步进电机驱动器课程设计策画报告改.docx
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步进电机驱动器课程设计策画报告改
1绪论
在当今电子信息行业日趋发展的时代,数字化技术在引领新时代科技发展的浪潮中体现着越来越重要的作用,然而步进电机又是数字化技术中非常重要的一种机器。
为了更加了解它的工作原理,本次课设我们就设计了步进电机的一个重要部分——步进电机驱动器。
它是控制步进电机工作的部分。
在本次课程设计中,将主要设计一个供四相步进电机驱动的驱动器。
它要实现以下功能:
1.设计一个方波发生器给整个系统充当时钟,使当每发出一个时钟脉冲,步进电机就转过一定的角度;2.设计一个步进电机的驱动信号发生器,可以实现电机正转/反转控制和转速控制,通过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,从而获得所需的转角、转速及转动方向;3.要求驱动器有足够的输出电流以驱动小功率4相步进电机;4.要求可以实现步进电机的单相或双相激励。
步进电机驱动器主要由方波产生电路、脉冲环形分配电路和功率放大电路三大电路组成。
方波产生电路主要由555定时器组成,其频率可通过调节滑动变阻器阻值来改变,从而改变电机的转速。
脉冲环形分配电路则由移位寄存器构成,通过改变移位寄存器的移动方向来控制电机的转动方向;功率放大电路则是采用二极管,稳压管和电感组成的电路,其目的是为了放大功率,为四相电机提供足够的电流。
总之,步进电机驱动器通过这三大主要电路实现其控制电机的功能,很方便的改变电机的转动速度和方向,从而使电机更好的使与其相连的仪器更好的,更有效的工作。
2设计方案
2.1步进电机介绍
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
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”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
2.2设计方案的确定
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
目前,对步进电机的控制主要有由分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。
本设计选用第三种方案,用PMM8713三相或四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A两相或四相功率驱动器,组成四相步进电机功率驱动电路,以提高集成度和可靠性,步进电机控制框图见图1。
图1 步进电机控制系统框图
通常来说,步进电机驱动器所要实现的功能简单来说就是控制电机的转动方向和转速。
依据本次设计的具体要求,步进电机驱动电路整体框图如图2。
→→
图2步进电机驱动器整体框图
2.3设计思想与设计原理
它由方波产生电路,脉冲环形分配电路和功率放大电路三大主要电路组成。
方波产生电路主要为脉冲环形分配电路提供方波脉冲信号,使得驱动信号发生电路输出四相驱动信号,经过功率放大电路,为电机提供足够的电流,从而控制电机的运转。
2.4单元电路的设计
在本次设计中,要进行以下几个单元电路的设计:
第一,方波产生电路;第二,环形计数电路;第三,功率放大电路。
以下的篇幅将对上述电路分别进行设计及原理阐述。
方波产生电路的功能很简单,就是为后续电路提供方波脉冲。
结合数电教材上的理论知识,很容易想到用555定时器来构成方波产生器。
555定时器内部结构的简化原理图和引脚图如图3所示。
它由3个阻值为5千欧的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电BJTT以及缓冲器G组成。
图3555定时器原理图和引脚图
555为一8脚封装的器件,其各引脚的名称和作用如下:
1脚—GND,接地脚
2脚—TL,低电平触发端
3脚—Q,电路的输出端
4脚—/RD,复位端,低电平有效
5脚—V_C,电压控制端
6脚—TH,阈值输入端
7脚—DIS,放电端
8脚—VCC,电源电压端,其电压范围为:
3~18V
定时器的主要功能取决于比较器,比较器的输出控制RS触发器和放电BJT的状态。
图中4为复位输入端,当4为低电平时,不管其他输入端的状态如何,输出V0为低电平。
因此在正常工作时,应将其接高电平。
由图可知当5脚悬空时,比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。
当V6>2/3Vcc,V2>1/3Vcc时,比较器C1输出低电平,比较器C2输出高电平,基本RS触发器被置0,放电三极管T导通,输出端V0为低电平。
