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步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、手動(dòng)和自動(dòng)控制。
步距角為1.5°或3°
已知步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)是36BF003（屬三相步進(jìn)電機(jī)），工作相電壓的標(biāo)稱值是27V，相電流的標(biāo)稱值是1.5A，保持轉(zhuǎn)距是78mN·m 步距角為1.5°/3° 。
Protel99SE軟件的應(yīng)用及仿真PCB板的制作。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 功率放大電路 TWH8751 Protel99SE
目錄
一、設(shè)計(jì)目的、意義…………………………..…………………………第2頁
二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理…………………………………………………第2頁
三、步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)組成框圖……………………………………………第5頁
四、單元電路設(shè)計(jì)…………………………………………………………第6頁
五、步進(jìn)電機(jī)供電電源電路設(shè)計(jì)………………………………………..第8頁
六、仿真及Protel實(shí)驗(yàn)結(jié)果……………………………………………….第9頁
七、Protel99SE軟件介紹………………………………………………….第10頁
八、設(shè)計(jì)心得………………………………………………………………第11頁.
九、參考文獻(xiàn)………………………………………………………………第12頁
一、設(shè)計(jì)目的、意義：
1）了解步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。
2）掌握步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其調(diào)試技術(shù)。
3）能夠使用電路仿真軟件進(jìn)行電路調(diào)試。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容
二、步進(jìn)電機(jī)的工作原理
.步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)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(shè)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(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。
三相發(fā)電機(jī)主要是三相交流同步發(fā)電機(jī)。其轉(zhuǎn)子通常為直流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的電磁鐵，為發(fā)電機(jī)工作提供磁場(chǎng)。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(dòng)機(jī)帶動(dòng)三相同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)對(duì)定子的三相繞組有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定子的三相繞組就感應(yīng)三相交流電。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變定子的三相繞組電壓的頻率。
圖1
1、結(jié)構(gòu)：如圖1所示， 電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖：
2、旋轉(zhuǎn)： 如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時(shí)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(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 不過，出于對(duì)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(dǎo)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(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩： 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)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(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長(zhǎng)度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/RN·I為勵(lì)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(jī)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(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。
三、步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)組成框圖
圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖?
圖3微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖?
圖4
四、單元電路設(shè)計(jì)
1功率放大電路設(shè)計(jì)
方案一 使用功率場(chǎng)效應(yīng)管的單電壓功放電路
單電壓功率放大電路是步進(jìn)電機(jī)控制中最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路，圖示是一組繞組驅(qū)動(dòng)電路的原理圖（其他各組饒相的驅(qū)動(dòng)電路與此相同）。圖中，T是功率場(chǎng)效應(yīng)管，L是步進(jìn)電路一組繞組電感，R為場(chǎng)效應(yīng)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(dāng)環(huán)形分配器輸出的信號(hào)為高平時(shí)，T飽和導(dǎo)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(dá)200V，這要視應(yīng)用場(chǎng)合、步進(jìn)電機(jī)的功率和實(shí)際要求而定。這是步進(jìn)電機(jī)控制中最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)簡(jiǎn)單的反相器。晶體管T用作開關(guān)；L是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(guān)電路圖
單電壓功率放大器的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是工作效率低，高頻時(shí)效率尤其低。電阻RC消耗相當(dāng)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(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)。?
圖6示出了一種改進(jìn)的單電壓功率放大電路。
圖6 改進(jìn)的單電壓功率放大器電路圖
方案2 使用集成功率開關(guān)器件構(gòu)成的斬波形功放電路
集成功率電子開關(guān)TWH8751可直接由TTL、CMOS等數(shù)字電路直接驅(qū)動(dòng)，該器件開關(guān)速度快、工作頻率高、控制功率大、內(nèi)部開關(guān)管反向擊穿電壓為100，加上散熱器后，通過的灌電流可達(dá)3A。其輸出管采用集電路開路方式，可以根據(jù)負(fù)載的要求選擇合適的電壓，片內(nèi)還沒有過熱減流保護(hù)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(jìn)電機(jī)供電電源電路設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)稱工作電壓為27V、相電流為1.5A——說明：步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)稱電壓、電流值，并不是額定的電壓、電流值。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)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(gè)標(biāo)稱值相差太遠(yuǎn)）。選用三端可調(diào)正穩(wěn)壓器CW338，對(duì)其調(diào)正端ADJ進(jìn)行控制，則輸出電壓從1.2V到32V連續(xù)可調(diào)。CW338的最大輸出電流為5A，內(nèi)部設(shè)有限流、過熱和安全保護(hù)。
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(yīng)用電路
六、仿真及Protel實(shí)驗(yàn)結(jié)果
36BF003 圖9
CW338應(yīng)用電路
七、Protel99SE軟件介紹：
protel99se 簡(jiǎn)述
當(dāng)我們學(xué)習(xí)了電路、模擬和數(shù)字電路之后，就應(yīng)該把已學(xué)到的理論應(yīng)用到實(shí)際中，加深理論的理解，提高自己應(yīng)用的能力，而如何邁出這一步，通過學(xué)習(xí)使用protel99電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)軟件，就為這一過程邁出重要的一步。從原理圖的設(shè)計(jì)、pcb電路版圖的設(shè)計(jì)制作焊接調(diào)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(gè)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它具有強(qiáng)大的電路自動(dòng)設(shè)計(jì)、編輯、管理能力。在電路原理圖的設(shè)計(jì)環(huán)境中，可完成從電路原理圖的設(shè)計(jì)、檢查、匯總報(bào)表、圖像輸出，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表軟件，電路網(wǎng)絡(luò)表文件是電路原理圖轉(zhuǎn)換成電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)橋梁。再PCB電路板設(shè)計(jì)環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)pcb板自動(dòng)布線、編輯、設(shè)計(jì)、檢查、匯總報(bào)表、圖紙輸出等功能。
pcd板圖
八、設(shè)計(jì)心得：
課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，步進(jìn)機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來說掌握單片機(jī)的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。
回顧起此次步進(jìn)機(jī)課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)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(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)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(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說怎樣保護(hù)功放管不受損壞，怎樣掌握步進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識(shí)重新溫故。
這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多編程問題，最后在指導(dǎo)老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，在指導(dǎo)老師的身上我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)，在次我表示感謝！同時(shí)，對(duì)給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！
九、參考文獻(xiàn)：
1、 談文心 鄧建國(guó) 張相臣 《高頻電子線路》 西安交通大學(xué)出版社 1996年10月第一版
2、 閻石 《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》 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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》 中北大學(xué)信息工程系 2005年2月
4、何書森 何華斌. 《實(shí)用電子線路設(shè)計(jì)速成[M]》 福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社 2004
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