烏海職業(yè)技術學院電力工程系畢業(yè)論文烏海職業(yè)技術學院電力工程系2017屆畢業(yè)生畢業(yè)論文題目：步進電機驅動器的設計作者：班級：學號：指導教師：年月日摘要第1章緒論 11.1步進電機控制研究背景 11.1.1步進電機概述 11.1.2步進電機的種類 21.1.3兩相混合式步進電機 31.2步進電機驅動技術概述 31.2.1步進電機驅動技術 41.2.2細分驅動技術 51.3國內外相關領域研究現狀 61.4課題研究的目的 7第2章兩相混合步進電機驅動器的整體設計方案 82.1驅動器系統(tǒng)功能需求 92.2驅動器系統(tǒng)硬件構架 102.3兩相混合步進電機驅動器軟件系統(tǒng)構架 10第3章兩相混合步進電機驅動器的硬件構成 123.1單片機最小系統(tǒng)設計 123.2電源處理電路設計 133.3保護電路設計 143.4主驅動電路設計 143.5OC門與光電隔離電路 16第4章兩相混合步進電機驅動器的軟件設計 174.1系統(tǒng)初始化及主流程 174.2占空比寄存器 184.3定時器PWM輸出配置 19第5章關鍵技術處理 205.1解決超調與功率管發(fā)熱問題的PWM機制優(yōu)化處理方法 205.2電機驅動器可擴展處理技術 20第6章結論 22參考文獻 23致謝 24摘要隨獵微電子技術、計算機技術以及控制技術的不斷發(fā)展，式步進電機的驅動技術的發(fā)展越來越快，步進電機的應用需求越來越大。步進電機不能直接接入電源進行工作，它必須使用專用設備進行驅動，因此.步進電機的運行性能除了受本身性能的影響外，很大程度上還取決于其馭動器的好壞。目前市場上的步進電機驅動器基本都是單電機的驅動器。即一個驅動器只能驅動一個步進電機，這樣對于需要應用多臺步進電機的場合.必須購買多臺驅動器，這樣無疑加大了生產成本和產品的空間體積。因此，對于步進電機控制系統(tǒng)而言，開發(fā)一套新型的能滿足多路輸出的高精度高穩(wěn)定性步進電機驅動器器具有極其重要意義。關健詞:步進電機；單片機；可擴展性第1章緒論隨著運動控制系統(tǒng)中數字化技術的發(fā)展與成熟，步進電機在工業(yè)自動化控制中得到了廣泛的應用.步進電機是一種完成數字信號模擬信號轉換的執(zhí)行元件，它區(qū)別于其他控制用途電動機的最大特點是:能接收數字控制信號(電脈沖信號)，并將這些脈沖信號轉換成與之相對應的角位移或直線位移.步進電機必須與相應的驅動電路配合使用，其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和實際參數，因此，步進電機驅動電路的設計是步進電機控制系統(tǒng)中的關鍵.眾所周知:電動機的各相繞組之間、定轉子之間存在一定的強禍合，電磁關系也有較嚴重的非線性，但就其本質而言，對I臺步進電機的控制，就是按一定的相序向其相線圈提供驅動信號，同時對各相電流進行控制，從而產生必要的轉矩以驅動電機旋轉.本文簡要介紹三相反應式步進電機的一種驅動電路的設計.1.1步進電機控制研究背景1.1.1步進電機控制研究背景步進電機作為機電一體化的關鍵產品之一，有著廣泛的應用。步進電機是一種根據電磁學原理，采用組合電進鐵理論，利用定轉子之間的磁場作用，將電脈沖轉化為機械能的執(zhí)行機構.在結構上，電動機定轉子都采用凸極結構，各繞組之間的磁場彼此孤立。步進電是一種離散型自動化執(zhí)行元件.以一定的步距角一步一步做增量運動，其轉速和運行的距離不受負級變化的影響。只取決于給定脈沖信號的頻率和數量。利用現代數字控制技術，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，實現準確的定位控制:同時可以通過改變脈沖頻率和變化快慢來控制步進電機轉動的速度與加速度，從而實現調速的目的.它含有以下優(yōu)勢:1)無累計誤差.步進電機的每步精度在30/u5%之間，在不失步的前提下其的角位移和物入脈沖數嚴格成正比，不會將一步的誤差積累到下一步，有較好的位w精度和運動的重復性.2)動態(tài)響應快，有優(yōu)秀的啟停、反轉響應。3)沒有電刷，電機可書性高，壽命長。4)電機的響應由愉入的數字脈沖確定，可以開環(huán)控制，控制結構簡單可靠，價格低廉。5)電機通電停轉時候轉矩最大，實現停止自鎖。6)速度正比于脈沖頻率，可調的轉速范圍寬:易于控制，只擂要控制給定脈沖的頻率和個效.即可達到調速和精確定位的目的。正是由于這些優(yōu)點，步進電機被廣泛應用于自動控制系統(tǒng)中，是數字開環(huán)控制系統(tǒng)理想的執(zhí)行元件。