3A、80V三相六拍步进电机驱动设计.docx

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1、任务与分析O1步进电机工作原理12总体设计方案22.1步进电机驱动方案的比较2单电压限流型驱动电路2凹凸压切换型驱动电路3斩波恒流驱动电路3调频调压驱动电路4细分驱动方式53步进电机驱动器电路原理图63.1 环形安排器的电路原理图6环形安排器的设计63.2 斩波恒流驱动电路原理图7及其驱动电路8信号反馈电路94功率器件的选择与计算104.1 功率半导体的选择104.2 相关元件的选择104.3 相关电阻值的计算105系统调试125.1仿真结果12总结14参考文献15摘要本文设计一种步进电动机斩波恒流驱动器。该电路采纳硬件环形安排器产生电脉冲，以IGBT作为驱动器的核心限制器件。其特点是限制性能

2、良好，有效提高步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性特性等。斩波恒驱动电路采纳IGBT为开关管。这是一种新型的全控型电压驱动式功率半导体器件。它集众多优点与一身，高耐压、大电流、高速、开关频率高、低饱和压降、高牢靠性。特别适合用来设计步进电动机的驱动器。步进电机驱动器依据其驱动方式可以分为如下几种：恒压驱动、凹凸压驱动、变频变压驱动以及斩波恒流驱动等。对于不同的驱动方式，电机的起动特性和运行特性是不同的。几种驱动方式相比，斩波恒流驱动具有高频响应性能好，榆出转矩匀称，无共振现象等优点，从而成为当今步进电机驱动的主要方式。步进电机的运用性能与它的驱动器有着亲密的关系，步进电机的恒流斩波驱动技

3、术从肯定程度上解决了步进电机运行中的一些问题，如电源效率低、电流波形差等。关键词：步进电机驱动器IGBT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。要求采纳集成触发环形安排器实现三相六拍的脉冲安排，功率驱动器则采纳斩波恒流驱动电路。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限制。1步进电机工作原理图1-1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

4、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17所示，定子内圆周匀称分布着六个磁极，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，故在这种状况下，转子必定转到图2-2（八）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

5、；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BC的依次给三相绕组轮番通电，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AABBBCCCA的依次给三相绕组轮番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（一个齿距角）。除此之，外还有三相双三排等方式。所以，采纳这种不同的通电方式可以获得更精确的限制特性。图2-22总体设计方案从步进电机

6、的工作原理可知，步进电动机绕组所加的电源是脉冲电压。而如何由限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限制系统如图2T所示。图2-1步进电动机限制系统框图其中限制信号输入限制脉冲，并且限制输入脉冲的频率及脉冲个数。环形安排器的主要功能是采集限制信号并将脉冲按肯定的规律安排到电动机的各项绕组上,环形安排器还能限制步进电机的通电方式。功率放大器则是设计的重点，其功能是将环形安排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安排器送来的限制脉冲电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组须要很大的电流才能驱动其转子旋转。一般采纳功率放大器将环形安

7、排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，步进电动器运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爱护问题等。因此步进电动机的驱动方案设计对步进电机的限制尤为重要。本组课程设计要求采纳斩波恒流驱动电路,这种驱动电路特别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、凹凸压驱动电路、调频调压驱动电路以及细分驱动电路，以下做简洁介绍及比较。2.2.1单电压限流型驱动电路如图27所示是步进电动机一相的驱动电路，这是一种简洁的驱动电路。其中1.是电动机绕组，晶体管VT可

8、以认为是一个无触点开关，它的志向工作状态应使电流流过绕组1.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，从而严峻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3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，电源电压全部着陆在绕组上，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截止时起续流和爱护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管

9、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运用受到了限制。2.2.2凹凸压切换型驱动电路为了使通电时绕组能快速到达设定电流，关断时绕组电流快速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了凹凸压驱动方式。如图2-2所示，Th、Tl分别为高压管和低压管，VhVl分别为凹凸压电源，Ih、Il分别为凹凸端的脉冲信号。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。凹凸压驱动可获得较好的高频特性，但

10、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，简洁引起振荡。可通过变更其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其限制电路较单电压困难，牢靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。+伞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：环形安排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,所以绕组中的电流快速上升。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，绕组中的电流马上下降，但刚降至额定值以下时

11、，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2-32. 2.4调频调压驱动电路无论是凹凸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，都采纳了提高供电电压、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

12、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实力。这就要求驱动电源对绕组供应的电压与电动机运行频率建立干脆联系，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意这一要求。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、调频调压限制和功率放大。电压一般与频率成线性关系。在志向条件下，保持步进电动机力矩不变，电源电压将随工作频率的上升而上升，随工作频率的下降而下降。调频调压限制部分由单片微机组成，依据要求由I/O输出步进限制信号，然后再到功放电路；I/O输出调压信号到开关调压部分。R21.1放大图2-42. 2.5细分驱动方式这是该系统采纳的驱

13、动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小，辨别率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；其次，减弱或消退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限制技术的一个飞跃。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，而是只变更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安排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

14、，如图所示。在这种状况下，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，或采纳公共负载的方法，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。在这种状况下，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安排器的电路原理图，其次部分则是斩波恒流驱动电路原理图。3.1环形安排器的电路原理图复位图3-13. 1.1环形安排器的设计如图3-1所示为本组设计的集成触发器型环形安排器

15、。为了实现步进电机三相六拍的通电方式环形安排器的主体采纳三个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=I时，A相绕组通电；当Qb=I时，B相绕组通电；QC=I时，C相绕组通电。W-和W+则是步进电动机的正、反转限制信号。当正转时开关SW4打向上端，W+=l,W-=O,各相通电依次为：A-AB-B-BC-C-CAo反转时开关SW4打向下端，W+=0,W-=I,各相通电依次为：A-AC-C-CB-B-BA0CP端输入脉冲信号。复位端输入复位脉冲。安排器的主体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，而且能敏捷地转换其他类型的触发器。jk触发器的工作原理是当J=l,K=O时，每输入一个时钟脉冲触发器置1一次；J=O,K=I时，每输入一个时钟脉冲触发器置O一次；J=K=O时，每输入一个时钟脉冲触发器置保持一次；J=K=I时，每输入一个时钟脉冲触发器置翻转一次；由环形安排器的电路原理图可得到环形安排器的逻辑状态真值表如表3-1所示，表中以正向安排为例，其中Cji=W+W.c，Cj2=W+g+W.Qa,Cj3=W+GW.O序号限制信号状态输出