步进电机驱动设计开题报告.docx
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步进电机驱动设计开题报告
毕业设计/论文
开题报告
课题名称步进电机驱动器设计
院 系机电与自动化学院
专业班电气工程及其自动化
姓 名
评分
指导教师
毕业设计开题报告撰写要求
1.开题报告主要内容
1）课题设计的目的和意义；
2）课题设计的主要内容；
3）设计方案；
4）实施计划。
5）主要参考文献：
不少于5篇，其中外文文献不少于1篇。
2．撰写开题报告时，所选课题的课题名称也不得多于25个汉字，课题设计份量要适当，设计中必须是自己的设计内容。
3.开题报告的字数不少于2000字（艺术类专业不少于1000字），格式按《华中科技大学本科毕业设计/论文撰写规范》的要求撰写。
4.指导教师和责任单位必须审查签字。
5．开题报告单独装订，本附件为封面，后续表格请从网上下载并用A4纸打印后填写。
6.此开题报告适用于全校各专业，部分特殊专业需要变更的，由所在系在基础上提出调整方案，报学校审批后执行。
华中科技大学学生毕业论文开题报告
学生姓名
学号
专业班级
电气工程及其自动化
系别
机电与自动化学院
指导教师
职称
课题名称
步进电机驱动器设计
1课题设计的目的和意义
1.11.1课题设计的目的
战后全球社会经济发展的历史经验证明，一个国家的实力及其繁荣，主要取决于其制造业所能提供的产品与劳务的竞争力。
我国与工业化国家的技术差距主要是制造技术方面的差距。
制造是人类最古老的生产活动之一，18世纪中叶的工业革命促进了现代工业化生产的出现，19世纪电气技术的发展和20世纪初内燃机的发明，引发了制造业的革命，流水线生产和泰勒式工作制得到广泛的应用，二战期间，大批大量的制造技术有了很大的发展。
二战后50年来，计算机、微电子、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控（NC）、计算机数控（CNC）、柔性制造单元（FMC），柔性制造系统（FMC）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）等多项先进制造模式。
制造业正经历着一场新的技术革命。
而作为机械制造技术中主要发展方向的精密加工技术是集测量学、微电子学、近代光学、控制论和信息论等先进技术与机械制造技术相融合的一门交叉学科，是现代许多尖端技术和国防技术赖以存在和发展的基础，代表了一个国家科技发展的水平。
因而许多国家竞相发展精密加工及超精密加工技术，可以说，精密机械制造技术的水平在很大程度上将成为衡量一个国家科技水平的标志。
现代机械制造技术是一个多技术紧密结合的技术族，其中数控技术是实现其最终目标的基础，它的发展和运用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。
目前世界各国都在大力发展数控技术，而且国外的数控加工系统在精度和自动化的程度上都达到了很高的水平。
经历了几个五年计划的努力，我国的数控系统已经取得了很大的发展，六五期间的技术引进，七五期间的消化吸收，到八五末，我国已经自行研制开发了适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。
但是，由于我国许多团体的影响，我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，利用率也不高。
经济型数控在我国占有比较重要的地位，并起了很大的作用，它以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。
计表明：
八五期间，国内采用交、直流伺服驱动系统的数控机床仅占数控机床总数的15%左右，其余80%以上的数控机床则是采用步进电机作为执行元件。
采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。
在经济型数控系统中，有南京微分电机厂、南京大方股份有限公司生产的JWK系列、常州宝马集团公司生产的BK系统、上海开通机电科技公司开发的KT—400—K等，这些企业除了进一步提高系统的可靠性外，还在步进电动机的驱动电源控制技术、半闭环或闭环控制技术、各种专用的机械控制系统等方面进行研究开发，具有较好的市场前景。
