3A80V三相六拍步进电机驱动设计Word格式.docx
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任务与分析
本组课程设计题目为3A/80V三相六拍步进电机驱动设计。
要求采用集成触发环形分配器实现三相六拍的脉冲分配，功率驱动器则采用斩波恒流驱动电路。
本课程设计的目的在于通过设计步进电机的驱动器，从而了解步进电机的工作原理及步进电机的四种基本驱动电路，并通过完成步进电机的斩波恒流驱动电路，提高步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性矩频特性，实现步进电机高效而又稳定的控制。
1步进电机工作原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。
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”），带动机械转动一小段角度。
步进电机按反应原理可分为：
反应式、永磁式、混合式，下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。
如图1-1所示，定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。
转子有四个齿。
A相绕组通电，B、C相不通电。
由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到图2-2（a）所示位置：
1、3齿与A、A′极对齐。
同理，B相通电时，转子会转过30°
角，2、4齿和B、B´
磁极轴线对齐，如图2-2（b）所示；
当C相通电时，转子再转过30°
角，1、3齿和C´
、C磁极轴线对齐，如图2-2（c）所示。
这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。
按A®
B®
C®
A®
……的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。
每一拍转过30°
（步距角），每个通电循环周期（3拍）转过90°
（一个齿距角）。
若按A®
AB®
BC®
CA的顺序给三相绕组轮流通电的方式称之为三相六拍工作方式。
即每一拍转过15°
（步距角），每个通电循环周期（3拍）转过45°
除此之，外还有三相双三排等方式。
所以，采用这种不同的通电方式可以获得更精确的控制特性。
图2-2
2总体设计方案
从步进电机的工作原理可知，步进电动机绕组所加的电源是脉冲电压。
而如何由控制信号产生能驱动步进电动机工作的脉冲电压则是本课程设计的主要任务。
我们设计的步进电动机控制系统如图2-1所示。
其中控制信号输入控制脉冲，并且控制输入脉冲的频率及脉冲个数。
环形分配器的主要功能是采集控制信号并将脉冲按一定的规律分配到电动机的各项绕组上，环形分配器还能控制步进电机的通电方式。
功率放大器则是设计的重点，其功能是将环形分配器产生的脉冲进行功率放大。
2.1步进电机驱动方案的比较
由环形分配器送来的控制脉冲电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组需要很大的电流才能驱动其转子旋转。
一般采用功率放大器将环形分配器送来的脉冲电流进行放大，且功率放大器的负载为步进电动机的绕组，是感性负载，故与一般功率放大器相比，步进电动器使用的功率驱动器有其特殊性，如电感比较大会影响快速性、感性负载会带来工功率管保护问题等。
因此步进电动机的驱动方案设计对步进电机的控制尤为重要。
本组课程设计要求采用斩波恒流驱动电路，这种驱动电路十分优秀能有效的提高步进电动机的运行性能。
但步进电机的驱动电路并非这一种，还有以单电压驱动电路、高低压驱动电路、调频调压驱动电路以及细分驱动电路，以下做简单介绍及比较。
2.2.1单电压限流型驱动电路
如图2-1所示是步进电动机一相的驱动电路，这是一种简单的驱动电路。
其中L是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L的波形尽可能接近矩形波。
但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数，须经过的时间后才能达到稳态电流。
由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严重影响电动机的启动频率。
为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻R，这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。
在电阻R两端并联电容C，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。
二极管V在晶体管VT截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻RD使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。
这种电路的缺点是R上有功率消耗。
为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。
2.2.2高低压切换型驱动电路
为了使通电时绕组能迅速到达设定电流，关断时绕组电流迅速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了高低压驱动方式。
如图2-2所示，Th、T1分别为高压管和低压管，Vh、V1分别为高低压电源，Ih、I1分别为高低端的脉冲信号。
在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。
高低压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，容易引起振荡。
可通过改变其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其控制电路较单电压复杂，可靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。
2.2.3斩波恒流驱动电路
斩波恒流驱动电路的原理和电流波形如图2-3所示，它的工作原理是：
