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步進電機驅動控制系統(tǒng)設計
步進電機驅動控制系統(tǒng)設計
摘要
能實現(xiàn)步進電機的正轉、反轉、手動和自動控制。
步距角為1.5°或3°
已知步進電機的型號是36BF003（屬三相步進電機），工作相電壓的標稱值是27V，相電流的標稱值是1.5A，保持轉距是78mN·m 步距角為1.5°/3° 。
Protel99SE軟件的應用及仿真PCB板的制作。
關鍵詞：步進電機 功率放大電路 TWH8751 Protel99SE
目錄
一、設計目的、意義…………………………..…………………………第2頁
二、步進電機的工作原理…………………………………………………第2頁
三、步進電機的系統(tǒng)組成框圖……………………………………………第5頁
四、單元電路設計…………………………………………………………第6頁
五、步進電機供電電源電路設計………………………………………..第8頁
六、仿真及Protel實驗結果……………………………………………….第9頁
七、Protel99SE軟件介紹………………………………………………….第10頁
八、設計心得………………………………………………………………第11頁.
九、參考文獻………………………………………………………………第12頁
一、設計目的、意義：
1）了解步進電機的結構和工作原理。
2）掌握步進電機控制系統(tǒng)的設計方法及其調試技術。
3）能夠使用電路仿真軟件進行電路調試。
步進電機驅動控制系統(tǒng)設計內容
二、步進電機的工作原理
.步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓�位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 目前,生產(chǎn)步進電機的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大用戶在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
三相發(fā)電機主要是三相交流同步發(fā)電機。其轉子通常為直流勵磁線圈產(chǎn)生的電磁鐵，為發(fā)電機工作提供磁場。定子是在空間互差120度電角度的三相交流繞組（按照一定規(guī)律連接的線圈組稱為繞組）。
直流電且由原動機帶動三相同步發(fā)電機的轉子旋轉時，轉子磁場對定子的三相繞組有相對運動，定子的三相繞組就感應三相交流電。調節(jié)轉子線圈通入直流電流的大小，可以改變定子的三相繞組電壓的大小，改變原動機的轉速，可以改變定子的三相繞組電壓的頻率。
圖1
1、結構：如圖1所示， 電機轉子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：
2、旋轉： 如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力F與（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑 Br=N·I/RN·I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
三、步進電機的系統(tǒng)組成框圖
圖2 步進電機控制系統(tǒng)方框圖?
圖3微機控制步進電機系統(tǒng)結構圖?
圖4
四、單元電路設計
1功率放大電路設計
方案一 使用功率場效應管的單電壓功放電路
單電壓功率放大電路是步進電機控制中最簡單的一種驅動電路，圖示是一組繞組驅動電路的原理圖（其他各組饒相的驅動電路與此相同）。圖中，T是功率場效應管，L是步進電路一組繞組電感，R為場效應管的漏極限流電阻，D為續(xù)流二極管，為繞組提供放電回路。工作原理：當環(huán)形分配器輸出的信號為高平時，T飽和導通，繞組L中產(chǎn)生電流。
單電壓功率放大電路
電路原理如圖5所示。電路的電壓E一般選擇在10～100V左右，有的高達200V，這要視應用場合、步進電機的功率和實際要求而定。這是步進電機控制中最簡單的一種驅動電路。實質上它是一個簡單的反相器。晶體管T用作開關；L是步進電機的一相繞組電感；RL是繞組電阻；RC是外接電阻，也是限流電阻；D是續(xù)流二極管。?
圖5 步進電機一相繞組的開關電路圖
單電壓功率放大器的最大特點是結構簡單，缺點是工作效率低，高頻時效率尤其低。電阻RC消耗相當大的一部分能量，且RC的發(fā)熱直接影響電路的穩(wěn)定工作狀態(tài)，所以單電壓功率放大電路一般只用來驅動小功率步進電機。?
圖6示出了一種改進的單電壓功率放大電路。
圖6 改進的單電壓功率放大器電路圖
方案2 使用集成功率開關器件構成的斬波形功放電路
集成功率電子開關TWH8751可直接由TTL、CMOS等數(shù)字電路直接驅動，該器件開關速度快、工作頻率高、控制功率大、內部開關管反向擊穿電壓為100，加上散熱器后，通過的灌電流可達3A。其輸出管采用集電路開路方式，可以根據(jù)負載的要求選擇合適的電壓，片內還沒有過熱減流保護電路。
TWH8751的引腳如圖7所示
圖7
斬波型功率放大電路?
斬波平滑功放電路和工作原理如圖8所示。
斬波形功放電路與普通單電壓功放電路相比較，前者的工作頻率可提高30%左右，力矩可提高10%-25%。效率提高也非常顯著，在輸出功率相同的條件下，斬波電路的輸入功率為單電壓功放電路輸入的一半。
圖8 斬波平滑功放電路圖
五、步進電機供電電源電路設計
步進電機的標稱工作電壓為27V、相電流為1.5A——說明：步進電機的標稱電壓、電流值，并不是額定的電壓、電流值。在實際應用中，步進電機的電壓和電流值是可以根據(jù)需要來確定的，但不宜與這個標稱值相差太遠）。選用三端可調正穩(wěn)壓器CW338，對其調正端ADJ進行控制，則輸出電壓從1.2V到32V連續(xù)可調。CW338的最大輸出電流為5A，內部設有限流、過熱和安全保護。
其他CMOS集成電路采用+12V電源供電，可選用固定的三端集成穩(wěn)壓器LM7812提供。
CW338應用電路
六、仿真及Protel實驗結果
36BF003 圖9
CW338應用電路
七、Protel99SE軟件介紹：
protel99se 簡述
當我們學習了電路、模擬和數(shù)字電路之后，就應該把已學到的理論應用到實際中，加深理論的理解，提高自己應用的能力，而如何邁出這一步，通過學習使用protel99電路原理圖與電路板設計軟件，就為這一過程邁出重要的一步。從原理圖的設計、pcb電路版圖的設計制作焊接調試電子廠品研發(fā)走向成功，掌握電子工程師的基本技能。
protel99是一個電子設計自動化軟件，它具有強大的電路自動設計、編輯、管理能力。在電路原理圖的設計環(huán)境中，可完成從電路原理圖的設計、檢查、匯總報表、圖像輸出，并產(chǎn)生網(wǎng)絡表軟件，電路網(wǎng)絡表文件是電路原理圖轉換成電路板設計的一個橋梁。再PCB電路板設計環(huán)境中，可實現(xiàn)對pcb板自動布線、編輯、設計、檢查、匯總報表、圖紙輸出等功能。
pcd板圖
八、設計心得：
課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發(fā)展的日新日異，步進機已經(jīng)成為當今計算機應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握單片機的開發(fā)技術是十分重要的。
回顧起此次步進機課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說怎樣保護功放管不受損壞，怎樣掌握步進電機的工作電壓，如何控制三相繞組通電的次序……通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。
這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在指導老師的辛勤指導下，終于游逆而解。同時，在指導老師的身上我學得到很多實用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感謝！
九、參考文獻：
1、 談文心 鄧建國 張相臣 《高頻電子線路》 西安交通大學出版社 1996年10月第一版
2、 閻石 《數(shù)字電子技術基礎》 高等教育出版社 1998年11月第四版
3、 袁保生 畢滿清 《Protel99SE電路設計實驗指導》 中北大學信息工程系 2005年2月
4、何書森 何華斌. 《實用電子線路設計速成[M]》 福州:福建科學技術出版社 2004
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