当V6<2/3Vcc,V2<1/3Vcc时,比较器C1输出高电平,比较器C2输出低电平,基本RS触发器被置1,放电三极管T截止,输出端V0为高电平。
当V6<2/3Vcc,V2>1/3Vcc时,基本RS触发器R=1,S=1,,触发器状态不变,电路亦保持原状态不变。
其功能表如表1所示。
表1555定时器功能表
鉴于555定时器的工作原理,我设计出的方波信号产生电路的电路图如图4所示。
图4方波信号产生电路
其工作原理:
接通电源后,电容C1被充电,Vc上升,当Vc上升到2/3Vcc时,触发器被复位同时放电BJT导通,此时V0为低电平,电容C1通过R2和T放电,使Vc下降。
当Vc下降到1/3Vcc时,触发器又被置位,V0翻转为高电平。
电容器C1放电所需时间为
t1=0.7R2C
当C放电结束时,T截止,Vcc将通过R1和R2向电容器C1充电,Vc由1/3Vcc上升到2/3Vcc所需的时间为
t2=0.7(R1+R2)C
当Vc上升到2/3Vcc时,触发器又发生翻转,如此周而复始,在输出端就得到一个周期性的方波,其频率为
f=1/(t1+t2)=1.43/[(R1+2R2)C]
通过调节R2,改变频率的大小,从而改变电机的转速。
由于这部分电路要完成的功能是:
通过四相输出带动电机正相或反相转动。
所以本部分电路采用的是双向移位寄存器74194。
74194是由四个触发器组成的功能很强的四位移位寄存器,其逻辑功能示意图和引脚图分别如图5和图6所示。
图574194逻辑功能示意图图674194引脚图
(1)异步清零。
当RD=0时即刻清零,与其他输入状态及CP无关。
(2)S1、S0是控制输入。
当RD=1时74194有如下4种工作方式:
①当S1S0=00时,不论有无CP到来,各触发器状态不变,为保持工作状态。
②当S1S0=01时,在CP的上升沿作用下,实现右移(上移)操作,流向是SR→Q0→Q1→Q2→Q3。
③当S1S0=10时,在CP的上升沿作用下,实现左移(下移)操作,流向是SL→Q3→Q2→Q1→Q0。
④当S1S0=11时,在CP的上升沿作用下,实现置数操作:
D0→Q0,D1→Q1,D2→Q2,D3→Q3。
74194的功能表如表2所示。
表274194的功能表
输入
输出
工作模式
清零
控制
串行输入
时钟
并行输入
RD
S1S0
DSLDSR
CP
D0D1D2D3
Q0Q1Q2Q3
0
××
××
×
××××
0000
异步清零
1
00
××
×
××××
保持
11
01
01
×1
×0
↑
↑
××××
××××
1
0
右移,DSR为串行输入,Q3为串行输出
1
1
10
10
1×
0×
↑
↑
××××
××××
1
0
左移,DSL为串行输入,Q0为串行输出
1
11
××
↑
D0D1D2D3
D0D1D2D3
并行置数
DSL和DSR分别是左移和右移串行输入。
D0、D1、D2和D3是并行输入端。
Q0和Q3分别是左移和右移时的串行输出端,Q0、Q1、Q2和Q3为并行输出端。
基于双向移位寄存器74194的工作原理及功能,设计出的脉冲环形分配电路图如图7所示。
图7环形分配电路
其工作原理:
方波信号产生电路输出的时钟脉冲从环形分配电路输入端输入,当每送入一个时钟脉冲,输出端就向左或向右移动一位。
开关S2和S3组成了一个简单的正相/反相转动控制电路,先使S2=1,S3=1,开始置数,A端输入高电平,再使S2=1,S3=0,此时寄存器将左移,若将QAQBQCQD都接一个发光二极管,那么此时4个发光二极管的发光顺序为QA->QD->QC->QB->QA,若使S2=0,S3=1,则将向右移。
S1控制电路为单相或双相激励,S1断开时,只有A端单相激励,若S1闭合,则实现A端和B端双相激励。
该电路将方波信号分配给四个端口QAQBQCQD,从而与电机的四相相连。
该部分电路其实包括了正相/反相转动控制电路和单相或双相激励控制电路。
2.4.3功率放大电路设计
该部分电路的唯一功能就是对前级电路的输出端的电流放大,从而足够驱动4相步进电机。
该部分电路图如图8所示。
图8功率放大电路
至此,方波信号产生电路,脉冲环形分配电路,功率放大电路三大主要单元电路都已设计完成。
2.5总体设计
经过以上分析,我们将各部分电路连接,并加以适当控制,即得到了四相步进电机驱动器的总体电路图,总体电路图如图9。
3设计结果的仿真验证
按照总体电路图在仿真软件EWB上一一选择芯片并进行连接,然后启动开关观察。
下面,我们分两部分对设计出的电路进行EWB仿真。
我们将各部分电路在EWB上连接好后,为各个电阻和电容选取适当值,为各个开关设置好适当的键盘打开数值(例如,为某一开关设为1连接,则启动EWB仿真按钮后,在键盘上按1则此开关就由断开状态变为连接状态)然后打开EWB的开关,各级电路输出端接上示波器或者是发光二极管,观察仿真结果,以此来判断电路设计是否成功。