尤其是80年代以后，隨著徽處理器的發(fā)展和應用，給步進電動機的推廣帶來了廣闊的前景.但是，在性能上步進電機也有明顯的不足之處.1)控制不當容易發(fā)生共振和失步現象，且低速時嗓聲比較大。2〕難以獲得較大的轉矩.3)高速時因力矩衰減容易造成失步。1.1.2步進電機的種類步進電機在構造上分為三種主要類型:反應式(VariableReluctance，簡稱VR)步進電機、永磁式(PermanentMagnet,簡稱PM)步進電機和混合式(HybridStepping，簡稱HB)步進電機。反應式步進電動機又稱變磁阻式步進電動機，依靠改變電機磁阻來產生電磁轉矩，從而帶動步進電機運行，是目前比較流行的一種電動機，其繞組位于定子上，轉子由軟磁材料組成。其結構簡單、成本低、步距角小(步距角為1.20)，但動態(tài)性能差、效率低、發(fā)熱大，可命性差.反應式步進電機又分為單段式和多段式步進電機，單段式步進電機結構簡單;多段式步進電機結構復雜.制造困難，工作特性差。水磁式步進電機的轉子用永磁材料制成，動態(tài)性能好、抽出力矩大、定位梢度差、步矩角大(一般為7.50或150).混合式步進電機綜合了反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點，是目前十分流行的一種步進電機。其轉子上采用永磁材料，定子上含有多相繞組，按定子繞組又分為兩相混合式步進電機、三相混合式步進電機和五相混合式步進電機?；旌鲜讲竭M電機的特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，配上馭動器后運行效果良好，尤其是兩相混合式步進電機，其約占，97%的市場份領。1.1.3兩相混合步進電機兩相式混合式步進電機常見的定子有4個極和8個極，極面上均勻分布一定數且的小齒及控制繞組，各相控制繞組都可以雙向通電，轉子由永磁鐵和兩端開有齒槽的鐵芯組成，兩段鐵芯錯開半個齒距.轉子齒距與定子小齒的齒距相等.同一段轉子片子上所有齒都具有同向極性，而兩塊不同段的轉子片的極性相反。混合式步進電機的軸向結構圖如圖1-1所示。圖1-1混合式步進電機的軸向結構圖1.2步進電機驅動技術概述步進電機不像普通的直流電機，不能直接接到交直流電源上進行工作，而必須使用專用控制系統(tǒng)設備進行驅動，步進電機運行的性能如輸出力矩、運行頻率等除了受其本身性能的影響外，還取決于驅動器控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。因此，步進電機的出現，步進電機驅動器也應運而生，它們的研究幾乎是同步的，步進電機驅動器是步進電機運動控制的一個不可分割的整體。步進電機驅動系統(tǒng)一般由脈沖信號發(fā)生器、環(huán)形分配器、倍號處理與放大、推動級、功率馳動、電流檢測與保護電路等組成，如圖1-2所示。步進電機功率驅動器推動級信號處理與放大環(huán)形分配器脈沖信號發(fā)生器 步進電機功率驅動器推動級信號處理與放大環(huán)形分配器脈沖信號發(fā)生器 MCU電流采樣與保護電路MCU電流采樣與保護電路圖1-2傳統(tǒng)步進電機驅動器的基本組成部分脈沖信號發(fā)生器用來產生一定的方波或三角波等，環(huán)形分配器用來接收外部控制脈沖，井按要求的順序產生控制步進電機各相繞組導通和截止的信號，從而決定步進電機的轉向;信號處理是實現對輸出信號的轉換、合成和放大等，如實現SPWM等特殊信號:推動級是對較小的信號進行放大，從而足以推動驅動電路:驅動電路一般為雙極性驅動電路，如H橋電路，以滿足定子磁極的極性交變;保護電路為過壓、欠壓、過溫保護等保護驅動電路的安全。1.2.1步進電機驅動技術混合式步進電機的驅動技術在發(fā)展和成熟的過程中出現過各種各樣的驅動電路、拓撲結構和驅動方式，其中包括單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波恒流驅動、調頻調壓奧動和細分馭動等。單電壓驅動方式是指以一個恒定的電源電壓對工作中的電機繞組進行供電。這種驅動方式存在共振區(qū)，需要串大功串電阻，功耗大，高頻時帶載能力不高，但是其低頻響應較好、驅動電路簡單、應用成本低廉雙電壓v動的方式是電路使用高低壓進行驅動，在導通前以高電壓供電來提高電流的上升率，當上升到額定電流時，利用低電壓和低壓功率管給電機繞組進行供電，以維持額定電流的大小。這種驅動方式低頻時嗓音大，共振現象仍然存在。斬波恒流驅動是目前步進電機應用.廣泛的驅動方式之一，這種驅動方式以比電機額定電壓高得多的電壓供電，以加快繞組電流上升和衰減的速度，通過斬波的方式使電機繞組電流在高低頻及頓定等工作狀態(tài)中都保持領定值。