【正文】 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 摘要 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)控制精度高，成本低，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛，但它也有低頻共振等缺點(diǎn)。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙 應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這種硬件結(jié)構(gòu)使該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有體積較小，抗干擾能力較強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。該控制單元消耗資源很小，在采用流水線技術(shù)后，其指令可單周期執(zhí)行，并且工作頻率可達(dá) 100MHZ 。 use IR2175 which is a linear current sensing IC to measure feedback current。s result, this driver has the advantages of easy debugging, high antiinterference ability and lager driving power. Keywords: Step motor。 Driving 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 第 1 章 緒 論 引言 電氣驅(qū)動(dòng)控制 系統(tǒng)是以電機(jī)為控制對(duì)象，以微電子芯片為控制核心，以電力電子功率變換器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的框架下組成的控制系統(tǒng)， 其目的是通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩進(jìn)而控制生產(chǎn)機(jī)械或運(yùn)動(dòng)部件按照人們所希望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)器是密不可分的兩部分，兩者一起統(tǒng)稱為“步進(jìn)電 機(jī)系統(tǒng)”或“步進(jìn)電機(jī)單元”，其運(yùn)行性能是電機(jī)和電路兩者配合所反映出來(lái)的綜合效果。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在大多數(shù)情況下采用開(kāi)環(huán)運(yùn)行的方式，對(duì)轉(zhuǎn)子位置不做檢測(cè)，它的主要運(yùn)行性能指標(biāo)完全依賴于供電電源、負(fù)載和電機(jī)本體。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于自由振蕩頻率 f或者 f/k(k=1, 2, 3? )時(shí)，如果阻尼作用不強(qiáng)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩甚至失步和無(wú)法工作，這就是步進(jìn)電機(jī)的低頻共振現(xiàn)象，一般不允許在共振頻率下運(yùn)行。 因此，隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字化的到來(lái)，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用日益廣泛。步進(jìn)電機(jī)也在數(shù)字控制系統(tǒng)、 工具控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在小步距情況下，通常可以在超低 速下保持高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載 ； 速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。采用細(xì)分控制策略研制的驅(qū)動(dòng)器有望克服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況中存在許多不足之處。 IR2175 直接測(cè)量步進(jìn)電機(jī)繞組的電流，以 PWM 波的占空比的形式將電流反饋信號(hào)和過(guò)流反饋信 號(hào)傳送給 FPGA.。 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一 , 廣泛應(yīng)用在 各種自動(dòng) 化控制系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為 176。 ， 五相的為 176。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒(méi)有意義，用戶 只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。當(dāng)電流從 A 端流入， O 端流出，此時(shí)，磁極 1, 3, 5, 7 分別呈現(xiàn) S, N, S, N 極性，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生整步 轉(zhuǎn)距，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到定子和轉(zhuǎn)子磁極間能產(chǎn)生最大吸引力的位置。 圖 21 永磁式步進(jìn)電機(jī) 一般來(lái)說(shuō)，在不同的相數(shù)和極數(shù)時(shí)，步距角為 mp3600?? 式中 m 表示為拍數(shù) 。 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)又稱為磁阻式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)中僅定子有磁性，轉(zhuǎn)子由鐵心組成，無(wú)磁性。轉(zhuǎn)子鐵心上沒(méi)有繞組，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為 40，每一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的空間角度為 9360 0040 ? 當(dāng)某一相繞組通電，例如 A 相繞組通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立以 AA 為 軸線的磁場(chǎng)，由于定轉(zhuǎn)子上均有齒和槽，所以當(dāng)定轉(zhuǎn)子齒的相對(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)槽處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最小。在 A 相斷電的同時(shí)，給 B相通電，則建立以 BB 為軸線的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過(guò)了 120 度空間角。方向，轉(zhuǎn)子又沿 ABC 方向轉(zhuǎn)過(guò) 1/3 齒距，以使 C 相極定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是步距角小、啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，缺點(diǎn)是斷電時(shí)無(wú)定位 轉(zhuǎn)矩，消耗的功率比較大。圖中單向磁場(chǎng)的磁通均用虛線表示。由于嵌線需要在每個(gè)磁極上去掉一個(gè)齒。所以，在 BB39。