环形分配放弃输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT、VT导通。
由于U电压较高，绕组回路又没有电阻，所以绕组中的电流迅速上升。
当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻R的反馈作用，经整形、放大后电流送至VT的基极，是VT截止。
截止绕组由U低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降至额定值以下时，由于采样电阻R的反馈作用，整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT导通，电流又上升。
如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动、呈锯齿状的电流波形，近似恒流，所以斩波电路也称为斩波恒流驱动电路。
锯齿波的频率可通过调整采样电阻R和整形电路的电器调整。
图2-3
2.2.4调频调压驱动电路
无论是高低压功放电路还是斩波恒流功放电路，为了提高驱动系统的高频响应，都采用了提高供电电压、加快电流上升前沿的措施。
但是，这些措施一般都会带来低频振动家具的不良后果。
从原理上讲，为了减小低频振动，低速时绕组电流上升的前沿应较为平缓，这样才能使转子在达到新的稳定平衡位置时不产生过冲。
而在高速时电流则应有较为陡的前沿，以产生足够的绕组电流，这样才能提高步进电动机的负载能力。
这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系，即低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。
调频调压驱动方式可以较好的满足这一要求。
调频调压驱动电路如图2-4所示，它可分成三部分：
开关调压、调频调压控制和功率放大。
电压一般与频率成线性关系。
在理想条件下，保持步进电动机力矩不变，电源电压将随工作频率的升高而升高，随工作频率的下降而下降。
调频调压控制部分由单片微机组成，根据要求由I/O输出步进控制信号，然后再到功放电路；
I/O输出调压信号到开关调压部分。
图2-4
2.2.5细分驱动方式
这是该系统采用的驱动方法。
细分驱动最主要的优点是步距角变小，分辨率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；
其次，减弱或消除了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。
可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与控制技术的一个飞跃。
细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只改变相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。
细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。
目前实现阶梯波供电的方法有：
（1）先发达后叠加。
这种方法就是讲通过细分环形分配器嗦形成的各个等幅等宽的脉冲分别进行放大，然后再步进电动机绕组中叠加起来形成阶梯波，如图所示。
在这种情况下，驱动电动机的功率管工作开关状态，效率较高，但用的元件较多，体积大，因此适用于大功率步进电动机。
（2）先叠加后放大。
这种方法利用运算放大器来叠加，或采用公共负载的方法，把方波合成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机，如图所示。
在这种情况下，驱动电路的功率管工作放大区，损耗较大，因此只适用于小功率步进电动机。
3步进电机驱动器电路原理图
本驱动器的电路原理图分为两大部分，第一部分是集成触发器型环形分配器的电路原理图，第二部分则是斩波恒流驱动电路原理图。
3.1环形分配器的电路原理图
图3-1
3.1.1环形分配器的设计
如图3-1所示为本组设计的集成触发器型环形分配器。
为了实现步进电机三相六拍的通电方式环形分配器的主体采用三个J-K触发器。
三个J-K触发器的Q输出端分别各自的功放线路与步进电动机A、B、C三相绕组连接。
当Qa=1时，A相绕组通电；
当Qb=1时，B相绕组通电；
Qc=1时，C相绕组通电。
W-和W+则是步进电动机的正、反转控制信号。
当正转时开关SW4打向上端，W+=1，W-=0，各相通电顺序为：
A-AB-B-BC-C-CA。
反转时开关SW4打向下端，W+=0，W-=1，各相通电顺序为：
A-AC-C-CB-B-BA。
Cp端输入脉冲信号。
复位端输入复位脉冲。
分配器的主体JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。
JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。
在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。
jk触发器的工作原理是当J=1，K=0时，每输入一个时钟脉冲触发器置1一次；
J=0，K=1时，每输入一个时钟脉冲触发器置0一次；
J=K=0时，每输入一个时钟脉冲触发器置保持一次；
J=K=1时，每输入一个时钟脉冲触发器置翻转一次；
由环形分配器的电路原理图可得到环形分配器的逻辑状态真值表如表3-1所示，表中以正向分配为例，其中CJ1=W+
+W-
，CJ2=W+
，CJ3=W+
。
序号
控制信号状态
输出状态
导电绕组
Cj1Cj2Cj3
QAQBQC
110
100
A
1
010
AB
2
011
B
3
001
4
101
C
5
CA
6
表3-1
3.2斩波恒流驱动电路原理图
如图3-2所示为本组设计的步进电动机一相绕组的斩波恒流驱动电路。
其工作原理是：
环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若脉冲为正，经过光电隔离与放大驱动Q2和Q5导通，高电压加在电机绕组L1上使电流增加，当电流增大至额定电流以上时，采样电阻R2上的电压增高，使电压比
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