3A、80V三相六拍步进电机驱动设计.docx

任务与分析O1步进电机工作原理12总体设计方案22.1步进电机驱动方案的比较2单电压限流型驱动电路2凹凸压切换型驱动电路3斩波恒流驱动电路3调频调压驱动电路4细分驱动方式53步进电机驱动器电路原理图63.1 环形安排器的电路原理图6环形安排器的设计63.2 斩波恒流驱动电路原理图7及其驱动电路8信号反馈电路94功率器件的选择与计算104.1 功率半导体的选择104.2 相关元件的选择104.3 相关电阻值的计算105系统调试125.1仿真结果12总结14参考文献15摘要本文设计一种步进电动机斩波恒流驱动器。该电路采纳硬件环形安排器产生电脉冲，以IGBT作为驱动器的核心限制器件。其特点是限制性能良好，有效提高步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性特性等。斩波恒驱动电路采纳IGBT为开关管。这是一种新型的全控型电压驱动式功率半导体器件。它集众多优点与一身，高耐压、大电流、高速、开关频率高、低饱和压降、高牢靠性。特别适合用来设计步进电动机的驱动器。步进电机驱动器依据其驱动方式可以分为如下几种：恒压驱动、凹凸压驱动、变频变压驱动以及斩波恒流驱动等。对于不同的驱动方式，电机的起动特性和运行特性是不同的。几种驱动方式相比，斩波恒流驱动具有高频响应性能好，榆出转矩匀称，无共振现象等优点，从而成为当今步进电机驱动的主要方式。步进电机的运用性能与它的驱动器有着亲密的关系，步进电机的恒流斩波驱动技术从肯定程度上解决了步进电机运行中的一些问题，如电源效率低、电流波形差等。关键词：步进电机驱动器IGBT任务与分析本组课程设计题目为3A/80V三相六拍步进电机驱动设计。要求采纳集成触发环形安排器实现三相六拍的脉冲安排，功率驱动器则采纳斩波恒流驱动电路。本课程设计的目的在于通过设计步进电机的驱动器，从而了解步进电机的工作原理及步进电机的四种基本驱动电路，并通过完成步进电机的斩波恒流驱动电路，提高步进电机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯性矩频特性，实现步进电机高效而又稳定的限制。1步进电机工作原理图1-1步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。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”），带动机械转动一小段角度。步进电机按反应原理可分为：反应式、永磁式、混合式,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。如图17所示，定子内圆周匀称分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。转子有四个齿。A相绕组通电，B、C相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种状况下，转子必定转到图2-2（八）所示位置：1、3齿与A、A，极对齐。同理，B相通电时，转子会转过30。角，2、4齿和B、B'磁极轴线对齐，如图2-2（b）所示；当C相通电时，转子再转过30。角，1、3齿和C'、C磁极轴线对齐，如图2-2（c）所示。这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。按BC的依次给三相绕组轮番通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30°（步距角），每个通电循环周期（3拍）转过90°（一个齿距角）。若按AABBBCCCA的依次给三相绕组轮番通电的方式称之为三相六拍工作方式。即每一拍转过15。（步距角），每个通电循环周期（3拍）转过45°（一个齿距角）。除此之，外还有三相双三排等方式。所以，采纳这种不同的通电方式可以获得更精确的限制特性。图2-22总体设计方案从步进电机的工作原理可知，步进电动机绕组所加的电源是脉冲电压。而如何由限制信号产生能驱动步进电动机工作的脉冲电压则是本课程设计的主要任务。我们设计的步进电动机限制系统如图2T所示。图2-1步进电动机限制系统框图其中限制信号输入限制脉冲，并且限制输入脉冲的频率及脉冲个数。