3.1部分电路的仿真
在部分电路的仿真中,我选取了对方波信号产生单元电路和脉冲环形分配单元电路两部分进行仿真,下面分别来看看其仿真的结果。
方波信号产生电路的仿真图如图10所示。
图10方波信号产生电路仿真图
接好仿真图后,启动开关,输出结果如图11所示。
图11方波信号产生电路仿真现象
由仿真结果来看,输出端输出了方波信号,即证实了方波信号产生电路的设计的正确性。
3.1.2脉冲环形分配电路的仿真
该部分电路的仿真电路图如图12所示。
图12脉冲环形分配电路仿真图
该部分仿真的步骤是:
在时钟输入端接一个信号发生器,将其调为方波输出,然后在四个输出端分别接四个发光二极管。
先使S2=1,S3=1,此时开始置数,由于A接高电平,所以置数为1,再使S2=0,S3=1,此时开始右移,若将S2=1,S3=0,则开始左移。
当开关S1断开时,只有单相激励,若将S1闭合,则是双相激励。
仿真结果如图13和图14所示。
图13QAQB端仿真结果
图14QCQD端仿真结果
3.2总体电路的仿真
按照电路图连好后,用示波器分别观察四输出端的波形,其波形与脉冲环形分配电路的仿真图相同,只是电压幅值增加了。
由此证实了所设计的电路的正确性。
4设计方案的论证
本次设计结束,就本次课设所设计的电路,从几个方面简单给与论证。
一.正确性。
虽然设计的电路不算很复杂,主要只包括三个单元电路:
方波信号产生单元电路,环形分配单元电路,功率放大单元电路。
但要正确的设计出电路也不是非常简单的事,从电路的仿真结果来看,设计的步进电机驱动电路的正确性得到证实。
二.简单性。
这里所说的简单性并不是越简单越好,开始做课设时查了一些相关资料,也有很多别人设计的电路,由于当时对所要设计的电路原理不是非常清楚,于是先模仿别人的电路设计,但后来发现一点,并不是电路看上去越复杂越好,只要能够满足设计的要求,应该是越简单越好。
本次设计的电路就比较简单清楚。
三.功能性。
在达到了正确性和简单性的基础上,电路的功能性就体现出来了,它具有课设所需要的所有功能:
实现电机正转/反转控制和转速控制,通过控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序,从而获得所需的转角、转速及转动方向,实现步进电机的单相或双相激励。
5设计器件清单
表3元器件清单
序号
编号
名称
数量
1
74194
四位移位寄存器
1片
2
555
555定时器
1片
3
S1—S3
单刀双置开关
3只
4
R1
1千欧
7只
5
R2
200千欧
1只
6
D1
二极管
6只
7
D2
稳压管
4只
8
C1
1uF
1只
9
C2
0.01uF
1只
10
C3
100uF
1只
11
C4
0.1uF
1只
12
T
理想三极管
4只
13
L
1mH
4只
6步进电机介绍扩展
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。
永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度。
反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。
反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。
混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相:
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛,也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。
步进电机的一些基本参数:
1.电机固有步距角:
它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。
电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°),这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。
2.步进电机的相数:
它是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。
电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。
在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。
