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多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现

作　者: 孔祥东
导　师: 王伟
学　校: 大连理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 混合式步进电机细分驱动器脉宽调制
分类号: TM383.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构,步进电机的主要优点是有较高的定位精度,无位置累积误差:并且特有的开环运行机制,与闭环控制系统相比减少系统成本,提高了可靠性,在数控领域得到了广泛的应用。但是,步进电机在低速运行时的振动、噪声大,在步进电机的自然振荡频率附近运行时易产生共振,输出转矩随着步进电机的转速升高而下降,这些缺点制约了步进电机的应用范围。步进电机的使用离不开步进电机驱动器,步进电机的运行性能与步进电机驱动器的优劣密切相关。传统的驱动方式偏重使步进电机绕组电流以尽可能短的时间上升到额定值,从而提高电机高速运行时的转矩,造成低速运行时的振动和噪音加大。并且为满足用户对不同步距角的要求,步进电机和配套驱动器的品种繁多,通用性差。本文在调研各种驱动技术的基础上,设计实现了基于正弦电流细分和电流追踪型脉宽调制(PWM)技术的多细分三相混合式步进电机驱动器,包括硬件设计、软件实现和性能实验。正弦电流细分技术基本上克服了传统步进电机低速振动大和噪音大的缺点,减小发生共振的几率。电流追踪型脉宽调制(PWM)技术使电机运行在较大速度范围内转矩保持恒定。本文设计的驱动器有16种细分方式,步距角种类多,有4种不同的输出相电流,以满足不同用户和不同电机的要求。该驱动器的功率驱动部分使用IGBT智能功率模块,提高了驱动器可靠性。实验表明,驱动器细分运行时减弱了混合式步进电机的低速振动,电机运转平稳,大大减轻了噪声;同时该驱动器具有较小的体积、较低的成本和较高的可靠性。驱动器已成功应用到多家企业的制袋机数控系统中。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1．1 步进电机概述  9
  1．2 步进电机的特征  9-10
  1．3 步进电机驱动系统概述  10-11
  1．4 国内外研究概况及发展趋势  11-12
  1．5 本文研究内容  12-13
2 混合式步进电机及其工作原理  13-22
  2．1 混合式步进电机的结构特点  13
  2．2 混合式步进电机的基本工作原理  13-16
  2．3 混合式步进电机的控制特点  16-17
    2．3．1 转矩矢量分析  16
    2．3．2 绕组通电方式  16-17
    2．3．3 步距角的控制  17
  2．4 步进电机的运行特性  17-22
    2．4．1 静态运行状态  17-19
    2．4．2 步进运行状态  19-20
    2．4．3 连续运转状态  20-22
3 步进电机驱动系统  22-41
  3．1 步进电机驱动系统简介  22
  3．2 步进电机驱动器的特点  22-23
  3．3 步进电机相绕组的电气特性  23-25
  3．4 混合式步进电机的驱动电路分类和性能比较  25-30
    3．4．1 双极性驱动器与单极性驱动器  25-27
    3．4．2 单电压驱动方式  27-28
    3．4．3 高低压驱动方式  28
    3．4．4 斩波恒流驱动  28-29
    3．4．5 调频调压驱动  29-30
  3．5 混合式步进电机的细分驱动  30-33
    3．5．1 细分驱动原理  30
    3．5．2 细分驱动的特点  30-31
    3．5．3 恒转矩等步距角细分  31-33
  3．6 正弦脉宽调制技术原理及其控制方式  33-41
    3．6．1 脉宽调制技术(PWM)的基本原理  33-35
    3．6．2 三相SPWM电路构成和工作原理  35-37
    3．6．3 SPWM的调制方式  37-38
    3．6．4 电流追踪型PWM控制  38-41
4 多细分三相混合式步进电机驱动器的总体设计  41-51
  4．1 设计指标  41
  4．2 总体方案设计  41-42
  4．3 硬件选型  42-45
    4．3．1 单片机选型  42-43
    4．3．2 智能功率模块的选型  43-44
    4．3．3 其他元器件选型  44-45
  4．4 供电方案  45-48
  4．5 软件开发语言选型  48
  4．6 驱动器调试测试方案  48-51
    4．6．1 硬件电路调试  48
    4．6．2 软件功能调试  48-49
    4．6．3 驱动器性能测试  49-51
5 多细分三相混合式步进电机驱动器的具体实现  51-67
  5．1 单片机控制电路  51
  5．2 电平转换与第三相正弦波合成电路  51-53
  5．3 电流反馈和比例积分电路  53-54
  5．4 脉宽调制电路  54-56
  5．5 智能功率模块(IPM)相关电路  56-58
    5．5．1 IPM接口电路的设计  56-57
    5．5．2 IPM死区电路设计  57-58
  5．6 开关电源电路  58-59
  5．7 步进电机细分控制软件设计  59-61
    5．7．1 用于电流细分的正弦表的建立  59
    5．7．2 控制软件主要流程及功能  59-61
  5．8 驱动器性能测试  61-64
    5．8．1 绕组电流波形图  61-63
    5．8．2 步进电机运行精度测试  63-64
  5．9 驱动器实物  64-67
结论  67-68
参考文献  68-70
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  70-71
致谢  71-72
大连理工大学学位论文版权使用授权书  72

多细分三相混合式步进电机驱动器研究及实现

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