這種方式提高了輸出轉矩，墓本消除了低頻共振現象.調頻調壓驅動方式實現了電機在低速時繞組電流上升前沿較平緩的特性，從而降低了低頻振動。其荃本思想是在驅動電路中增加比較電路和調壓電路，使電機運行在低頻時使用低電壓馭動，高頻時使用高電壓驅動。這種驅動方式能在較寬的頻率范圍內運行，矩頻特性也較好，但是線路比較復雜，而且針對不同的步進電機，需要輸出電壓與輸入控制脈沖頻率的特性進行重新調整。1.2.2細分驅動技術電機固有步距角”細分成若干小步的驅動方法，稱為細分驅動，細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現的，與電機本身無關。其原理是，讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為0（繞組電流波形不再是近似方波，而是N級近似階梯波），則定子繞組電流所產生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置（形成N個步距角）外對細分驅動技術的研究十分活躍，高性能的細分驅動電路，可以細分到上千甚至任意細分。目前已經能夠做到通過復雜的計算使細分后的步距角均勻一致，大大提高了步進電機的脈沖分辨率，減小或消除了震蕩、噪聲和轉矩波動，使步進電機更具有“類伺服”特性。

對實際步距角的作用：在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數的步進電機來滿足自己對步距角的要求。如果使用細分驅動器，則用戶只需在驅動器上改變細分數，就可以大幅度改變實際步距角，步進電機的‘相數’對改變實際步距角的作用幾乎可以忽略不計。

細分技術與步進電機精度提高的關系：步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉精度只是細分技術的一個附帶功能。細分后電機運轉時對每一個脈沖的分辨率提高了，但運轉精度能否達到或接近脈沖分辨率還取決于細分驅動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅動器精度可能差別很大；細分數越大精度越難控制。細分對驅動器要有相當高的技術要求和工藝要求，成本亦會較高。國內有一些驅動器采用對電機相電流進行“平滑”處理來取代細分，屬于“假細分”，“平滑”并不產生微步，會引起電機力矩的下降。真正的細分控制不但不會引起電機力矩的下降，相反，力矩會有所增加。細分是細分驅動的其中方法，恒流的實現常用斬波驅動，給定的電流是以正弦波分布。另一種為電壓細分，這種方法是比正弦波的電壓驅動電機的線圈，可以不需要反饋地實現電機的細分驅動，但是由于電機的反電勢等的作用，正弦波電壓驅動并不能產生正弦波的電流，效果沒有電流細分好，但是它的驅動電路相對簡單。可以提高電機的步進角分辨率，但是，這并不是細分驅動的初衷，而是為了減緩步進電機運轉過程的震動和噪聲，使電機的力矩輸出更平穩(wěn)。這像數碼相機的光學變焦和數字變焦的關系，提高步進系統(tǒng)分辨率最好依靠電機本身和機械結構。在工程應用中，電機的細分數可能不同，在低速時，可增大細分數，當速度增加時，減少細分數。1.3國內外相關領域研究現狀外多年以來，隨著電力電子技術、微控制器技術、信號處理技術的飛速發(fā)展，步進電機驅動技術和驅動器的發(fā)展也十分迅速.20世紀60年代初期人們就開始使用單電壓驅動技術，隨后為了改變單電壓驅動高頻特性又發(fā)明了高低壓驅動技術。到20世紀70年代中期，人們發(fā)明了斬波驅動技術，通過斬波使步進電機繞組電流在電機工作時都保持恒定，增大了步進電機的轉矩，基本消除了低頻共振現象。之后人們又提出了對步進電機步距角細分的驅動方式，以及在此基礎上依托于現今先進的單片機技術、DSP技術和FPGA技術又產生電流矢量恒幅均勻旋轉驅動技術和電壓空間矢量調制(SVPWM)驅動技術1975年，美國學者T.R首次在美國增量運動控制系統(tǒng)對步進電機步距角細分的控制方法。自此以后，步進電機的細分驅動技術得到了長足的發(fā)展，井在實際中得到了廣泛的應用叫.事實證明，步進電機驅動器利用細分驅動方式能很好的解決步進電機低頻振動的問腸，提高電機運行的稱定性，加強了控制的靈活性，l2006年，英國利物浦約翰摩爾斯大學的學者提出的電壓空間矢PWM，分析了不同的空間矢盆SVPWM的五相逆變器及其應用于正弦繞組分布的五相電動機的情況.2009年，寨國普密蓮國王理工學院設計井仿真了基于FPGA的多模式步進電機激勵信號發(fā)生器。此外，近幾年來，國外對步進電機的控制還致力于對集成馭動芯片的開發(fā)。