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)概述 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)指的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)級(jí)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組的導(dǎo)通和截止，同時(shí)也是對(duì)繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制的技術(shù)。為了改善這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了一種新型驅(qū)動(dòng)方式，就是細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。七十年代后期，單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和普及化，促進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展。 到目前為止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)通常分為單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。 單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)是在單電壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)為電樞繞組回路串入電阻， 用以改善電路的時(shí)間常數(shù)以提高電機(jī)的高頻特性。但是使用這種驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)，其繞組的電流波形在高壓工作結(jié)束和低壓工作開(kāi)始的銜接處呈凹形，致使電機(jī)的輸出力矩有 所下降。 使用以上的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)的步距角只有整步工作或半步工作，步距角已由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)確定。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)際上是直接控制繞組電流的變化來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這使得很多學(xué)者從這個(gè)思路出發(fā)尋求不同類型的步進(jìn)電機(jī)需要的最佳驅(qū)動(dòng)電流波形規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的文獻(xiàn)很多，分別對(duì)細(xì)分?jǐn)?shù)、均勻步距、恒轉(zhuǎn)矩、低噪音、低振動(dòng)、抗干擾等方面進(jìn)行研究，總結(jié)分析這些研究的特點(diǎn)如下 ： (1)必須產(chǎn)生真實(shí)的給定細(xì)分電壓波形，并且普遍采用可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器對(duì) EPROM 存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址，再經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器后輸出，利用模擬器件進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)。 (2)由于步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)繞組電流與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之間的非線性關(guān)系，很難精確的計(jì)算出來(lái)，因此都采用近似的方法。一旦應(yīng)用指標(biāo)、電 機(jī)型號(hào)改變，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)。 (3)通常采用單片機(jī)為控制單元，響應(yīng)速度及可靠性不太高。通常通電方式有：三相單三拍，三相雙三拍， 三相六拍。一般地，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)變化一周時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，因此，步進(jìn)電機(jī)的步距角 ?b 可表示為 Nrmb ??? 式中， Nr 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)， ?m 為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí) 兩相鄰穩(wěn)定磁場(chǎng)之間的夾角。但是在通常的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路中，由于通過(guò)各相繞組的電流是個(gè)開(kāi)關(guān)量，即繞組中的電流只有零和某一額定值兩種狀態(tài)，相應(yīng)的各相 繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)也是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，只能通過(guò)各相的通電平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 組合來(lái)減少 ?m 和 ?b ，因此，這樣可達(dá)到的細(xì)分?jǐn)?shù)很有限。由此可見(jiàn)， 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于細(xì)分步進(jìn)電機(jī)各相勵(lì)磁繞組中的電流。三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是介于永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 之間的一種電機(jī)，其工作原理十分類似于交流永磁同步電機(jī)。從同步電機(jī)控制的角度來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，這就從根本上跳出步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制是對(duì)相電流控制的限制，實(shí)現(xiàn)了全新的脈沖細(xì)分控制。 測(cè)試原理 步進(jìn)電機(jī)是由輸入的脈沖信號(hào)來(lái)加以控制的。 Qa Qb Qc Qd S CLK CW/CCW PULSE 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 23 CW CCW Qa 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 Qb 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 Qc 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 Qd 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 圖 26 為移位寄存器的 4個(gè)輸出在移位時(shí)的狀態(tài) 當(dāng)移位暫存器移位一次，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)一個(gè)角度，而暫存器的移位是由輸入到CLK 的脈沖所決定的，每 輸入 1 個(gè)脈沖則移位一次，因此，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及所旋轉(zhuǎn)的 角度就由輸入脈沖的速率和總脈沖數(shù)所決定。