“步進電機驅(qū)動系統(tǒng)”課程設計研究

1、“步進電機驅(qū)動系統(tǒng)”課程設計研究    摘要：針對應用型本科電氣專業(yè)的特點與要求，為適應電氣領域新的發(fā)展方向，增強學生實踐動手能力，新開設了“電氣控制課程設計”課程新項目，針對其中的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)這個設計題目，給出了全部設計項目參考內(nèi)容及指導事項，該設計項目軟硬件兼顧，難易適中，比較適合一個兩周的課程設計的工作量。 關鍵詞：步進電機驅(qū)動系統(tǒng)；課程設計；軟硬件；GAL 作者簡介：孫冠群（1974-），男，河北淶水人，中國計量學院現(xiàn)代科技學院，講師； 陳衛(wèi)民（1972-），男，江西廣豐人，中國計量學院機電工程學院，副教授。 中圖分類號：G642.0 文獻標

2、識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）14-0055-02 課程設計是典型的實踐類課程，它對培養(yǎng)學生的實踐動手能力非常重要，是典型的理論聯(lián)系實際的教學形式。 電氣控制課程設計是很多高校應用型電氣專業(yè)本科階段一門重要的實踐課程，該課程設計針對電力電子及電機控制方向開設題目。近年來，隨著全社會電機控制應用領域的發(fā)展變化，為適應此種新形式，同時又要適宜高校教學的實際情況，對該課程設計題目進行了改革，設計了“步進電機驅(qū)動系統(tǒng)”課程設計題目，該題目工作量適中、軟硬件兼顧，可充分鍛煉學生的實踐動手能力。 本文給出了步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)軟硬件設計的典型案例，在教學中此案例分階段逐步向?qū)W生公開。 一

3、、設計背景 步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應頻率高等優(yōu)點，因此，其具有瞬間起動與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動元件相比，步進電動機通常不需要反饋就能對位移或速度的精確控制信號執(zhí)行動作，它輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會積累。由于屬于開環(huán)控制，控制系統(tǒng)結構簡單，一般也與多類數(shù)字設備兼容，價格便宜。其廣泛用于簡易數(shù)控機床、送料機構、儀器儀表、光電變換驅(qū)動等領域。 二、設計步驟及要求 第一，學生事先需查閱有關資料，學習并熟悉步進電動機及其基本控制原理。 第二，針對四相步進電動機，在教師指導下確定系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案，并熟悉總體驅(qū)動控制原理。 第三，利用EDA設計軟件（如PROTEL99SE），設計四相步

4、進電動機驅(qū)動器硬件電路原理圖，并與指導教師協(xié)商后確定電路原理圖。 第四，查閱有關資料，熟悉相關元器件，尤其是涉及脈沖分配的芯片（如GAL器件）；編寫四相步進電動機驅(qū)動用雙四拍脈沖分配軟件，并燒錄程序。 第五，焊接調(diào)試主控芯片（如GAL）電路，重點調(diào)試其基本邏輯關系以及正/反轉(zhuǎn)、起停控制信號。 第六，查閱有關資料，熟悉隔離與整形放大器（如光耦、功率放大集成器件）電路結構原理，焊接剩余部分全部電路。 第七，調(diào)試系統(tǒng)電路，要求電機可變脈沖頻率調(diào)速。 第八，依據(jù)查閱的參考資料、設計原理及具體實現(xiàn)方案、調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)及其他結果結論，認真撰寫課程設計報告。 三、設計原理 1.概述 （1）電動機。步進電動機

5、是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機電執(zhí)行元件。每外加一個控制脈沖，電機就運行一步，故稱為步進電動機或脈沖馬達。它可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電動機可以作為一種控制用的特種電機，由于其沒有積累誤差（精度為100%）的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制。本課程設計選用四相繞組結構的永磁式小型步進電動機。 （2）變頻脈沖信號。變頻信號源是一個脈沖頻率能由幾Hz到幾十kHz連續(xù)變化的脈沖信號發(fā)生器，常見的有多諧振蕩器和單結晶體器構成的弛張振蕩器，它們都是通過調(diào)節(jié)R和C的大小，以改變充放電的時間常數(shù)，得到

6、各種頻率的脈沖信號。本課程設計所需的變頻脈沖信號由專用脈沖發(fā)生器提供。 （3）脈沖分配。脈沖分配器又稱環(huán)形分配器，它根據(jù)運行指令按一定的邏輯關系分配脈沖，通過功率放大器加到步進電動機的各相繞組，使步進電動機按一定的方式運行，并實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和定位。脈沖分配器的功能可以用硬件來實現(xiàn)，也可以用軟件來實現(xiàn)。本課程設計的推薦方案采用數(shù)字邏輯器件，通過編寫邏輯軟件程序?qū)崿F(xiàn)。 （4）功率放大。功率放大器的作用是將脈沖發(fā)生器的輸出脈沖進行功率放大，給步進電動機相繞組提供足夠的電流，驅(qū)動步進電動機正常工作。一般小型步進電動機常用MOSFET功率放大集成電路實現(xiàn)。 2.設計原理實現(xiàn) （1）總體電路設計。步進電動