市場上涌現了一大批體積小、性能高的驅動器系統(tǒng)集成芯片，如三洋公司開發(fā)生產的PMM8713,PMM8723,PMM8714.SGS公司生產的L297控制器和L298驅動器，日本新電元工業(yè)公司生產的MTDI110(四相斬波驅動)和MTD2001(兩相、H橋、斬波驅動)、東芝公司生產的TB6560AHQ芯片以及MOTOROLA公司生產的SAA1042(四相)姐動芯片等r26]利用這些集成芯片，在加少盆的外圍電路，就可以完成對一個體積小、性能高、功能齊全的步進電機驅動器的設計1521.雖然這些驅動芯片有著很高的集成度和祖定性，但是難以對普通的步進電機都適用，例如L297,L298芯片只含脈沖分配和電流斬波，控制方式有限;ALLEGRO公司的UCN5804芯片只適用于4相步進電機等。對于在集成驅動芯片的開發(fā)方面，國內與國外一些商家合資，如與日本合作開發(fā)生產了THB7128.THB8128等驅動芯片，但由于涉及到微電子技術、集成電路加工技術和電力電子技術的前沿技術，尤其是相對國外先進的控制算法，如空間圓弧插補、PVT算法、樣條插補、反向運動學算法、速度前瞻和軌跡擬合等1311國內存在一定的差距。1.4課題研究的目的步進電機作為一種將電脈沖轉化為角位移執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，它利用接收到的脈沖信號，驅動步進電機按預定的方向轉動一個固定的角度，可以通過控制脈沖數來達到精確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。目前，步進電機尤其是兩相混合式步進電機已廣泛應用在各個國民經濟領域的各種自動化控制系統(tǒng)中，而且需求A與日俱增.另外，步進電機的工作豁要使用專用的控制設備進行驅動，步進電機運行的性能除了受本身性能的影響外，還取決于驅動器的優(yōu)劣。因此.市場上對步進電機驅動器的需求也將越來越大，而且對其性能要求也越來越高.目前，市場上的兩相混合式步進電機驅動器存在以下問皿:1)目前兩相混合式步進電機驅動器一般都是單電機奧動器，即一個驅動器只能驅動一個步進電機，這祥對于需耍應用多臺步進電機的場合，需要購買多臺驅動器，加大了產品的生產成本和空間結構的體積。2)目前市場上的步進電機驅動器驅動兩相混合式步進電機運轉的最高轉速一般限制在500r/min以內，轉速再高時電機扭矩已經很小.不足以帶動較大的負載，因此使用范圍將受到大幅的限制.3)現有的步進電機細分馳動器馳動步進電機運行時仍存在低頻振動和高頻失步的問題，嚴重影晌了步進電機的使用穩(wěn)定性和精度。針對以上問題，開發(fā)一欲新型的能滿足2路以上(最多4路)輸出的高精度與高穩(wěn)定性的兩相混合步進電機驅動器將很有必要而且很有愈義和市場前景。本課壓項目就是由此而來的，課題的研究最終目的就是設計與實現一欲具有高精度與高穩(wěn)定性的2路以上(最多4路)輸出的兩相混合式步進電機驅動器，適用于28-57系列的兩相混合步進電機，且能運行穩(wěn)定，電機定位精度高、高速輸出扭矩恒定。第2章兩相混合步進電機驅動器的整體設計方案本課題以STM32FI03RST6單片機為核心控制器件，實現2路以上(最多4路)步進電機驅動器的設計。硬件部分由外部脈沖、方向、使能信號的輸入隔離與濾波處理電路，按鍵液晶的處理單元，驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過溫過流保護電路以及電派處理電路等組成，并由按健和，2864液晶對步進電機的驅動電流、細分數等參數進行設定。軟件部分主要由外部脈沖輸入中斷、基于電流矢里恒幅均勻旋轉的PWM輸出脈寬移相調整、相電流采樣與PI調節(jié)等組成。2.1對運行中高壓隔離開關的要求項目要求的步進電機驅動器應實現如下的功能:(1)驅動的電機數I，通過擴展可同時塑動4路24-57系列四線制兩相混合式步進電機。2)輸入電壓能適用于針對不同的步進電機所選用的不同供應電渾電壓，輸入電壓范圍限布組為24-64V.3)輸出電流能針對不同的步進電機對相電流在4.8A范困內可調，通過液晶和按鍵處理，調整定時器輸出PWM的占空比來實現.4)步進電機驅動細分數實現1,2.4.8,16.32.64,128每路可調，通過液晶和按鏈處理實現。5)電路含有過壓、欠壓、過沮、過流、電機繞組開路.通過指示燈以及液晶顯示進行區(qū)別.過流、過壓或過沮(大于電流、電壓、工作沮度最大奮數的20%%)時自動關斷輸出，過壓、過流保護后需重新上電才可恢復，過溫時當沮度降到低到工作溫度時可恢復工作狀態(tài)。