使用或每次更换电机时需要对驱动器参数重新进行设定，包括相电流幅位设定、自检参数、减流参数等，然后进行自检校正。首先，通过按键及液晶对各步进电机的参数进行设定，参数设定保存后需要让系统进行自检.系统根据设定的参数以 60r/min 的转速让电机正反转各跑两圈.以实现对电机驱动系统的自检。在自检过程中.系统先根据设定值初步产生占空比乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 18 寄存器位细分表.再通过 AD 采样滤波检测电机相电流位，通过软件处理并调锥占空比细分表。自检完成后，保存细分表到/lash 当中。当系统运行时.由定时错 TIM 产生 A 相和相相位差 90的 PWM 信号，系统通过外部中断口对上位机 CP 的上升沿信号进行实时中断处理.在中断中调用自检调整保存的细分表调 9 PWM 输出信号的占空比值.从而驱动步进电机运行。系统再通过 AD 分时采样各个电机电流信号.通过中值滤波比较获取电流偏差，根据电流偏差进行 PI 调节，重新调整细分表中的占空比寄存器值.4.2 占空比寄存器 本课题项目设计的驱动器控制的步进电机的运行方向和绕组电流的大小实际由输出的 PWM 占空比的大小来决定。假设 PWM 的周期为 T,高电平占用时问为t.无死区时问.因此，PWM 的占空比 y=t/T，可得电机绕组平均电压，其中，V 为加在电机绕组上的电压值.当占空比为 500/a 时，在一个 PWM 周期内平均电压为。，平均电流歹 IR 也为。(R 为电机绕组阻值)，电机不转.当占空比高于 50%时实现了绕组电流的反向，从而控制步进电机绕组电流大小和方向，即控制步进电机运行的方向.占存比寄存器程序流程框图如图 4-2 所示 图图 4-2 占存比寄存器流程框图占存比寄存器流程框图 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 19 4.3 定时器 PWM 输出配置 单片机在接收到上位机使能信号后，由单片机定时器模块自动产生频率为20K,占空比为 50%的 PWM 信号，不影响其它程序的运行。此时步进电机属于锁住状态，只有得到上位机 CP 脉冲后步进电机才会转动.每个 STM32FI03R8T6 单片机含有 3 个通用定时器，一个高级定时器和一个滴稗定时器，通用定时器和高级定时器能分别产生 4 路占空比可调的 PWM 信号，然后恨据预存的占空比寄存器值对定时器的占空比寄存器进行重新装载，就可以产生相应变化规律的 PWM 波，经驱动功放后扶得相应的正弦驭动电流驭动步进.电机机的运行。定时器模块输出 PWM 波配置程序如下图 4-3 所示 图图 4-3PWM 波配置程序图波配置程序图 乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 20 第 5 章 关键技术处理 5.1 解决超调与功率管发热问题的 PWM 机制优化处理方法 为解决在驱动器在电机绕组电流切换向时产生浪涌超调与功率管发热的问题，项目在驱动电路续流方式上采用了缓慢续流棋式和快速续流模式混合的混合续流方式。所谓缓慢续流为两个高端功率管(或两个低端功率管)同时导通，低端功率管(成高端功率管)截止时，即在电机绕组短路时形成的续流，在此续流模式下，绕组电流波动小电机相电流与设定电流接近，可以有效提商步进电机的运行性能，降低功率管的开关损耗和磁滞损耗，减少发热，但该模式在电机中高速运行时，由于续流缓慢，造成负载电流不能快速下降而不能保证电流调节充分从而产生超调现象:快速续流摸式为当一侧的高端管(低端管)导通时，另一侧的低端管(高端管)导通，电流通过两个导通功率管及绕组对地形成快速放电模式，此模式一般用于电机快速运行时，此时电流衰减快，产生的电流纹波大，步进电机和高功率管发热增加，因此，为保证对电流有效跟踪反馈以及尽可能的降低开关扭耗，项目选用混合续流模式，根据控制的摇要选择快速或慢速续流模式，如下图，定时器 PWM 输出采用对中模式，这样在占空比调节时电机一相二端电压的高电平始终对齐，在一个周期内，电机一相两端的电压同为高或低时(Q1 与 Q2 导通或Q3 与 Q4 导通)实现了慢速续流，一端为高电平一端为低电平时(Q1 与 Q4 导通或Q3 与 Q2 导通)实现了快速续流，整个周期实现了混合续流.5.2 电机驱动器可扩展处理技术 一般设备对步进电机应用往往是多台应用.