如果使用细分驱动器,则‘相数’将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。
3.保持转矩(HOLDING TORQUE):
它是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。
它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。
比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。
4. DETENT TORQUE:
它是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。
DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。
步进电机的一些特点:
1.一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。
2.步进电机外表允许的最高温度。
步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。
3.步进电机的力矩会随转速的升高而下降。
当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。
在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。
4.步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。
步进电机有一个技术参数:
空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。
在有负载的情况下,启动频率应更低。
如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。
步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。
伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。
7设计体会
经过大概一个星期的课程设计,收获不少。
除了把所要求的电路设计出来了以外,更重要的是进一步了解了怎样去做好一份课程设计。
刚开始拿到这个题目时,感到很陌生,因为对电机不是很了解,所以一开始很迷茫,完全不知道该怎么去做。
于是就到图书馆去借资料书,第一步搞清楚步进电机到底是什么,它是怎样工作的,步进电机驱动器又是怎样驱动的。
带着这些问题,我看了一些书,并在网上也查了一些资料,对它有了初步的了解,然后开始了对步进电机驱动器的设计。
后来我了解到,其实步进电机驱动器大概分为三个部分:
方波产生电路,脉冲环形分配电路和功率放大电路。
于是开始对每个单元电路逐一设计:
先是设计方波产生电路,从数电教材第九章很容易想到了占空比可调的方波发生器电路,于是就将其作为我的方波产生电路;接下来是脉冲环形分配电路,这部分就是运用了移位寄存器构成的环形计数器电路;最后的功率放大电路则是运用上学期学过的模电知识了。
每个单元电路的电路图设计出来之后,并不是就是最后的电路图,我还做了适当的修改,保证电路的正确性,同时尽量使电路简明易懂。
经过一番努力,终于我的整体电路图出来了,仿真结果也正确。
虽然这不是第一次做课设了,但相比于上一次的课设,我觉得自己进步了很多,从第一次的茫然不知到这次的按顺序一步一步有规律的进行,通过这次的课设我掌握了课程设计的基本技能,同时也锻炼自己查找资料,认识新知识,了解新知识的能力,学会了怎样去解决所面临的问题,并从中吸取教训。
我觉得这次课设重在过程,结果并不重要,只要认真做好设计的每个步骤,结果自然就出来了。
关键是要提高我们解决问题的能力,运用理论知识的能力,接受新事物新知识的能力。
总之,每做一次课设都有很深刻的体会,都会加深我对理论知识的理解和掌握,我也期待着下一次课设的到来。
参考文献
1.康华光.电子技术基础(数字部分).北京高等教育出版社,2005
2.康华光.电子技术基础(模拟部分).北京高等教育出版社,2005
3.曾建唐.电工电子基础实践教程(下册)实习.课程设计.北京机械工业出版社,2003
4.史敬灼.步进电动机伺服控制技术.北京科学出版社,2006
5.曹汉房,陈耀奎.数字技术教程.北京电子工业出版社,1995
6.李士雄,丁康源.数字集成电子技术教程.北京高等教育出版社,2003
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