6)減流功能，通過按鍵和液晶設置，在電機空閑時電流自動降為運行電流的50010.7）乃智能報錯信號輸出，任一路有過壓、欠壓、過溫、過流、電機繞組開路、程序跑等報警時，有指示燈以及液晶顯示輸出.2.2驅動器系統(tǒng)硬件構架圖2-1驅動器硬件系統(tǒng)框圖項目設計的步進電機驅動器系統(tǒng)以STM32FI03R8T6單片機為主控制器，包含按鍵輸入、LCD顯示、RC濾波電路、光電隔離電路、保護電緯、“橋驅動功放電路和電源處理電路等。系統(tǒng)預先將步進電機每走一微步所對應的各相電流占空比寄存器值存于各單片機中.山按鍵及液品設定步進電機、細分數、相電流幅值以及自動減流參數等，由單片機定時器自動產生多路PWM信號(舟路步進電機對應4路PWM信號).再對采樣電阻采樣的反饋電流在程序進行P1調節(jié)處理，調竹單片機發(fā)出的PWM信號的占空比，從而調節(jié)電流的大小，驅動功率驅動電路.實現閉環(huán)跟蹤控制，可通過外部脈沖、方向、使能等信控制各步進電機的正、反轉和啟停。硬件系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。2.3兩相混合步進電機驅動器軟件系統(tǒng)構架軟件設計遵服“模塊化”設計原則，主要包含系統(tǒng)初始化模塊、參數設定及LCD顯示模塊、調用占空比寄存器班細分表模塊、定時器PWM配置模塊、AD采樣模塊以及等P1調節(jié)模塊等。圖2-2軟件系統(tǒng)構架圖采樣模塊主要用來對步進電機各相電流進行實時采樣反饋，如果采樣電流偏離預期值過大則由報普模塊提供報普信號由LCD輸出，井且實施相應的措施，如切斷定時器輸出等。PI調節(jié)模塊用來對步進電機各相電流的AD采樣數據進行處理比較，從而調整占空比寄存器的值，使輸出電流能達到預期電流的效果。軟件系統(tǒng)構如圖2-2所示。擴展模塊是通過按鍵和液晶進行擴展設定，設定之后使定時器2和定時器3也作為PWM輸出，用來控制步進電機的運行。第三章兩相混合步進電機驅動器的硬件構成本章基于以上章節(jié)的分析以及從實踐角度的考慮，對兩相混合步進電機驅動器的硬件進行了設計，對步進電機驅動器設計的芯片進行選型，進而給出了硬件各個模塊的功能及實現方法。目前，市場上用于步進電機驅動器開發(fā)的MCU主要包含DSP,FPGA和單片機。雖然DSP和FPGA芯片有強大的數據處理能力和高速的運行速度，但是其價格都比較昂貴，因此，基于成本考慮，電機驅動器的設計一般以含有高數據處理能力16位和32位的單片機為主，常見的如STM32F增強型系列和PIC系列單片機等。驅動電路一般以驅動芯片驅動H橋的構架為主，目前市場是越來越多集成的專用步進電機運動控制模塊，將驅動芯片和H橋集成在一個芯片當中，雖然在使用時很方便，但是這種芯片一般都有一定的限制性，而且成本較高，同時會降低驅動器的適用性。因此，結合低成本、高功能、足夠的技術儲備、短暫的開發(fā)周期等原則，本課題采用STM32F增強型系列單片機作為主MCU.采用分立元件搭建驅動電路。3.1單片機最小系統(tǒng)設計STM32F103R8T6單片機最小系統(tǒng)及其外圍電路原理圖如3-1所示。屬于中等容量增強型.32位基于ARM最新的Cortex-M3內核.帶64K字節(jié)閃存的微控制器，含有USB.CAN.4個定時器、2個ADC、9個通信接口等豐畜的外設接口，具有價格低廉、運行速度快、數據處理能力強等特點，因此在電機控制方面有著廣泛的應用。單片機的時鐘信號含有內部振蕩時鐘和外部振蕩時鐘，STM32FI03R8T6單片機系統(tǒng)時鐘的選擇是在啟動時進行.復位時內部8MIlz的RC振蕩器被選為默認的CPU時鐘，隨后可以選樣外部的、具失效監(jiān)控的4-16MIIz時鐘.品振電路就足為了給單片機提供一個統(tǒng)一的外部時鐘信號，以供單片機實現同步工作方式。根據單片機的數據手冊建議.在引腳OCSIN和OCSOUT之間跨接一個8M的晶體振蕩器和兩個20p的微調電容，從而構成晶體振蕩電路。圖3-1單片機最小系統(tǒng)及外圍電路圖3.2電源處理電路設計驅動器的供電電壓為24V-64V，針對不同的步進電機使用不同的電源電壓。而驅動器內部電路需要的電壓值有12V,5V,3.3V.驅動器系統(tǒng)要求的愉出電流最高位4.8A，電源芯片采用LM2596和LM1117-3.3。因為LM2596的最高輸入電壓為40V，而驅動器的電源電壓要求能達到64V。過壓、過流和倒接的電路處理如圖3-2所示。圖3-2電源處理電路過壓保護通過TIP122,穩(wěn)壓二極管1N4749A和限流電限進行實現.TIP122的愉入耐壓能達到IOOV.