环形安排器的主要功能是采集限制信号并将脉冲按肯定的规律安排到电动机的各项绕组上,环形安排器还能限制步进电机的通电方式。功率放大器则是设计的重点，其功能是将环形安排器产生的脉冲进行功率放大。2.1步进电机驱动方案的比较由环形安排器送来的限制脉冲电流只有几毫安，而步进电动机的定子绕组须要很大的电流才能驱动其转子旋转。一般采纳功率放大器将环形安排器送来的脉冲电流进行放大,且功率放大器的负载为步进电动机的绕组，是感性负载，故与一般功率放大器相比，步进电动器运用的功率驱动器有其特殊性，如电感比较大会影响快速性、感性负载会带来工功率管爱护问题等。因此步进电动机的驱动方案设计对步进电机的限制尤为重要。本组课程设计要求采纳斩波恒流驱动电路,这种驱动电路特别优秀能有效的提高步进电动机的运行性能。但步进电机的驱动电路并非这一种，还有以单电压驱动电路、凹凸压驱动电路、调频调压驱动电路以及细分驱动电路，以下做简洁介绍及比较。2.2.1单电压限流型驱动电路如图27所示是步进电动机一相的驱动电路，这是一种简洁的驱动电路。其中1.是电动机绕组，晶体管VT可以认为是一个无触点开关，它的志向工作状态应使电流流过绕组1.的波形尽可能接近矩形波。但是由于电感线圈中的电流指数规律上升，其时间常数，须经过的时间后才能达到稳态电流。由于步进电动机绕组本身的电阻很小，所以，时间常数很大，从而严峻影响电动机的启动频率。为了减小时间常数，在励磁绕组中串以电阻R,这样时间常数就大大减小，缩短了绕组中电流上升的过度过程，从而提高了工作速度。在电阻R两端并联电容3是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部着陆在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C又称为加速电容。二极管V在晶体管VT截止时起续流和爱护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻RD使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。这种电路的缺点是R上有功率消耗。为了提高快速性，需加大R的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高，功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的运用受到了限制。2.2.2凹凸压切换型驱动电路为了使通电时绕组能快速到达设定电流，关断时绕组电流快速衰减为零，同时又具有较高的效率，出现了凹凸压驱动方式。如图2-2所示，Th、Tl分别为高压管和低压管，Vh>Vl分别为凹凸压电源，Ih、Il分别为凹凸端的脉冲信号。在导通前沿用高电压供电来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。凹凸压驱动可获得较好的高频特性，但是由于高压管的导通时间不变，在低频时，绕组获得了过多的能量，简洁引起振荡。可通过变更其高压管导通时间来解决低频振荡问题，然而其限制电路较单电压困难，牢靠性降低，一旦高压管失控，将会因电流太大损坏电机。+伞2.2.3斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动电路的原理和电流波形如图2-3所示，它的工作原理是：环形安排放弃输出的脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则VT、VT导通。由于U电压较高，绕组回路又没有电阻,所以绕组中的电流快速上升。当绕组中的电流上升到额定值以上某个数值时，由于采样电阻R的反馈作用，经整形、放大后电流送至VT的基极，是VT截止。截止绕组由U低压供电，绕组中的电流马上下降，但刚降至额定值以下时，由于采样电阻R的反馈作用，整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使VT导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动、呈锯齿状的电流波形，近似恒流，所以斩波电路也称为斩波恒流驱动电路。锯齿波的频率可通过调整采样电阻R和整形电路的电器调整。图2-32. 