步進電機驅動控制系統設計
摘要
能實現步進電機的正轉、反轉、手動和自動控制。
步距角為1.5°或3°
已知步進電機的型號是36BF003（屬三相步進電機），工作相電壓的標稱值是27V，相電流的標稱值是1.5A，保持轉距是78mN·m 步距角為1.5°/3° 。
Protel99SE軟體的應用及模擬PCB板的製作。
關鍵詞：步進電機 功率放大電路 TWH8751 Protel99SE
目錄
一、設計目的、意義…………………………..…………………………第2頁
二、步進電機的工作原理…………………………………………………第2頁
三、步進電機的系統組成框圖……………………………………………第5頁
四、單元電路設計…………………………………………………………第6頁
五、步進電機供電電源電路設計………………………………………..第8頁
六、模擬及Protel實驗結果……………………………………………….第9頁
七、Protel99SE軟體介紹………………………………………………….第10頁
八、設計心得………………………………………………………………第11頁.
九、參考文獻………………………………………………………………第12頁
一、設計目的、意義：
1）瞭解步進電機的結構和工作原理。
2）掌握步進電機控制系統的設計方法及其除錯技術。
3）能夠使用電路模擬軟體進行電路除錯。
步進電機驅動控制系統設計內容
二、步進電機的工作原理
.步進電機是將電脈衝訊號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝訊號的頻率和脈衝數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈衝訊號，電機則轉過一個步距角。這一線性關係的存在，加上步進電機只有週期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機並不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈衝訊號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。 目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研製的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的裝置都沒有。僅僅處於一種盲目的仿製階段。這就給戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。籤於上述情況，我們決定以廣泛的感應子式步進電機為例。敘述其基本工作原理。望能對廣大使用者在選型、使用、及整機改進時有所幫助。
三相發電機主要是三相交流同步發電機。其轉子通常為直流勵磁線圈產生的電磁鐵，為發電機工作提供磁場。定子是在空間互差120度電角度的三相交流繞組（按照一定規律連線的線圈組稱為繞組）。
直流電且由原動機帶動三相同步發電機的轉子旋轉時，轉子磁場對定子的三相繞組有相對運動，定子的三相繞組就感應三相交流電。調節轉子線圈通入直流電流的`大小，可以改變定子的三相繞組電壓的大小，改變原動機的轉速，可以改變定子的三相繞組電壓的頻率。
圖1
1、結構：如圖1所示， 電機轉子均勻分佈著很多小齒，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3て，C與齒3向右錯開2/3て，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖：
2、旋轉： 如A相通電，B，C相不通電時，由於磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。 如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊。 如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機就每步（每脈衝）1/3て,向右旋轉。如按A，C，B，A……通電，電機就反轉。 由此可見：電機的位置和速度由導電次數（脈衝數）和頻率成一一對應關係。而方向由導電順序決定。 不過，出於對力矩、平穩、噪音及減少角度等方面考慮。往往採用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導電狀態，這樣將原來每步1/3て改變為1/6て。甚至於通過二相電流不同的組合，使其1/3て變為1/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。並且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以製造任何相的步進電機，出於成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。
3、力矩： 電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量Ф）當轉子與定子錯開一定角度產生力F與（dФ/dθ）成正比
其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑 Br=N·I/RN·I為勵磁繞阻安匝數（電流乘匝數）R為磁阻。力矩=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數*磁密 成正比（只考慮線性狀態）因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。
三、步進電機的系統組成框圖
圖2 步進電機控制系統方框圖?
圖3微機控制步進電機系統結構圖?
圖4
四、單元電路設計
1功率放大電路設計
方案一 使用功率場效電晶體的單電壓功放電路
單電壓功率放大電路是步進電機控制中最簡單的一種驅動電路，圖示是一組繞組驅動電路的原理圖（其他各組饒相的驅動電路與此相同）。圖中，T是功率場效電晶體，L是步進電路一組繞組電感，R為場效電晶體的漏極限流電阻，D為續流二極體，為繞組提供放電迴路。工作原理：當環形分配器輸出的訊號為高平時，T飽和導通，繞組L中產生電流。
單電壓功率放大電路
電路原理如圖5所示。電路的電壓E一般選擇在10～100V左右，有的高達200V，這要視應用場合、步進電機的功率和實際要求而定。這是步進電機控制中最簡單的一種驅動電路。實質上它是一個簡單的反相器。電晶體T用作開關；L是步進電機的一相繞組電感；RL是繞組電阻；RC是外接電阻，也是限流電阻；D是續流二極體。?