有了這樣的脈沖發(fā)生器，就可以控制步進(jìn)電機(jī)完成一系列復(fù)雜的動(dòng)作，例如加速、減速等。 (2)單片機(jī)的方法 通常，單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào) (clock)來(lái)源于晶振。缺點(diǎn)是 ： 如果所要求的脈沖周期不是單片機(jī)時(shí)鐘 (clock)周期的整數(shù)倍 時(shí)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就有一定的困難。 ② ASIC 具有較高的穩(wěn)定性 。 所以，本研究課題就選用第 (3)種方法，即用專用邏輯電路的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2，步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出脈沖能完成勻速、加速、減速且速率和加減速度都能做到連續(xù)可調(diào)。所選器件在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，要具有較好的性價(jià)比。 (3)控制器輸出信號(hào)的精度達(dá)到 14 位。 主要工作就是在對(duì)正弦波可變細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的深入研究的基礎(chǔ)上，確立總體方案。這樣，我們可以進(jìn)一步的了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理和正弦波細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理，為以后的設(shè)計(jì)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。由 于結(jié)構(gòu)上的限制，它們只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯功能。 PLD（ Programmable Logic Device）是始于上世紀(jì) 70 年代，目前已形成了許多類型的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、速度和性能等都在不斷提高和改進(jìn)。在流行的 CPLD 中， Altera 公司的 Max7000 系列器件具有一定典型性。每個(gè)邏輯陣列塊 LAB 由 16 個(gè)宏單元組成，多個(gè) LAB 通過(guò)可編程連線陣列 PIA 和全局總LAB LAB LAB P I A LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB LAB 可編程邏輯器件（ PLD） 簡(jiǎn)單（ PLD） 復(fù)雜（ PLD） PROM PLA PAL GAL CPLD FPGA 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 線連接在一起。它是一種新型的高密度 PLD， 采用 CMOSSRAM 工藝制作。配置數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在片外的 EPROM 或者計(jì)算機(jī)上，設(shè)計(jì)人員可以控制加載過(guò)程，在現(xiàn)場(chǎng)修改器件的邏輯功能，即所謂現(xiàn)場(chǎng)可編程。 FPGA 將現(xiàn)代的 VLSI 邏輯集成的優(yōu)點(diǎn)、可編程設(shè)計(jì)的靈活制作以及上市快捷的長(zhǎng)處 相結(jié)合，使設(shè)計(jì)者在 FPGA 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件的支持下，現(xiàn)場(chǎng)直接根據(jù)系統(tǒng)要求定義和修改邏輯功能，使一個(gè)包含數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)、百萬(wàn)個(gè)邏輯門的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效、快捷地實(shí)現(xiàn)。 LUT 本質(zhì)上就是一個(gè) RAM。 FPGA 器件在不斷的提高速度容量和降低成本的同時(shí)，使 DSP 的 很多功能以硬件或IP 核的方式直接集成進(jìn)去。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)是 FPGA 在器件編程結(jié)構(gòu)上具有專門的特征，其內(nèi)部邏輯塊和內(nèi)部連線的改變，可以通過(guò)讀取不同的 SRAM 中的數(shù)據(jù)來(lái)直接實(shí)現(xiàn)這樣的邏輯重構(gòu)，時(shí)間往往在納秒級(jí)，有助于實(shí)現(xiàn) FPGA 系統(tǒng)邏輯功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。同時(shí) ， 模擬可編程陣列 ， 數(shù)模 混合可編程陣列 ， 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)陣列器件等新概念也正在涌現(xiàn) 。 ISP 技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了很大的靈活性。因?yàn)?ISR 器件是基于 SRAM 編程技術(shù)，故系統(tǒng)掉電后，芯片的編程信息會(huì)丟失。 VHDL 語(yǔ)言的編寫 在用 VHDL 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)之前，首先得有邏輯電路基礎(chǔ)，再進(jìn)行編程， VHDL 編程語(yǔ)言 跟用其他軟件語(yǔ)言不同，雖然語(yǔ)法看上去也是一種編寫軟件的語(yǔ)言，但 VHDL 語(yǔ)言和編寫軟件的語(yǔ)言如 C 語(yǔ)言是有根本區(qū)別的。任何復(fù)雜的程序在一個(gè)單 CPU 的計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行，永遠(yuǎn)是單向和一維的。 對(duì) 于電路系統(tǒng)內(nèi)部的子系統(tǒng)乃至部分元器件的工作狀態(tài)和工作方 式可以是相互獨(dú)立、互不相關(guān)的，也可以是互為因果的。這要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員擺脫一維的思維模式，以多維并發(fā)的思路來(lái)完成 VHDL 的程序設(shè)計(jì)。 1， VHDL 庫(kù)和程序包 庫(kù)是存放可編譯的設(shè)計(jì)單元的地方，通過(guò)其目錄查詢和調(diào)用。 2，實(shí)體 實(shí)體是能表達(dá)完整系統(tǒng)，電路板和芯片小函數(shù)和邏輯 功能的設(shè)計(jì)概述。 VHDL 允許采用不同的格式來(lái)寫設(shè)計(jì)的構(gòu)造。今天， VHDL 已成為數(shù)字電路和系統(tǒng)的描述，建模，綜合的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。要避免這種情況，應(yīng)該這樣寫 ： If wr =` 139。一個(gè)用 VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序能否通過(guò)綜合并實(shí)現(xiàn)到具體器件上，與其寫法有很大的關(guān)系。延遲的時(shí)間大小與電路復(fù)雜度和所選用的器件有關(guān)。所以，編寫 VHDL程序的時(shí)候要考慮到這些問(wèn)題。 平頂山工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 36 第四章 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的主要構(gòu)成如圖所示，一般山環(huán)形分配器、信號(hào)處