1.2课题设计的意义
在步进电机产生后的几十年里，随着控制技术及电子电路技术的提高，步进电机的驱动电源也有了长足的进展，从单电压驱动直到步进电机的细分驱动，这些电源与当时的技术条件等密切相关，它们各有自己的优缺点，但总的来说，早期的晶体管单电压驱动已趋于淘汰，而代之以高性能的恒流或细分驱动电源。
近几年出现的步进电机恒流驱动技术，由于其极大的改善了驱动电流波形，而且取消了单电压驱动电路中的限流电阻，使驱动性能得到了极大提高，减少了电源功耗，在近几年研制的步进电机驱动电路中，基本上都用了恒流驱动技术，如各种斩波电路，PWM恒流驱动电路等。
而细分驱动技术由于它在不改变电机本体结构的前提下，使步进电机的分辨率得到提高，而且可以减轻系统振荡，提高电机矩频特性等优点，使其在步进电机驱动技术中独树一帜，具有很大的发展前途。
我设计了一套包括控制器、环形分配器和功率放大器在内的步进电机斩波驱动器，该驱动器包括比较完善的信号隔离及保护环节，特别是其环形分配器的设计，采用了新型的可编程逻辑器件GAL设计，使其具有灵活、可靠、体积小且实时性强的优点．经实验验证，该驱动器绕组电流上升速度快，关断迅速，电流波形较好。
整机运行性能较好，能满足工件加工的速度及精度要求。
2课题设计的主要内容
（1）设计一套完整的步进电机斩波驱动器，包括斩波驱动的电流功放级、环形分配器设计及控制器设计，并通过理论及实验的方法对所设计的斩波驱动器进行各项运动性能指标的测量验证。
（2）对步进电机的细分驱动原理进行详尽的分析，设计一套步进电机细分驱动器，包括功放电路设计、产生细分阶梯波电流的细分环形分配器的设计和控制器的设计。
（3）根据设计进行实验研究。
3研究方法
（1）恒流斩波的步进电机驱动电源功率驱动部分原理图如图3-1示
图3-1功率驱动部分一相电路原理
如原理图3-1所示，由单片机输入低电平控制信号，经反相器N1后输出为高电平，N2，N3同时输出我低电平，则光电藕合器D1，D2的光敏三极管导通，使A点和B点同时输出为低电平，N4及N5为达林顿反相驱动阵列，其输出变为高电平，使三极管T1，T2，T3同时导通，从而推动大功率管T4，T5导通，使电压＋Vｘ加到电机绕组L，由于在电机绕组中主回路阻抗较小，绕组电流迅速上升，在很短的时间内即可达到规定的电流值，当采样电阻Rf上的电压降到某一规定数值时，光电藕合器D3的发光二极管导通，从而使其光敏三极管导通，其输出也由高电平跃变为低电平，加到与非门N2上，使其输出变为高电平，D1截止，N4输出低电平，使T1，T3截止，T4截止，绕组回路停止供电，则电机绕组回路中的电流通过续流回路进行泄放，绕组电流值下降，当电流下降到某一下限时，采样电阻Rf检测到的电压降下降到不足以使D3的发光二极管导通，其输出变为高电平，又使N2输出低电平，并最终使T4重新导通，绕组电流重又上升，从而使电机绕组中的电流维持在某一规定的范围之内，在额定值附近作上下波动，实现绕组电流恒流斩波的目的。
为了改善电流波形的后沿即下降沿，我们在电路设计中设计有两个续流泄放回路，见原理图3-1所示，其中一个是由L，D4和+Vｘ构成的泄放回路，另一个为由D5，L,T5构成的泄放回路。
于步进电机的绕组属于电感性负载，其内部电流不能实现突变，如果不加入适当的电流泄放回路，将会使绕组中的电流在较长的时间内存在，使绕组流波形变差，从而使驱动电源的性能变差。
在电路中通过加入两条电流泄放回路，使在该相绕组控制信号关断时，能够使绕组中的电流通过两条泄放回路加快泄放，极大的改善了绕组电流波形。
特别是第一条泄放回路，在控制信号关断时，即T4截止时，相当于在绕组上施加了一个-Vｘ的电压，加快了绕组电流的泄放速度同时由于在电流泄放时使绕组电流向电源泄放，也提高了电源的效率。
（2）斩波驱动器的环形分配器设计
设计时，我们采用的步进电机为110BF003三相反应式步进电机，该电机的驱动脉冲时序如表3-1：
表3-1三相反应式步进电机的脉冲时序表
运行方式
励磁方式
正转
反转
A
B
C
A
B
C
1-2
相
励
磁
1
2
3
4
5
6