歧大電流8A.1N4749A的標稱電壓為24V，將電源電壓穩(wěn)壓到24V后給后續(xù)的LM2596供電，而電機的驅動電壓由電源電壓直接提供。過流保護采用常規(guī)的保險絲方式，保險絲選用自恢復式保險趁。反接保護采用反接二極管到地的方式，當電源反接時，二極管導通，電流直接經過二極管和保險絲，而不經過后級系統(tǒng)，以起到保護作用。3.3保護電路設計系統(tǒng)保護電路包括過壓保護、欠壓保護、相電流過流保護和過溫保護等.電源電壓的過壓和過流保護采用穩(wěn)壓二極竹和自恢復保險性進行處理，詳見電源處理電路設計部分。欠壓保護通過單片機內置的供電槍淵器進行檢測判斷.以軟件處理來實現對運行數據的保護。Mt1電流過流保護通過對采樣電流進行處理與設定電流位進行比較，通過比較結果控制電路的工作狀態(tài)。過濫保護電路通過溫度傳感器LM35CZ來實現，LM35CZ是枯密的攝氏溫度傳感器.其愉出電壓線性的與溫度成正比，額定溫度范圍達到-55℃-1500℃，功耗低于605A。通過LM35CZ對驅動器溫度進行采樣轉換為電壓信號，再將電壓信號進行灘波放大后與預設電壓進行比較，從而控制10口的電平信號，檢測是否過溫，從而控制單片機的輸出狀態(tài)。3.4主驅動電路設計主控制器輸出的PWM信號經過高速光電偶合器6NI37進行隔離后送入主驅動電路。主驅動電路是電機繞組與電力電子開關器件之間的橋梁，本項目采用雙極性的電機驅動方式，驅動電路由橋式驅動芯片1R21IOS和4個N溝道的功率MOS管IRF64ON組成的全橋馭動電路，如圖3-3和3-4分別為A+相和A-相驅動電路，共同組成A相繞組馭動電路.IRF64ON有納秒級的快速開關速度，高達200V最大驅動電壓，18A最大馭動電流，導通電阻盡為0.1512，功耗小，過載能力強，抗千擾能力強等特點。在驅動電阻上并聯一個反向二極管(如R6上并的DI)為快速恢復二極管，用以加快MOS管的關斷速度:在MOSFET的柵極和源極之間并聯+15V的穩(wěn)壓管IN4744和680K的電阻，以保護功率場效應管.并聯一個電容J月來吸收雜散電容電壓;同時在每個MOS管上都反向并聯了一個快恢復二極管ESID作為續(xù)流作用以防止關斷電機繞組時產生較大的反電動勢;在每個MOS管的DS端都并一個RCD緩沖電路，以減小功率管開關期間形成的超調現象。圖3-3主驅動電路圖3-4主驅動電路圖如圖3-4所示，當Q1和Q4導通時，Q2和Q3截至，電流經Q1電機繞組Q4采樣電阻到地:而當Q1和Q4截止，Q2和Q3導通時，電流經Q2電機繞組Q3到地，因此電機繞組中流過過兩個方向相反的電流，即為A+流向A-和A-流向A+兩種。B相驅動電路與A相的完全相同。3.5OC光門與光電隔離電路當驅動器驅動兩路步進電機時，單片機就需要輸出8路PWM信號來驅動光耦的打開，因此.為了減小單片機的帶載壓力，增強單片機的帶載能力，尤其是在當驅動器驅動多路步進電機時，電路中需要添加OC門驅動電路。項目中使用的OC門為SN7407，用來驅動光拙6N137。圖3-5所示為OC門馭動電路及A+相的光電隔離電路。圖3-5OC門及光電隔離電路在光耦的輸出端采用了一個π型帶通濾波電路，用來濾除紋波干擾，其中R56提保持反相器輸入端的電壓值，以保證驅動能力。第4章兩相混合步進電機驅動器的軟件設計本課題以STM32FI03RST6單片機為核心控制器件，實現2路以上(最多4路)步進電機驅動器的設計。硬件部分由外部脈沖、方向、使能信號的輸入隔離與濾波處理電路，按鍵液晶的處理單元，驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過溫過流保護電路以及電派處理電路等組成，并由按健和，2864液晶對步進電機的驅動電流、細分數等參數進行設定。軟件部分主要由外部脈沖輸入中斷、基于電流矢里恒幅均勻旋轉的PWM輸出脈寬移相調整、相電流采樣與PI調節(jié)等組成。4.1系統(tǒng)初始化及主流程求系統(tǒng)初始化包括對系統(tǒng)主時鐘、總線時鐘AP13I與APB2的配置，GPIO端口輸入輸出功能的配置，MOA通道的配置等.圖4-1驅動器系統(tǒng)及中斷處理器流程框圖系統(tǒng)主流程如圖4-1所示。驅動器在初次使用或每次更換電機時需要對驅動器參數重新進行設定，包括相電流幅位設定、自檢參數、減流參數等，然后進行自檢校正。首先，通過按鍵及液晶對各步進電機的參數進行設定，參數設定保存后需要讓系統(tǒng)進行自檢.系統(tǒng)根據設定的參數以60r/min的轉速讓電機正反轉各跑兩圈.以實現對電機驅動系統(tǒng)的自檢。在自檢過程中.