全数字三相混合式步进电机驱动器的设计

摘要

步进电机具有无累积误差、定位精度高和成本低等优点，在运动控制中常常见到它的身影。随着数字信号处理器的快速发展以及对低成本和高精度控制系统的追求，研制一款数字型步进电机驱动器，实现电机低功耗、高性能运行，具有较大的工程应用价值。
　　本文首先分析了三相步进电机工作原理及结构特性，为其驱动器的设计打下了理论基础，同时得出混合式步进电机兼有反应式和励磁式步进电机的优点，为今后的发展主流。
　　论文详细介绍了电流跟踪型 PWM、正弦波脉宽调制（SPWM）、电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）这3种PWM调制技术。电流跟踪型PWM是反馈信号跟踪参考信号的电流闭环控制方式，常以单片机为核心的模拟电路实现，控制简单；SPWM和 SVPWM处理方式流程多点，常以 DSP芯片作为其处理单元。但在经常使用的规则采样法输出 SPWM波中，含有较高的谐波分量，电压利用率低，而SVPWM法以其高电压利用率正得到广泛应用。
　　为实现矢量脉宽调制，本文以 TMS320F28031为处理单元，搭建了兼容两相四线制步进电机的数字型三相步进电机驱动器硬件平台，完成了以 SVPWM为主旨的软件编写。同时清晰地给出了硬件和软件各个模块的实现过程，并和之前完成的电流跟踪型PWM控制方式的模拟型驱动器进行对比。
　　最后分析得出，数字型驱动器不仅能同时驱动两相步进电机，具有硬件平台的广泛适用性；而且其输出电流在低细分数时也趋于正弦波，实际驱动电机低噪音、低振动运行，解决了模拟型驱动器在低细分数时不可避免的振荡现象，进一步验证了电压矢量控制方式的优点及其软硬件方案的可行性。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2 步进电机发展概述

1.3 研究意义与目的

1.4 本文主要工作

第2章 步进电机结构与特性

2.1 步进电机工作原理

2.2 步进电机的矩角特性

2.3 步进电机的传递函数

2.4 本章小结

第3章 PWM控制技术

3.1 电流跟踪型PWM控制

3.2 SPWM原理与控制方法

3.3 电压空间矢量SVPWM技术

3.4 本章小结

第4章 三相步进电机驱动器硬件设计

4.1 总体硬件框图

4.2 电源电路

4.3 主控制电路

4.4 功率驱动电路

4.5 电流检测电路

4.6 保护电路

4.7 本章小结

第5章 三相步进电机驱动器软件设计

5.1 软件系统控制方案

5.2 定点DSP的Q格式数据

5.3 总体程序框架

5.4 初始化程序和主循环程序

5.5 PWM中断程序

5.6 定时器中断程序

5.7 保护中断程序

5.8 本章小结

第6章 实验结果及分析

6.1 系统测试平台

6.2 实验波形及分析

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 主要研究工作总结

7.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录