2.4调频调压驱动电路无论是凹凸压功放电路还是斩波恒流功放电路，为了提高驱动系统的高频响应，都采纳了提高供电电压、加快电流上升前沿的措施。但是，这些措施一般都会带来低频振动家具的不良后果。从原理上讲，为了减小低频振动，低速时绕组电流上升的前沿应较为平缓,这样才能使转子在达到新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时电流则应有较为陡的前沿，以产生足够的绕组电流，这样才能提高步进电动机的负载实力。这就要求驱动电源对绕组供应的电压与电动机运行频率建立干脆联系，即低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。调频调压驱动方式可以较好的满意这一要求。调频调压驱动电路如图2-4所示，它可分成三部分：开关调压、调频调压限制和功率放大。电压一般与频率成线性关系。在志向条件下，保持步进电动机力矩不变，电源电压将随工作频率的上升而上升，随工作频率的下降而下降。调频调压限制部分由单片微机组成，依据要求由I/O输出步进限制信号，然后再到功放电路；I/O输出调压信号到开关调压部分。R21.1放大图2-42. 2.5细分驱动方式这是该系统采纳的驱动方法。细分驱动最主要的优点是步距角变小，辨别率提高，且提高了电机的定位精度、启动性能和高频输出转矩；其次，减弱或消退了步进电机的低频振动，降低了步进电机在共振区工作的几率。可以说细分驱动技术是步进电动机驱动与限制技术的一个飞跃。细分驱动是指在每次脉冲切换时，不是将绕组的全部电流通入或切除，而是只变更相应绕组中电流的一部分，电动机的合成磁势也只旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流不是一个方波而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。目前实现阶梯波供电的方法有：(1)先发达后叠加。这种方法就是讲通过细分环形安排器嗦形成的各个等幅等宽的脉冲分别进行放大，然后再步进电动机绕组中叠加起来形成阶梯波，如图所示。在这种状况下，驱动电动机的功率管工作开关状态，效率较高，但用的元件较多，体积大，因此适用于大功率步进电动机。(2)先叠加后放大。这种方法利用运算放大器来叠加，或采纳公共负载的方法，把方波合成阶梯波，然后对阶梯波进行放大再去驱动步进电动机，如图所示。在这种状况下，驱动电路的功率管工作放大区，损耗较大，因此只适用于小功率步进电动机。3步进电机驱动器电路原理图本驱动器的电路原理图分为两大部分，第一部分是集成触发器型环形安排器的电路原理图，其次部分则是斩波恒流驱动电路原理图。3.1环形安排器的电路原理图复位图3-13. 1.1环形安排器的设计如图3-1所示为本组设计的集成触发器型环形安排器。为了实现步进电机三相六拍的通电方式环形安排器的主体采纳三个J-K触发器。三个J-K触发器的Q输出端分别各自的功放线路与步进电动机A、B、C三相绕组连接。当Qa=I时，A相绕组通电；当Qb=I时，B相绕组通电；QC=I时，C相绕组通电。W-和W+则是步进电动机的正、反转限制信号。当正转时开关SW4打向上端，W+=l,W-=O,各相通电依次为：A-AB-B-BC-C-CAo反转时开关SW4打向下端，W+=0,W-=I,各相通电依次为：A-AC-C-CB-B-BA0CP端输入脉冲信号。复位端输入复位脉冲。安排器的主体JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能敏捷地转换其他类型的触发器。jk触发器的工作原理是当J=l,K=O时，每输入一个时钟脉冲触发器置1一次；J=O,K=I时，每输入一个时钟脉冲触发器置O一次；J=K=O时，每输入一个时钟脉冲触发器置保持一次；J=K=I时，每输入一个时钟脉冲触发器置翻转一次；由环形安排器的电路原理图可得到环形安排器的逻辑状态真值表如表3-1所示，表中以正向安排为例，其中Cji=W+W.c，Cj2=W+g+W.Qa,Cj3=W+G÷W.O序号限制信号状态输出状态导电绕组CjlCj2Cj3QAQBQCOIlO100A1OlOIlOAB2OllOlOB3OOlOll14IOlOOlC5100IOlCA6IlO100A表3-13. 2斩波恒流驱动电路原理图如图3-2所示为本组设计的步进电动机一相绕组的斩波恒流驱动电路。