2相
励磁
1
2
3
三相反应式步进电机在三相六拍方式运行时可以到较好的运行性能，所以在设计时我们采用1-2相励磁方式。
由上表可以看出，三相绕组在1-2相励磁时其规律为：
A-AB-B-BC-C-CA-A
设计时为方便计，依次计上述六拍为a，b，c，d，e，f.并设高电平有效，则这六个状态分别为:
a=100;b=110;c=010;d=011;e=001;f=101;
另外，根据使用的要求，在设计时还应另设几个控制信号:
①启停信号S:
设S=0启动;S=1停止保持
②正反转控制信号D:
设D=l反转;D=0正转
③初态重置信号R:
设R=0初态重置:
R=1运行
（3）步进电机的升降频控制
由于启动频率和停止频率的存在，若要求步进电机高速工作，就必须采用一定的升降频控制方法。
由于脉冲计数法较之于程序计时法有更多的优点，如它考虑了步进电机的动态特性，且其快速性也较好，所以在软件设计时我们采用了脉冲计数法。
到目前为止，在升降频控制中，所采用的升降频函数曲线多种多样，例如，线加速相结合的方法等。
步进电机以直线形式加速时，卜其计算简单，加速时间最短，但由于加速段和平稳运行段连接处出现斜率突变，步进电机容易出现冲击振荡现象；步进电机以指数或抛物线形式加速时，其平稳性较好，但计算复杂，加速时间较长;比较几种加速方法的优缺点，在实际使用中，我们采用的是直线加速与抛物线加速相结合的方法。
f（Hz）
fcC2
f2
f1L
f0C1
t0t1t2tct
图3-2步进电机升速曲线
设步进电机的升速过程如图3-2所示，升速曲线共由3段组成，第一、三段为抛物线，第二段为直线。
设直线段L方程为:
f（t）=at+c（a为直线段加速度），而C1和C2段为抛物线，
C1:
f（t）=b（t-t0）2+f0（1-1）
C2:
f（t）=b（t-tc）2+fc（1-2）
为使步进电机运行平稳，应使各段加速曲线之间过渡平稳的斜率及函数值均应相等，由此即可得出各段曲线的参数。
设fc-f2=fl-f0=Sf=0.05X（fc-f0）（1-3）
对曲线C1有:
（1-4）
（1-5）
利用各段曲线的f^-t函数关系式，对f（t）函数进行积分，即可得到各段曲线所对应的脉冲数:
（1-6）
（1-7）
（1-8）
则加速段的总脉冲数为:
P=Pct+PL+Pc2（1-9）
利用脉冲计数法的方法，选定每个频率阶梯所需的脉冲数δP，即可得出。
加速段的频率阶梯数:
N=P/δP（1-10）
结合各段曲线的方程和δP，即可反推出各频率阶梯所对应的频率值，将此频率值转化为相应的定时器的时间常数，装入定时器，即可使用。
4实施计划
（1）第1~4周：
查阅资料，翻译外文资料，撰写开题报告。
（2）第4周：
开题报告答辩。
（3）第5~10周：
进行毕业设计的理论研究、方案设计、软硬件设计、实验测试。
（4）第11周：
对前期理论工作及软硬件设计做初步检查。
（5）第11~13周：
撰写毕业设计论文并完成初槁。
（6）第14~15周：
送指导老师检查，批改。
后修改论文并定稿。
（7）第15周：
毕业设计答辩资格审查。
（8）第16周：
毕业设计答辩，最终完成毕业设计。
5主要参考文献
[1]张伯鹏等.先进制造技术基础研究现状及发展趋势.中国机械工程出版社：
1997.
[2]王隆太.先进制造技术介绍.机械科学与技术出版社：
1997年2月.
[3]叶佩青等.数控技术的现状及发展策略.机械科学与技术出版社：
1997年3月.
[4]王鸿钮.步进电机控制技术入门.同济大学出版社:
1990年.
[5]李忠杰等.步进电动机应用技术.机械工业出版社:
1988年.
[6]BillGreen."SteporServo:
makingtherightchoice".PowerTransmissionDesign:
NO.51992.
指导教师意见
指导教师签字：
年月日
答辩小组意见：
组长签字：
年月日
教研室审查意见：
教研室负责人签字：
年月日
院系审查意见：
院系负责人签字：
（公章）
年月日
（此表由学生填写，指导教师、答辩小组、教研室、院系签署意见）
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