五相混合式步进电机系统研究

摘要

近年来，随着电力电子技术、微电子技术和微处理机技术的飞速进展，特别是三者在应用中的结合，使步进电动机的驱动系统在不断发展和完善，各项性能指标在不断提高，且系统已按功能模块化，结构愈益简化。五相混合式步进电动机是步进电动机的主要产品之一，在各领域获得到广泛应用，因此对其驱动技术的研究也一直深受重视。BUCK型升频升压驱动是五相混合式步进电动机驱动技术的主要发展方向，是一种高品质的步进电动机驱动系统，但是国内外对BUCK型升频升压驱动系统进行的研究还很不够，见到的文献也不多。步进电动机作为数控系统的执行元件，其走步均匀性一向受到重视。一般来说，人们用步距角精度指标来衡量步进电动机走步均匀性，但在实践中认识到电机的轻重步也是电机走步均匀性的一项重要内容，而轻重步现象对控制精度要求比较高的场合（比如线切割机床）的影响也不容忽视，影响了步进电动机的运行特性。这些涉及步进电动机的单步响应特性。但是国内对这方面的研究还很不够，以致对步进电动机单步响应特性普遍了解很少。造成这种现象的原因主要是影响单步响应特性的因素较多，难以掌握其规律；同时对单步响应特性定量研究的方法和手段还不完善。这就严重地影响了步进电动机的应用和发展。 本文所研究的五相混合式步进电机系统的绕组接法采用星形接法，驱动方式采用BUCK型升频升压驱动，对其进行了完整的描述，建立了包括步进电动机、驱动电路、控制电路在内的整个系统的数学模型，分析研究了其动态特性，并借助于MATLAB/SIMULINK工具建立了整个驱动系统单步响应特性的仿真模型并对其进行了仿真研究，仿真结果与理论分析相符。最后，提出了一种利用FPGA可编程芯片设计步进电机控制电路的方案，详细论述了控制电路的设计原理，实现对五相混合式步进电机的升降速和转向的有效控制，并给出了仿真波形。实现的系统具有结构简单、方便灵活、可移植性强、控制精度高等优点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景及意义

1.2步进电动机概述

1.2.1步进电动机及其发展

1.2.2步进电动机的种类

1.2.3混合式步进电机的发展

1.2.4步进电机特点及其应用

1.2.5技术指标

1.3步进电动机的驱动

1.3.1步进电动机驱动器的组成

1.3.2驱动电路的特点

1.3.3混合式步进电动机驱动器的分类

1.4单步响应特性

1.4.1单步响应特性

1.4.2影响单步响应特性的因数

1.5课题的主要工作

第二章五相混合式步进电动机及其驱动

2.1概述

2.2五相混合式步进电动机

2.2.1混合式步进电机基本结构特点

2.2.2五相混合式步进电机的典型结构

2.2.3五相混合式步进电机的工作原理

2.2.4五相混合式步进电机运行优点

2.2.5五相混合式步进电机的绕组联接方式

2.3五相混合式步进电动机的驱动控制

2.3.1恒流斩波控制

2.3.2恒总电流调频调压驱动

2.3.3电流开环式PWM升频升压驱动

2.3.4升频升压结合恒流控制技术

2.3.5细分驱动技术

本章小结

第三章BUCK型升频升压驱动系统及其数学模型的建立

3.1概述

3.2工作原理

3.2.1系统结构原理图

3.2.2升频升压控制规律

3.3系统单步响应的数学模型

3.3.1电机及功放桥部分的数学模型

3.3.2电压调整器部分的数学模型及递推关系式

3.3.3频压转换部分的数学模型

本章小结

第四章系统单步运行特性的MATLAB仿真研究

4.1概述

4.2走步均匀性

4.3系统单步响应特性的数学模型

4.4 BUCK型升频升压驱动系统单步响应特性MATLAB仿真研究

4.4.1 MATLAB/SIMULINK简介

4.4.2 BUCK型升频升压驱动系统单步响应特性仿真模块图

4.5仿真结果与分析

本章小结

第五章基于FPGA的五相混合式步进电机控制电路的设计与仿真

5.1概述

5.2五相混合式步进电机的控制原理

5.2.1转速控制

5.2.2转向控制

5.3五相混合式步进电机的FPGA控制的实现

5.3.1 FPGA简介

5.3.2控制系统结构框图

5.3.3步进电机的升降速控制的实现及仿真

5.3.4步进电机的转向控制的实现及仿真

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