7、機可選用常見12VDC供電的四相永磁式步進電動機。變頻脈沖信號選用常用的函數(shù)（脈沖）發(fā)生器，可方便得到各種頻率的脈沖信號。脈沖分配器采用GAL16V8（或PAL16V8）器件，采用數(shù)字邏輯即FM法編程實現(xiàn)脈沖信號的分配。功率驅(qū)動部分，因設計所用步進電動機繞組電流較小，采用ULN2003達林頓晶體管可滿足功率要求。光耦建議選用TIL113，它是一款較高速的具有一定線性度的光耦放大器，可避免大電流竄入控制電路部分，另外比起一些常規(guī)的光耦，其可通過較高的脈沖頻率，并在合理范圍內(nèi)具有相當?shù)木€性度。總體電路原理圖見圖1。 該電路的CP脈沖即為輸入的可變頻率的數(shù)字脈沖，可實現(xiàn)啟/?？焖倏刂?、正/反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)等

8、。全案也僅需一套直流電源電路產(chǎn)生+12VDC和+5VDC。 下面分別介紹各個部分的設計原理。 （2）脈沖分配器。步進電動機各相繞組是按一定的節(jié)拍，依次輪流通電工作的。為此，需用脈沖分配器將脈沖按規(guī)定的通電方式分配到各相。我們選用四相雙四拍，即任何瞬時有兩相符合運行所需扭矩要求的繞組通電產(chǎn)生扭矩。設A、B、C、D分別表示四相步進電動機的四相繞組，正轉(zhuǎn)方式為AB-BC-CD-DA-AB，反轉(zhuǎn)方式為AB- DA- CD- BC-AB，則其狀態(tài)真值表如表1所示。 表中，當RESET=1時復位，當RESET=0時電動機起動。F表示運行方向，F(xiàn)=1時正轉(zhuǎn)，F(xiàn)=0時反轉(zhuǎn)。A1、B1、C1、D1分別表示前一狀

9、態(tài)的輸出；A2、B2、C2、D2分別表示下一狀態(tài)的輸出。 根據(jù)真值表得邏輯表達式如下： 根據(jù)GAL16V8的管腳配置圖，應用PROTEL提供的PLD語言編輯器，用FM法編程（或REBEL），合并正反向、使能端，可得到以下完整程序： （3）功率放大電路。在GAL16V8脈沖分配器和ULN2003功率放大電路之間加入光電耦合器件TIL113，用來起到電氣隔離作用，隔離電動機啟動、沖擊電流等干擾信號對GAL的影響，確保驅(qū)動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。但加入此光耦后缺點是其輸出速度變低，最高頻率降低，使電動機的調(diào)速范圍不高。特別指出的是，采用該光耦后，通過實驗，該光耦頻率最高要控制在200Hz以內(nèi)，通過核算，在設

10、計調(diào)試中脈沖發(fā)生器提供的最高頻率要低于800Hz。 功率放大所需ULN2003是由7個NPN型大電壓、大電流的達林頓管組成，所有單元都內(nèi)部集成了序列二極管。輸出電壓-0.5V到50V，輸出最大電流可達0.5A，完全符合本設計的要求。因為步進電動機只有四相，只需選用其中的四個輸入端。 四、調(diào)試 所需工具：數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、測速表、脈沖信號發(fā)生器、+5V與+12V直流電源、接示波器電源所需的隔離變壓器等。 調(diào)試重點內(nèi)容：測試GAL器件的輸入輸出信號；測試光耦兩側(cè)信號；測試ULN2003輸出驅(qū)動信號與GAL邏輯信號的一致性；通過給定脈沖信號頻率，核算電動機速度值，并與實測值比較，給出誤差分析結

11、論。 注意事項：啟動時給定脈沖頻率不高于400Hz；數(shù)字示波器所接220VAC電源需經(jīng)隔離變壓器。 五、分組說明 本設計由一個工作團隊共同完成，每個團隊三人，各有側(cè)重，具體分工由三位學生協(xié)商決定，其中： 學生一：主要負責“設計要求”中的1、2、3、7、8項； 學生二：主要負責“設計要求”中的1、2、4、5、7、8項； 學生三：主要負責“設計要求”中的1、2、6、7、8項。 六、設計報告說明 課程設計報告要有前言、系統(tǒng)設計原理或設計方案、系統(tǒng)各小模塊的軟硬件設計思路或?qū)崿F(xiàn)方法、實驗數(shù)據(jù)或其他結果結論，文末列出參考文獻。注意因為每個學生之間的差別，在設計報告中每一位學生對自己單獨負責（其他2位學生配合）的部分要重點闡述（設計思路與實現(xiàn)方法）。最后要對測試結果給出分析結論。 參考文獻： 1孫冠群，于少娟.控制電機與特種電機及其控制系統(tǒng)M.北京：北京大學出版社，2011. 2孫冠群，蔡慧，李璟.控制電機與特種電機M.北京：清華大學出