系統(tǒng)先根據設定值初步產生占空比寄存器位細分表.再通過AD采樣濾波檢測電機相電流位，通過軟件處理并調錐占空比細分表。自檢完成后，保存細分表到/lash當中。當系統(tǒng)運行時.由定時錯TIM產生A相和相相位差90°的PWM信號，系統(tǒng)通過外部中斷口對上位機CP的上升沿信號進行實時中斷處理.在中斷中調用自檢調整保存的細分表調9PWM輸出信號的占空比值.從而驅動步進電機運行。系統(tǒng)再通過AD分時采樣各個電機電流信號.通過中值濾波比較獲取電流偏差，根據電流偏差進行PI調節(jié)，重新調整細分表中的占空比寄存器值.4.2占空比寄存器本課題項目設計的驅動器控制的步進電機的運行方向和繞組電流的大小實際由輸出的PWM占空比的大小來決定。假設PWM的周期為T,高電平占用時問為t.無死區(qū)時問.因此，PWM的占空比y=t/T，可得電機繞組平均電壓，其中，V為加在電機繞組上的電壓值.當占空比為500/a時，在一個PWM周期內平均電壓為。，平均電流歹IR也為。(R為電機繞組阻值)，電機不轉.當占空比高于50%時實現了繞組電流的反向，從而控制步進電機繞組電流大小和方向，即控制步進電機運行的方向.占存比寄存器程序流程框圖如圖4-2所示圖4-2占存比寄存器流程框圖4.3定時器PWM輸出配置單片機在接收到上位機使能信號后，由單片機定時器模塊自動產生頻率為20K,占空比為50%的PWM信號，不影響其它程序的運行。此時步進電機屬于鎖住狀態(tài)，只有得到上位機CP脈沖后步進電機才會轉動.每個STM32FI03R8T6單片機含有3個通用定時器，一個高級定時器和一個滴稗定時器，通用定時器和高級定時器能分別產生4路占空比可調的PWM信號，然后恨據預存的占空比寄存器值對定時器的占空比寄存器進行重新裝載，就可以產生相應變化規(guī)律的PWM波，經驅動功放后扶得相應的正弦馭動電流馭動步進.電機機的運行。定時器模塊輸出PWM波配置程序如下圖4-3所示圖4-3PWM波配置程序圖第5章關鍵技術處理5.1解決超調與功率管發(fā)熱問題的PWM機制優(yōu)化處理方法為解決在驅動器在電機繞組電流切換向時產生浪涌超調與功率管發(fā)熱的問題，項目在驅動電路續(xù)流方式上采用了緩慢續(xù)流棋式和快速續(xù)流模式混合的混合續(xù)流方式。所謂緩慢續(xù)流為兩個高端功率管(或兩個低端功率管)同時導通，低端功率管(成高端功率管)截止時，即在電機繞組短路時形成的續(xù)流，在此續(xù)流模式下，繞組電流波動小電機相電流與設定電流接近，可以有效提商步進電機的運行性能，降低功率管的開關損耗和磁滯損耗，減少發(fā)熱，但該模式在電機中高速運行時，由于續(xù)流緩慢，造成負載電流不能快速下降而不能保證電流調節(jié)充分從而產生超調現象:快速續(xù)流摸式為當一側的高端管(低端管)導通時，另一側的低端管(高端管)導通，電流通過兩個導通功率管及繞組對地形成快速放電模式，此模式一般用于電機快速運行時，此時電流衰減快，產生的電流紋波大，步進電機和高功率管發(fā)熱增加，因此，為保證對電流有效跟蹤反饋以及盡可能的降低開關扭耗，項目選用混合續(xù)流模式，根據控制的搖要選擇快速或慢速續(xù)流模式，如下圖，定時器PWM輸出采用對中模式，這樣在占空比調節(jié)時電機一相二端電壓的高電平始終對齊，在一個周期內，電機一相兩端的電壓同為高或低時(Q1與Q2導通或Q3與Q4導通)實現了慢速續(xù)流，一端為高電平一端為低電平時(Q1與Q4導通或Q3與Q2導通)實現了快速續(xù)流，整個周期實現了混合續(xù)流.5.2電機驅動器可擴展處理技術一般設備對步進電機應用往往是多臺應用.為了降低因使用多個步進電機的而增加的驅動器的成本.課越設計與實現的步進電機馭動可馭動兩路電機.經過擴展可最多驅動4路步進電機，以適應不同的應用場合。系統(tǒng)的擴展的只是擴展了電機功率驅動與AD采樣部分，將功率驅動與AD采樣部分做成模塊化結構.插到4本部分擴展抽上。在荃本部分的擴展枯上，留有征一路的馭動信號，AD采樣返回俏號口.電源口.外部脈沖、方向、使能信號口以及數字地和模擬地接口。重要的是還有一個擴展使能口。重要的是還有一個擴展使能口。擴展槽與擴展驅動模塊的接口信號如圖5-2所示。 圖5-2擴展槽接口信號擴展使能口與單片機IO口相連接，在不擴展情況下，該口是上拉處理，當擴展連接后，該口被拉低，當系統(tǒng)檢測到該口為低電平時，調用相應的留有接口的封裝程序。