为了降低因使用多个步进电机的而增加的驱动器的成本.课越设计与实现的步进电机驭动可驭动两路电机.经过扩展乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 21 可最多驱动 4 路步进电机，以适应不同的应用场合。系统的扩展的只是扩展了电机功率驱动与 AD 采样部分，将功率驱动与 AD 采样部分做成模块化结构.插到 4 本部分扩展抽上。在荃本部分的扩展枯上，留有征一路的驭动信号，AD 采样返回俏号口.电源口.外部脉冲、方向、使能信号口以及数字地和模拟地接口。重要的是还有一个扩展使能口。重要的是还有一个扩展使能口。扩展槽与扩展驱动模块的接口信号如图 5-2 所示。图图 5-2 扩展槽接口信号扩展槽接口信号 扩展使能口与单片机 IO 口相连接，在不扩展情况下，该口是上拉处理，当扩展连接后，该口被拉低，当系统检测到该口为低电平时，调用相应的留有接口的封装程序。在程序里，系统对睡个初始化 MEN 文件及调表文件中都定义一个条件宏，以扩展槽使能口信号作为宏判断条件，当条件满足时(使能口信号为低，有扩展卡插入)程序执行扩展槽对应的同从本板上一样的电机驱动定时器、AD 功能、外部脉冲中断等初始化与配置程序以及摧本板对应配 w 程序;如果条件不满足则跳过扩展槽对应配置代码，只执行基本板上对应配置。从而实现驭动器的可扩展使用。乌海职业技术学院电力工程系毕业论文 22 第 6 章 结论 随着社会的进步与发展，尤其是随着徽电子技术、电力电子技术和计算机技术的发展，以工业自动化代替人工的趋势己经越来越明显，而步进电机作为工业控制的一种执行元件，机电一体化的关键产品之一势必将越来越受到人们的关注，其社会需求量将与日俱增。由于步进电机必须使用步进电机驱动器进行驱动，因此对步进电机驱动器的开发也将其有重要念义和广阔的市场前景。本文针对步进电机的运行特性进行和工作原理，指出了步进电机与传统 9动器在运行当中存在的共振、嗓声和精度低的问题，以及目前驱动器所能驭动的步进电机路数少、驱动的电机种类少的问题，提出了多路输出的高精度和高艳定性的两相混合步进电机骆动器的设计与实现方案，采用电流矢 t 恒幅均匀旋转的多细分控制技术，提高了两相混合步进电机的定位精度，降低了其在低速运行时的低频共振和嗓声现象。使步进电机运行平稳、平滑，实现了对多电机的输出控制。本课题针对目前步进电机应用中所存在的问题，设计了具有高精度和高稳定性的多路输出两相混合步进电机驱动器。课题设计驱动器硬件部分主要分为STM32F I03CST6 单片机的核心处理电路、信号的输入输出隔离电路、按键液晶的处理单元、驱动功放电路、相电流的采样反馈电路、过沮过流保护电路以及电源处理电路等.同时，针对一个驰动器可同时同步驱动多个步进电机的问题，提出了步进电机驱动器软硬件设计上的关键技术的处理方案以及可扩展多路输出的控制处理方案。全文的展开分为驱动器的整体设计方案、硬件设计、软件设计、关健技术处理以及调试处理等方面。首先对步进电机驱动器的功能豁求进行了分析，给出了驱动器的设计原理以及多路输出两相混合步进电机驱动器的总体设计构 架 和 系 统 软 件 设 计 方 案。然 后 对 步 进 电 机 驱 动 舒 主 控 制 芯 片 一-STM32FI03R8T6 单片机进行了介绍和研究，介绍了项目硬件设计中重要模块的相关理论与技术，井进行了硬件电路的设计与实现，同时分析了在硬件上如何对驱动器进行抗干扰的处理;在软件设计上，遵循便于扩展和便于维护的原则.采用“模块化”设计的方法设计了系统软件。总之，随着电力电子技术、微电子技术等的发展和应用，以及模糊控制等控制技术和策略的不断涌现，