1、 毕业设计（论文）题 目： 三相步进电机驱动器设计 学 院： 机电工程学院 专业班级： 机械工程及自动化 03 班 指导教师： 职称： 学生姓名： 学 号： 摘 要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片 ULN2003AN 的性能、结构的基础上，结合 AT89C52 单片机，设计出了
2、混合式步进电机驱动电路。关键词：步进电机，AT89C52 单片机，ULN2003AN 驱动AbstractStepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization,
3、which has high repositioning precision, and can realize the positive 三相双三拍工作方式运行时，通电顺序为：AB-BC-CA-AB;三相六拍工作方式运行时，通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A,因此要输出相应的控制字进行控制。2.1.3 步进电机的转向控制如果给定工作方式正序换相通电 ,步进电机正转。若步进电机的励磁方式为三相六拍 ,即 A-AB-B-BC-C-CA。如果按反序通电换相 ,即则电机就反转。其他方式情况类似。2.1.4 步进电机的启停控制步进电机由于其电气特性,运转时会有步进感 ,即振动感。为了使电机转动
4、平滑 ,减小振动 ,可在步进电机控 制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波 ,可以减小步进电机的步进角 ,提高电机运行的平稳性。在步进电机停转时 ,为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑 ,则需采用合适的锁定波形 ,产生锁定磁力矩 ,锁定步进电机的转轴 ,使步进电机的转轴不能自由转动。2.1.5 步进电机的速度控制步进电动机运转的速度是由输入到 A、B、C 三相绕组的频率所决定的。脉冲的频率越高，电动机运转的速度越快，否则，速度就越慢。因而通过延时程序控制输出脉冲的频率，就可以实现对步进电机速度的控制。2.2 步进电机的驱动控制技术在混合式步进电动机特点和工作原理的基础上，本章就步进电动机的驱动控制
5、技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式:单电压驱动( 包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)和恒流斩波驱动的工作原理及优缺点，然后重点介绍了细分驱动方式的原理及其模型。2.2.1 一般驱动系统的组成结构步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图 2.1 所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，
6、用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。环形分配器用来接受来自控制器的 CP 脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个 CP 脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于 CP 脉冲的有无或频率的高低。信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电
7、路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信环形分配器信号放大与处理推动级 驱动级保护图 2.1 步 进 电 动 机 驱 动 器 构 成号。有时推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。2.2.2 驱动器的特点为使步进电动机满足各种需要的输出，驱动级必须对电动机绕组提供足够的电压和电流，但步进电动机与一般电子设备的驱动有很多不同点，其主要表现在：1各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交流或直流，而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以
8、绕组电流不是连续的。2电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。3绕组断点时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止，必须设计适当的续流回落。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。4电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。驱动级线路，既要保证绕组有足够的电流
9、电压及正确的波形，同时要保证功率放大器件的安全运行，另外，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。这就必须要设计合理的线路，选用合适的功率器件。驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率晶体管、大功率达林顿晶体管、可控硅、可关断可控硅、场效应功率管、双极型晶体管与场效应功率管的复合管以及各种功率模块等。目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动和细分驱动等。以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点。将在后面详细介绍细分驱动方式。2.3 步进电动机驱动技术分析2.3.1 单电压驱动单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。其原理图如图 2.2 所示，前面推动级输出信号 In 作用于三极管的基级，其集电极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。归结起来，单电压驱动器有如下特点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速下降。图 2.2 单 电 压 驱 动 的 原 理 图图 2.3 单 电 压 串 电 阻 驱 动的 原 理 图