其工作原理是:环形安排器输出的脉冲作为输入信号，若脉冲为正，经过光电隔离与放大驱动Q2和Q5导通，高电压加在电机绕组1.l上使电流增加，当电流增大至额定电流以上时，采样电阻R2上的电压增高，使电压比较器输出低电平并通限制门输出关断信号，让Q2截止，绕组上的电流由低电压供应，电流渐渐降低，取样电阻上的电压降低，反馈回的信号又使限制门输出开通信号，信号经光电隔离与放大后驱动Q2再次导通，绕组1.I上的电流又激增。如此循环往复，使电流在额定电流3A值上下，从而满意设计要求。元器件Q2与Q5为IGBT,又称绝缘栅双极型晶体管,是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的实力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。IGBT的开通与关断是由栅极与放射极电压Uge来限制的，当Uge大于开启电压Uge（th）时IGBT开通，当栅极和放射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。如图3-2中元器件Ull、Rll、D6、R13组成的电路为IGBT的驱动电路。其主要功能是为IGBT供应稳定而牢靠的驱动电压使其能正常工作，同时也要求具有肯定的爱护功能和较好的抗干扰实力。Ull为光耦合器，亦称光电隔离器。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，光耦合器一般由三部分组成：光的放射、光的ViRHeCZ100本D6R13Vo20kVU接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(1.ED),使之发出肯定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。D6为稳压二极管，由D6与R13组成简洁的稳压电路，其功能是为IGBT供应稳定的电压C图3_3如图3-3所示可知，V0=VrIR=Vz0当V,增加时，Vo将随着上升，加于D6的两端反向电压加大，从而引起通过D6的电流IZ大大增加，限流电阻RII上的电流IR=Iz+I.也跟着大大的增加，RIl上的压降IKR也加大，结果V,的增加量绝大部分落在限流电阻RIl上，是输出电压VO基本维持恒定。其稳压过程可描述如下：V/V0(=VIrR)TIzTIr(=Iz+1.)V(IR)VOJ结果使Vo基本维持不变。同理，当V,下降时，I.减小，R上压降减小，也能维持V。基本不变。值得留意的是，Vz较小的变更，能引起IZ较大的变更，从实现IGBT栅极与基极之间的电压稳定。3. 2.2信号反馈电路反馈电路由电压比较器、采样电阻Re及与非门组成。该电路的功能是将采样电阻Re获得的电压与电压比较器的同向端设定的电压进行比较。本电路中采纳的是集成电压比较器，因而可以干脆接数字电路的H1.门电路。当反向输入端的电压低于同向输入端所加电压时，比较器输出逻辑高电平“1”。反之则输出逻辑低电平“0”。之后通过与、非门限制IGBT的开通与关断。其中Re电阻值为0.2Q,设定电压比较器同向端电压0.6V,这样便能限制步进电动机绕组中的电流值稳定在3A左右。4功率器件的选择与计算功率器件也被称为电力电子器件，主要是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流实力的半导体器件。依据电力电子器件能够被限制电路信号所限制的程度分为三类。不行控器件、半控型器件以及全控型器件。4.1功率半导体的选择在斩波恒流电路的设计中，选择的功率半导体器是主流的全控型器件IGBT0Igbt的选择主要依据限制电路的电压等级、须要的电流大小及其过载实力。IGBT的电压规格与所运用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。运用中当IGBT集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。步进电机额定电流3A额定电压80V。依据设计要求查表选择MG25N2S1型25100OV的IGBT0其集电极与放射极间能承受的最大电压为1000V,额定集电极电流Ic=25A,集电极-放射极饱和电压(即导通压降)为3V,开关时间为2.4微秒。基本能满意要求。4. 2相关元件的选择电路中二极管Dl在IGBT截止时起续流和爱护作用。