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多细分混合式步进电机驱动器的研究与设计

作　者: 吴国铖
导　师: 郭庆
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 混合式步进电机 ARM微控制器正弦脉宽调制细分驱动
分类号: TM383.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 288次
引　用: 2次
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内容摘要

步进电机是机电控制元件组件,是广泛应用的一种电机。步进电机的运行需要驱动器的驱动,驱动器把控制步进电机的电脉冲信号转化为步进电机的角位移信号,步进电机的角位移量、速度和加速度可通过控制脉冲的个数和频率实现。因此,步进电机的运行与驱动器性能有密切关系。传统的步进电机驱动器主要存在振荡、噪音和丢步现象,为满足不同类型步进电机的驱动要求,配套的驱动器品种繁多,通用性差。随着功率电子器件和高速微处理器的发展,步进电机细分控制技术朝着数字化、智能化、通用化方向发展。在数字化控制方案中,单片机及专用的DSP一直占据主导地位。近年来,随着ARM芯片的出现和迅速发展,具有高性价比的ARM芯片在高速实时处理能力,丰富的片上资源和人性化的嵌入式软件上具有明显的优势。本文在研究混合式步进电机细分控制技术原理的基础上,设计实现一种以嵌入式ARM控制器(LPC2478)和功率模块为核心的两/三相混合式步进电机驱动系统,包括硬件设计,软件实现和性能实验。本文设计的驱动器有多种细分方式和操作界面,并且支持两类步进电机,一定程度上扩大了通用性。文中首先介绍了混合式步进电机的结构和工作原理,在此基础上对多细分混合式步进电机驱动器进行了详细论述,对控制器中的脉宽调制(PWM)技术做了进一步分析说明。提出了一种开环控制方案。对驱动控制系统和实验平台的软硬件做了详细介绍,给出了硬件结构框图及软件程序流程图,最后对驱动控制系统进行了综合测试。实验表明,驱动控制系统运行时减弱了混合式步进电机的低速振动和噪声,电机运行平稳,运用在控制平台上性能良好。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 步进电机及其驱动概述  8
  1.2 ARM 在步进电机驱动系统中的应用  8-9
  1.3 国内外研究现状  9-10
  1.4 课题研究内容与意义  10-11
  1.5 论文结构安排  11-12
第二章混合式步进电机运行原理  12-19
  2.1 步进电机结构与分类  12-14
    2.1.1 步进电机的分类  12-13
    2.1.2 混合式步进电机结构  13-14
  2.2 混合式步进电机工作原理  14-16
  2.3 混合式步进电机数学分析  16-18
  2.4 本章小结  18-19
第三章混合式步进电机驱动技术研究  19-29
  3.1 概述  19-20
    3.1.1 步进电机驱动系统组成  19-20
    3.1.2 步进电机驱动系统特点  20
  3.2 混合式步进电机传统驱动方式  20-23
    3.2.1 单电压驱动方式  20-21
    3.2.2 高低压驱动方式  21
    3.2.3 调频调压方式  21-22
    3.2.4 斩波恒流驱动  22-23
  3.3 混合式步进电机细分驱动技术  23-26
    3.3.1 混合式步进电机细分驱动特点  23-24
    3.3.2 恒转矩等步距角细分  24
    3.3.3 步进电机绕组波形的选择  24-26
  3.4 正弦脉宽调制技术原理及其控制方式  26-28
    3.4.1 PWM 技术综述  26-27
    3.4.2 SPWM 调制方式  27-28
  3.5 系统控制方案  28
  3.6 本章小结  28-29
第四章系统硬件设计  29-47
  4.1 设计思路与总体框架  29-30
    4.1.1 设计目标  29
    4.1.2 硬件总体框架  29-30
  4.2 驱动信号产生部分  30-35
    4.2.1 驱动器的选择  30-31
    4.2.2 LPC2478 核心系统  31-34
    4.2.3 DA 转换部分  34-35
  4.3 脉宽调制信号处理部分  35-36
    4.3.1 SG3525 的功能原理  35-36
    4.3.2 SG3525 的电路实现  36
  4.4 功率驱动部分  36-42
    4.4.1 三相逆变桥电路  37
    4.4.2 IR2110 功率驱动电路  37-42
  4.5 隔离、保护和检测电路  42-44
    4.5.1 隔离电路  42-43
    4.5.2 保护电路  43
    4.5.3 电流采样电路  43-44
  4.6 系统抗干扰设计  44-46
    4.6.1 形成电磁干扰的基本要素  44-45
    4.6.2 硬件抗干扰设计  45-46
  4.7 本章小结  46-47
第五章系统软件设计  47-59
  5.1 基于前后台系统的软件实现  47-51
    5.1.1 系统软件架构  47-48
    5.1.2 细分驱动子程序  48-49
    5.1.3 串口程序  49-50
    5.1.4 其他程序设计模块  50-51
  5.2 上位机程序实现  51-54
    5.2.1 Mscomm 控件  51-52
    5.2.2 串口初始化  52
    5.2.3 上位机软件流程  52-54
  5.3 基于嵌入式操作系统的软件扩展概述  54-57
    5.3.1 嵌入式操作系统及其移植概述  54-55
    5.3.2 软件设计概述  55-57
  5.4 系统软件调试环境  57
  5.5 本章小结  57-59
第六章系统调试与测试结果分析  59-71
  6.1 测试环境与方法流程  59-60
  6.2 串口通信测试  60-61
  6.3 控制信号产生电路  61-62
  6.4 脉宽调制与功率驱动电路  62-63
  6.5 控制电路相电流测试  63-65
  6.6 电机运行测试  65-67
  6.7 系统运行精度测试  67-68
  6.8 系统运行矩频特性测试  68-69
  6.9 扩展功能测试  69-70
  6.10 本章小结  70-71
第七章总结与展望  71-72
  7.1 总结  71
  7.2 展望  71-72
参考文献  72-75
致谢  75-76
作者攻读硕士期间主要研究成果  76-77
附录A 系统硬件原理图和PCB  77

多细分混合式步进电机驱动器的研究与设计

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