三相步进电机驱动电源的研究与实现

摘要

步进电动机在无位置传感器和速度传感器系统中可以实现精确开环控制,同时又具有价格低廉、易于控制、定位准确和计算机接口易于实现等优点,被广泛应用于机械、仪表、工业控制等领域。然而,步进电动机系统的性能和运行品质在很大程度上取决于驱动电源的结构与性能,性能良好的驱动电源可以在最大程度上改善步进电机系统的性能,减少振荡与失步的发生,在高频运行时能够提供足够的转矩。步进电机多数采用绕组电流控制方式,这种方法可以提高供电电压,在高频运行时具有较好的绕组电流波形,而且可保证在一定频率范围内电流恒定,提高步进电动机的高频特性。步进电动机控制脉冲的环形分配多采用软件实现,与传统的逻辑硬件电路的实现方法相比,其控制更灵活、方便,而且易于进行升降速控制。本文在研究三相反应式步进电机工作原理和多种控制方法的基础上,利用MATLAB/Simulink对恒流控制电路进行了仿真研究,给出了仿真结果。采用AT89S51单片机为主控制芯片设计了单片机控制系统,利用软件环分方法对步进电机进行控制,并采用恒电流脉宽调制方法对各绕组进行了恒流控制。最后,搭建了驱动电源试验电路。仿真结果表明,该系统可以在一定频率范围内实现电流恒定控制。在此基础上,确定了给定电压的变化范围和不同频率下的有效调节范围。实验结果可以看出,通过对绕组电流恒定控制大大改善了步进电机高频特性。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 课题研究的目的

1.1.2 课题研究的意义

1.2 国内外现状及发展趋势

1.3 本文研究工作的主要内容

第二章 步进电动机及其驱动技术

2.1 步进电动机的结构及其工作原理

2.2 步进电动机运行方式及特性

2.3 步进电动机的数学模型

2.4 步进电机驱动电源的基本要求及各种电路形式比较

2.5 脉冲宽度调制技术原理及其控制方法

2.5.1 脉宽调制技术的基本原理

2.5.2 恒电流脉宽调制方法

第三章 驱动电源的仿真研究

3.1 驱动电源的仿真模型

3.1.1 系统仿真模型

3.1.2 主电路模块

3.1.3 PWM 发生模块

3.1.4 PI 调节器模块

3.1.5 采样滤波模块

3.2 仿真结果及分析

3.2.1 仿真波形

3.2.2 给定电压范围的确定

第四章 步进电动机驱动电源的硬件电路设计

4.1 系统结构图

4.2 主电路设计

4.2.1 主电路形式及分析

4.2.2 主要器件的选择

4.3 控制电路的设计

4.3.1 单片机的选择

4.3.2 脉冲发生电路

4.3.3 键盘接口

4.3.4 显示电路接口

4.3.5 辅助电源

4.4 恒电流脉宽调制电路的设计

4.4.1 TL494 介绍及PWM 电路设计

4.4.2 IR2110 介绍及 MOSFET 驱动电路设计

4.4.3 滤波电路

第五章 步进电动机驱动电源的软件设计及实验结果

5.1 KEIL C51 集成开发环境

5.2 主程序

5.3 系统子程序

5.3.1 中断子程序

5.3.2 键处理程序

5.4 实验结果分析

5.4.1 脉冲发生器输出

5.4.2 脉宽调制芯片输出

5.4.3 MOSFET 驱动芯片输出

5.4.4 矩频特性的测试

第六章 总结与展望

参考文献

单片机控制电路原理图

驱动部分电路原理图

致谢

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