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步进电机驱动控制系统设计
步进电机驱动控制系统设计
摘要
能实现步进电机的正转、反转、手动和自动控制。
步距角为1.5°或3°
已知步进电机的型号是36BF003（属三相步进电机），工作相电压的标称值是27V，相电流的标称值是1.5A，保持转距是78mN·m 步距角为1.5°/3° 。
Protel99SE软件的应用及仿真PCB板的制作。
关键词：步进电机 功率放大电路 TWH8751 Protel99SE
目录
一、设计目的、意义…………………………..…………………………第2页
二、步进电机的工作原理…………………………………………………第2页
三、步进电机的系统组成框图……………………………………………第5页
四、单元电路设计…………………………………………………………第6页
五、步进电机供电电源电路设计………………………………………..第8页
六、仿真及Protel实验结果……………………………………………….第9页
七、Protel99SE软件介绍………………………………………………….第10页
八、设计心得………………………………………………………………第11页.
九、参考文献………………………………………………………………第12页
一、设计目的、意义：
1）了解步进电机的结构和工作原理。
2）掌握步进电机控制系统的设计方法及其调试技术。
3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。
步进电机驱动控制系统设计内容
二、步进电机的工作原理
.步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。
三相发电机主要是三相交流同步发电机。其转子通常为直流励磁线圈产生的电磁铁，为发电机工作提供磁场。定子是在空间互差120度电角度的三相交流绕组（按照一定规律连接的线圈组称为绕组）。
直流电且由原动机带动三相同步发电机的转子旋转时，转子磁场对定子的三相绕组有相对运动，定子的三相绕组就感应三相交流电。调节转子线圈通入直流电流的大小，可以改变定子的三相绕组电压的大小，改变原动机的转速，可以改变定子的三相绕组电压的频率。
图1
1、结构：如图1所示， 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：
2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是步进电机旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。
3、力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=N·I/RN·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。力矩=力*半径力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。
三、步进电机的系统组成框图
图2 步进电机控制系统方框图?
图3微机控制步进电机系统结构图?
图4
四、单元电路设计
1功率放大电路设计
方案一 使用功率场效应管的单电压功放电路
单电压功率放大电路是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，图示是一组绕组驱动电路的原理图（其他各组饶相的驱动电路与此相同）。图中，T是功率场效应管，L是步进电路一组绕组电感，R为场效应管的漏极限流电阻，D为续流二极管，为绕组提供放电回路。工作原理：当环形分配器输出的信号为高平时，T饱和导通，绕组L中产生电流。
单电压功率放大电路
电路原理如图5所示。电路的电压E一般选择在10～100V左右，有的高达200V，这要视应用场合、步进电机的功率和实际要求而定。这是步进电机控制中最简单的一种驱动电路。实质上它是一个简单的反相器。晶体管T用作开关；L是步进电机的一相绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻，也是限流电阻；D是续流二极管。?
图5 步进电机一相绕组的开关电路图
单电压功率放大器的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，高频时效率尤其低。电阻RC消耗相当大的一部分能量，且RC的发热直接影响电路的稳定工作状态，所以单电压功率放大电路一般只用来驱动小功率步进电机。?
图6示出了一种改进的单电压功率放大电路。
图6 改进的单电压功率放大器电路图
方案2 使用集成功率开关器件构成的斩波形功放电路
集成功率电子开关TWH8751可直接由TTL、CMOS等数字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、控制功率大、内部开关管反向击穿电压为100，加上散热器后，通过的灌电流可达3A。其输出管采用集电路开路方式，可以根据负载的要求选择合适的电压，片内还没有过热减流保护电路。
TWH8751的引脚如图7所示
图7
斩波型功率放大电路?
斩波平滑功放电路和工作原理如图8所示。
斩波形功放电路与普通单电压功放电路相比较，前者的工作频率可提高30%左右，力矩可提高10%-25%。效率提高也非常显著，在输出功率相同的条件下，斩波电路的输入功率为单电压功放电路输入的一半。
图8 斩波平滑功放电路图
五、步进电机供电电源电路设计
步进电机的标称工作电压为27V、相电流为1.5A——说明：步进电机的标称电压、电流值，并不是额定的电压、电流值。在实际应用中，步进电机的电压和电流值是可以根据需要来确定的，但不宜与这个标称值相差太远）。选用三端可调正稳压器CW338，对其调正端ADJ进行控制，则输出电压从1.2V到32V连续可调。CW338的最大输出电流为5A，内部设有限流、过热和安全保护。
其他CMOS集成电路采用+12V电源供电，可选用固定的三端集成稳压器LM7812提供。
CW338应用电路
六、仿真及Protel实验结果
36BF003 图9
CW338应用电路
七、Protel99SE软件介绍：
protel99se 简述
当我们学习了电路、模拟和数字电路之后，就应该把已学到的理论应用到实际中，加深理论的理解，提高自己应用的能力，而如何迈出这一步，通过学习使用protel99电路原理图与电路板设计软件，就为这一过程迈出重要的一步。从原理图的设计、pcb电路版图的设计制作焊接调试电子厂品研发走向成功，掌握电子工程师的基本技能。
protel99是一个电子设计自动化软件，它具有强大的电路自动设计、编辑、管理能力。在电路原理图的设计环境中，可完成从电路原理图的设计、检查、汇总报表、图像输出，并产生网络表软件，电路网络表文件是电路原理图转换成电路板设计的一个桥梁。再PCB电路板设计环境中，可实现对pcb板自动布线、编辑、设计、检查、汇总报表、图纸输出等功能。
pcd板图
八、设计心得：
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，步进机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
回顾起此次步进机课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说怎样保护功放管不受损坏，怎样掌握步进电机的工作电压，如何控制三相绕组通电的次序……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多编程问题，最后在指导老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在指导老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
九、参考文献：
1、 谈文心 邓建国 张相臣 《高频电子线路》 西安交通大学出版社 1996年10月第一版
2、 阎石 《数字电子技术基础》 高等教育出版社 1998年11月第四版
3、 袁保生 毕满清 《Protel99SE电路设计实验指导》 中北大学信息工程系 2005年2月
4、何书森 何华斌. 《实用电子线路设计速成[M]》 福州:福建科学技术出版社 2004
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