圖5 步進電機一相繞組的開關電路圖
單電壓功率放大器的最大特點是結構簡單，缺點是工作效率低，高頻時效率尤其低。電阻RC消耗相當大的一部分能量，且RC的發熱直接影響電路的穩定工作狀態，所以單電壓功率放大電路一般只用來驅動小功率步進電機。?
圖6示出了一種改進的單電壓功率放大電路。
圖6 改進的單電壓功率放大器電路圖
方案2 使用整合功率開關器件構成的斬波形功放電路
整合功率電子開關TWH8751可直接由TTL、CMOS等數位電路直接驅動，該器件開關速度快、工作頻率高、控制功率大、內部開關管反向擊穿電壓為100，加上散熱器後，通過的灌電流可達3A。其輸出管採用集電路開路方式，可以根據負載的要求選擇合適的電壓，片內還沒有過熱減流保護電路。
TWH8751的引腳如圖7所示
圖7
斬波型功率放大電路?
斬波平滑功放電路和工作原理如圖8所示。
斬波形功放電路與普通單電壓功放電路相比較，前者的工作頻率可提高30%左右，力矩可提高10%-25%。效率提高也非常顯著，在輸出功率相同的條件下，斬波電路的輸入功率為單電壓功放電路輸入的一半。
圖8 斬波平滑功放電路圖
五、步進電機供電電源電路設計
步進電機的標稱工作電壓為27V、相電流為1.5A——說明：步進電機的標稱電壓、電流值，並不是額定的電壓、電流值。在實際應用中，步進電機的電壓和電流值是可以根據需要來確定的，但不宜與這個標稱值相差太遠）。選用三端可調正穩壓器CW338，對其調正端ADJ進行控制，則輸出電壓從1.2V到32V連續可調。CW338的最大輸出電流為5A，內部設有限流、過熱和安全保護。
其他CMOS積體電路採用+12V電源供電，可選用固定的三端整合穩壓器LM7812提供。
CW338應用電路
六、模擬及Protel實驗結果
36BF003 圖9
CW338應用電路
七、Protel99SE軟體介紹：
protel99se 簡述
當我們學習了電路、模擬和數位電路之後，就應該把已學到的理論應用到實際中，加深理論的理解，提高自己應用的能力，而如何邁出這一步，通過學習使用protel99電路原理圖與電路板設計軟體，就為這一過程邁出重要的一步。從原理圖的設計、pcb電路版圖的設計製作焊接除錯電子廠品研發走向成功，掌握電子工程師的基本技能。
protel99是一個電子設計自動化軟體，它具有強大的電路自動設計、編輯、管理能力。在電路原理圖的設計環境中，可完成從電路原理圖的設計、檢查、彙總報表、影象輸出，併產生網路表軟體，電路網路表文件是電路原理圖轉換成電路板設計的一個橋樑。再PCB電路板設計環境中，可實現對pcb板自動佈線、編輯、設計、檢查、彙總報表、圖紙輸出等功能。
pcd板圖
八、設計心得：
課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛鍊實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發展的日新日異，步進機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握微控制器的開發技術是十分重要的。
回顧起此次步進機課程設計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子裡，可以說得是苦多於甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說怎樣保護功放管不受損壞，怎樣掌握步進電機的工作電壓，如何控制三相繞組通電的次序……通過這次課程設計之後，一定把以前所學過的知識重新溫故。
這次課程設計終於順利完成了，在設計中遇到了很多程式設計問題，最後在指導老師的辛勤指導下，終於遊逆而解。同時，在指導老師的身上我學得到很多實用的知識，在次我表示感謝！同時，對給過我幫助的所有同學和各位指導老師再次表示忠心的感謝！
九、參考文獻：
1、 談文心 鄧建國 張相臣 《高頻電子線路》 西安交通大學出版社 1996年10月第一版
2、 閻石 《數位電子技術基礎》 高等教育出版社 1998年11月第四版
3、 袁保生 畢滿清 《Protel99SE電路設計實驗指導》 中北大學資訊工程系 2005年2月
4、何書森 何華斌. 《實用電子線路設計速成[M]》 福州:福建科學技術出版社 2004