在程序里，系統(tǒng)對睡個初始化MEN文件及調表文件中都定義一個條件宏，以擴展槽使能口信號作為宏判斷條件，當條件滿足時(使能口信號為低，有擴展卡插入)程序執(zhí)行擴展槽對應的同從本板上一樣的電機驅動定時器、AD功能、外部脈沖中斷等初始化與配置程序以及摧本板對應配w程序;如果條件不滿足則跳過擴展槽對應配置代碼，只執(zhí)行基本板上對應配置。從而實現馭動器的可擴展使用。第6章結論隨著社會的進步與發(fā)展，尤其是隨著徽電子技術、電力電子技術和計算機技術的發(fā)展，以工業(yè)自動化代替人工的趨勢己經越來越明顯，而步進電機作為工業(yè)控制的一種執(zhí)行元件，機電一體化的關鍵產品之一勢必將越來越受到人們的關注，其社會需求量將與日俱增。由于步進電機必須使用步進電機驅動器進行驅動，因此對步進電機驅動器的開發(fā)也將其有重要念義和廣闊的市場前景。本文針對步進電機的運行特性進行和工作原理，指出了步進電機與傳統(tǒng)9動器在運行當中存在的共振、嗓聲和精度低的問題，以及目前驅動器所能馭動的步進電機路數少、驅動的電機種類少的問題，提出了多路輸出的高精度和高艷定性的兩相混合步進電機駱動器的設計與實現方案，采用電流矢t恒幅均勻旋轉的多細分控制技術，提高了兩相混合步進電機的定位精度，降低了其在低速運行時的低頻共振和嗓聲現象。使步進電機運行平穩(wěn)、平滑，實現了對多電機的輸出控制。本課題針對目前步進電機應用中所存在的問題，設計了具有高精度和高穩(wěn)定性的多路輸出兩相混合步進電機驅動器。課題設計驅動器硬件部分主要分為STM32FI03CST6單片機的核心處理電路、信號的輸入輸出隔離電路、按鍵液晶的處理單元、驅動功放電路、相電流的采樣反饋電路、過沮過流保護電路以及電源處理電路等.同時，針對一個馳動器可同時同步驅動多個步進電機的問題，提出了步進電機驅動器軟硬件設計上的關鍵技術的處理方案以及可擴展多路輸出的控制處理方案。全文的展開分為驅動器的整體設計方案、硬件設計、軟件設計、關健技術處理以及調試處理等方面。首先對步進電機驅動器的功能豁求進行了分析，給出了驅動器的設計原理以及多路輸出兩相混合步進電機驅動器的總體設計構架和系統(tǒng)軟件設計方案。然后對步進電機驅動舒主控制芯片一--STM32FI03R8T6單片機進行了介紹和研究，介紹了項目硬件設計中重要模塊的相關理論與技術，井進行了硬件電路的設計與實現，同時分析了在硬件上如何對驅動器進行抗干擾的處理;在軟件設計上，遵循便于擴展和便于維護的原則.采用“模塊化”設計的方法設計了系統(tǒng)軟件?？傊?，隨著電力電子技術、微電子技術等的發(fā)展和應用，以及模糊控制等控制技術和策略的不斷涌現，為兩相混合式步進電機的控制技術又提供了新的方向，混合式步進電機驅動控制將朝著數字化與智能化不斷發(fā)展，其應用前景非常廣闊。參考文獻[1]王亞嫉.基于DSP的二相混合式步進電機多細分驅動器的研究，浙江工業(yè)大學2008.[2]張小杭.基于DSP的兩相混合式步進電機細分控制及轉矩矢盆控制,浙江工業(yè)大學，2004.[3]劉寶志.步進電機的精確控制方法研究[D].山東大學.[4]劉建中.步進電機原理及使用說明[Z].在線工博會，2005.[5]周石磊.基于DSP與FPGA的兩相混舍式步進電機細分驅動的實現[D].中國科學院光電技術研究所.2006.[6]劉鐵羅.荃于DSP的步進電機細分控制器設計側.南開大學，2004.[7]張明.步進電機的荃本原理[[J].科技信息.2007,9.[8]熊遠生，吳偉雄.基于DSP的步進電機細分控制系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用，2007.[9]李玲娟.多細分二相混合式步進電機驅動器的研制網.西北工業(yè)大學.2007.致謝這次的畢業(yè)論文設計總結是在我的指導老師王麗婷老師親切關懷和悉心指導下完成的。從畢業(yè)設計選題到設計完成，王麗婷老師給予了我耐心指導與細心關懷，有了莫老師耐心指導與細心關懷我才不會在設計的過程中迷失方向，失去前進動力。王麗婷老師有嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神和精益求精的工作作風，這些都是我所需要學習的，感謝王麗婷老師給予了我這樣一個學習機會，謝謝!感謝與我并肩作戰(zhàn)的舍友與同學們，感謝關心我支持我的朋友們，感謝學校領導、老師們，感謝你們給予我的幫助與關懷;感謝烏海職業(yè)技術學院，特別感謝電力工程系三年來為我提供的良好學習環(huán)境，謝謝!基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統(tǒng)的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器