依据运用要求查表选择一般二极管ln9140其能承受的反向电压100v,管压降Iv,最大整流电流75m0为使IGBT能顺当导通，必需保证栅极与放射极电压大于开启电压(5v20v),依据这个要求选取稳压二极1114744,其稳压电压15v,稳定电流17mA。光耦合器则选用通用的npn型光耦合器。电压比较器选用单电压、中速、通用型比较器tlc3720电路中的逻辑与、非门无特殊要求,选用一般型与门741s08与一般型非门741s04o4. 2相关电阻值的计算图4-1如图4T所示，由TT1.的特性可知l()16mA°红外发光二级管的驱动电流必需满意F16mA,还须要有肯定的余量，所以设计为If=IOmA,这时的输入电阻R1为：R1=(Vcc-Vf-V0l)lf=(5-1.3-0.4)/0.01=330,其中,VF为发光二极管的导通压降为1.3V；V。为逻辑非门的导通压降为0.4V。在电路原理图中R11为IGBT的栅极电阻。其作用有以下几点：1、消退栅极振荡，2、转移驱动器的功率损耗3、调整功率开关器件的通断速度。栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变更率大大提高，从而产生较大的干扰，严峻的将使整个装置无法工作，因此必需统筹兼顾。参考表4-1选择R11为1000IGBT额定电流（八）50100200300600栅极阻值范围(Q)10-205.6-103.9-7.53-5.61.6-3表4-1防止在未接驱动引线的状况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT,因在栅极与射极间穿电阻。查表选取R13为20kQ°R3的作用是在IGBT关断时，使绕组产生的反电动势引起的电流下降得更快，从而使绕组电流波形后沿变陡峭。5系统调试本限制系统的设计主要采纳的是ProtUeS软件。PrOteUS是世界上闻名的仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，完善的电路仿真功能。能实现数字/模拟电路的混合仿真；是学习单片机、模拟、数字电路的一个特别好的工具。5.1仿真结果通过在PrOteUS软件上反复地调试最终在示波器上输出了相关波形。如图5/所示，为环形安排器的仿真结果。是通过示波器测得的Qa.Qb、Qc的波形。由波形可知步进电机的通电方式为A-AB-B-BC-C-CAo所设计的环形安排器满意设计要求。图5-1如图5-2所示，为示波器所测步进电机A相绕组的电流波形。其波形成锯齿状。通过电流表测得其电流稳定在3A左右。满意设计要求。ha1111elAChannelCDigitalOscilloscope画1ChannelBChannelD图5-2总结本次课程设计要求完成步进电机驱动器设计。这是一个有关功率半导体器件的设计，所涉及的学问包含电力电子、数字电路以及模拟电路。而这方面的学问正是我所欠缺的。刚起先设计时便感到困难重重，不过我并没有放弃。通过两周的深化学习以及查阅资料,使我对各种驱动器的工作原理有了深化的了解。在设计中，也了解了不少电力电子元器件。在环形安排器的设计时相识了JK触发器，它是各类集成触发器中功能最齐全、通用性好。在斩波恒流驱动电路的设计中，接触到了特别重要的功率半导体器件IGBT。它是双极型三极管与绝缘栅型场效应管的综合体。集两种器件的有点与一体的全控型电压驱动式功率半导体器件。在设计过程中，通过学习相关学问。使我收获良多。在本次设计过程中我们遇到了不少困难。特殊是在Proteus中进行模拟电路设计与仿真，由于不太熟识这方面的应用。常常出现选择的元器件无法进行仿真，在仿真过程中也常常出现问题，并且找不到问题的所在。好在有杜老师的细心检查找出了问题所在，同时还耐性地给我讲解了功率驱动器设计的关键要点。最终通过努力基本完成了功率驱动器的设计，并仿真胜利。最终在此感谢杜老师及同学对于我的帮助。参考文献1邓星钟机电传动限制.武汉：华中科技出版社,20122王兆安、黄俊电力电子技术.北京：机械工业出版社,20103阳鸿钧IGBT好用备查手册.北京：中国电力出版社,20084周志敏、周纪海、纪爱华IGBT和IPM及其应用电路.北京：人民邮电出版,20085潘金火、吴金灿.一种步进电动机绕组电流可调的驱动电路.机械与电子，1988,(4)：4144