宽速自适应细分步进电机驱动器研究

摘要

本文源于某雷达天线伺服执行机构两相混合式步进电机驱动器研究之一。该伺服执行机构采用宽速自适应细分控制方法，使雷达天线高速跟踪、低速扫描的过程中步进电机细分切换速度不突变，停机时通入半电流，具有自锁的功能。 本文重点研究了步进电动机的驱动控制技术，分析了两相混合式步进电动机的结构和工作原理，建立了两相混合式步进电机非线性动态模型，推导了绕组的磁链方程、旋转电压方程、转子运动方程和传递函数的表达式。 基于雷达天线要求具有高速跟踪、低速扫描的特点，本文在电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制技术基础之上，提出宽速自适应细分步进电机控制方法。该控制方法能使步进电机低频振荡和噪声有所减轻、高频不失步，并且在运行的过程中细分切换不产生速度突变。 对步进电动机的励磁绕组中电流进行控制，使步进电动机内部的合成磁场近似为均匀的圆形旋转磁场，合成磁场矢量的幅值决定了步进电动机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量的夹角大小决定了步距角的大小。通过细分模型分析和建立，合理控制电机绕组中的电流保证步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的角度均匀，并在此基础上设计了一种两相混合式步进电动机驱动器。 该驱动器以单片机AT89C51为控制核心，选用具有7位分辨率的PBlVl3960细分芯片，以及LMD18245驱动器件等构成驱动电路，论文从驱动器技术方案、硬件电路、控制软件设计方面进行了详细地论述。 采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分控制技术使电机平稳运行，提高了运行精度，输出转矩在一定转速范围内恒定，且细分选择数目多，当输入脉冲频率在0到5.5KHz中变化，可实现最大128细分到整步的8(2<'n>为0到7的整数)种细分状态运行。 最后对所设计的两相混合式步进电动机驱动器进行了性能测试。测试结果表明：该驱动器达到了系统设计前所提出的各项设计指标。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1步进电机及驱动器国内外研究之现状

1.1.1步进电机国内外研究现状

1.1.2步进电机驱动器国内外研究现状

1.2课题研究背景及主要内容

1.2.1课题研究背景

1.2.2课题研究主要内容及其意义

1.3完成的主要研究工作

1.3.1系统总体方案论证与设计

1.3.2系统硬件电路设计

1.3.3系统控制软件设计与软硬件联调

第2章混合式步进电动机工作原理及其动态方程

2.1步进电动机分类及特点

2.1.1步进电动机分类

2.1.2性能比较

2.2混合式步进电动机结构及其工组原理

2.2.1混合式步进电动机结构

2.2.2混合式步进电动机工作原理

2.3混合式步进电机的动态方程

第3章步进电动机驱动控制研究

3.1步进电机驱动器

3.1.1驱动器的组成

3.1.2驱动器的特点

3.2步进电动机细分原理

3.2.1细分驱动原理

3.2.2细分驱动特点

3.2.3混合式步进电动机细分数学模型

3.3步进电动机驱动方法

3.3.1单电压驱动

3.3.2双电压驱动

3.3.3斩波恒流驱动

3.4宽速自适应细分驱动方法的提出

第4章宽速自适应细分驱动技术

4.1细分恒流驱动数学分析

4.2自适应细分的实现

4.2.1固定细分

4.2.2可调细分

4.3自适应细分

4.4宽速自适应细分

4.4.1宽速自适应细分切换

4.4.2宽速自适应细分带电细分切换调速范围宽

第5章宽速自适应细分步进电动机驱动器硬件实现

5.1系统总述

5.2单片机最小系统

5.2.1 I/O口电路

5.2.2信号隔离电路

5.2.3复位电路

5.2.4晶体振荡电路

5.3细分电路

5.4过流保护电路

5.5功率驱动电路

5.5.1工作原理

5.5.2保护功能的工作原理及应用注意事项

5.5.3典型应用

5.6系统供电电源

5.7系统软件设计

5.8印刷电路板设计

5.9驱动器可靠性保护措施

5.9.1系统保护措施

5.9.2系统抗干扰措施

第6章系统性能测试实验

6.1系统性能测试

6.1.1控制信号的测试

6.1.2细分自适应测试

6.1.3波形检测

6.2实验数据和波形

6.2.1理论波形

6.2.2实验电流波形

6.3实验结果与理论对比分析

6.3.1实验波形和理论波形对比分析

6.3.2实验转速和理论转速对比分析

6.4实验结论

第7章总结与展望

7.1主要研究内容

7.2论文创新点

7.3系统存在的问题及改进措施该驱动器目前存在的问题

7.4后续工作展望

参考文献

在研究生期间已录用的论文

致谢