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科技
CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY
科技论文检索与写作实践
题目:
步进电机驱动器的研究
二级学院(直属学部):
延陵学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
09电Y1
学生姓名:
尚严鑫
学号:
09120920
指导教师姓名:
胡圣尧
职称:
讲师
2013年03月01日
摘要
步进电机又称脉冲电动机,是数字控制系统中的一种执行元件。
其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移,且其输出转角、转速与输入脉冲个数、频率有着严格的同步关系[1][1]。
步进电机由于其本身的特点,在具体的应用中有利于装置或设备的小型化和低成本。
因而,广泛地应用在众多的领域中并得以不断的发展。
虽然步进电机是一种数控元件,易于同数字电路接口。
但是,一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机,必须有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机[2][2]。
步进电机本体和步进电机驱动电路两者密不可分地组成步进电机系统。
多年来,随着电力电子技术、自动化控制技术以及计算机网络通信技术的发展,步进电机系统尤其是其中的驱动电路部分也不断地发展,国内外围绕步进电机驱动电路做了大量的研究与开发。
关键词:
步进电机,脉冲信号,驱动电路
Abstract
Steppermotororpulsemotor,isacomponentofdigitalcontrolsystem.Itsfunctionistopulsesignalintocorrespondingangulardisplacementorlineardisplacement,andtheoutputangle,speedandinputpulsenumber,frequencyhasastrictsynchronousrelationbetween[1].Steppingmotorbecauseofitsowncharacteristics,isgoodforminiaturizationofdeviceorequipmentandlowcostinthespecificapplication.Therefore,widelyusedinmanyfieldsandcontinuousdevelopment.AlthoughtheNCisasteppermotorcomponents,easytointerfacewiththedigitalcircuit.However,thegeneraldigitalsignalenergyisfarnotenoughtodrivethesteppermotor,theremustbeamatchwithadrivecircuittodrivethesteppermotor[2].Stepmotorandsteppermotordrivecircuitandthetwoareinseparablecomponentsofsteppingmotorsystem.Overtheyears,withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,automaticcontroltechnologyandcomputernetworkcommunicationtechnology,steppingmotorsystemespeciallythedrivingcircuitisalsoconstantlyevolving,athomeandabroadonthesteppermotordrivecircuitistheresearchanddevelopmentofalotof.
Keywords:
steppingmotor,pulsesignal,drivecircuit
目录
摘要2
Abstract3
第一章步进电机简介5
1.1课题来源5
1.2国内外研究概况6
1.3步进电机的发展趋势6
1.4步进电机驱动器的设计要求7
1.4.1步进电机驱动控制系统概述7
1.4.2步进电机驱动器设计要求7
1.5课题的研究意义8
1.6小结9
参考文献10
第一章步进电机简介
步进电机,国外一般称为Steppermotor、Steppingmotor或Stepper等。
它是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的控制电机。
它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机,由专用电源供给电脉冲,每输入一个脉冲,步进电机就移动一步。
这种电动机的运动形式与普通迅速旋转的电动机有一定的差别,它是步进式运动的,所以称为步进电动机。
又因其绕组上所加的电源式脉冲电压,有时也称它为脉冲电动机。
步进电机受脉冲信号控制,它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比,所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率的高低就可以在很大的范围内调节电机的转速,并能快速起动、制动和反转。
所以,电机步距角和转速大小都不受电压波动和负载变化的影响,也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响。
它每转一周都有固定的步数,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。
这些特点使它广泛使用于数字控制的开环系统中,并使整个系统大为简化而运行可靠。
步进电机有多种不同的结构,主要类型可分为反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。
近20多年来,步进电机驱动技术和电机结构都得到了很大的发展,逐渐形成以混合式及反应式为主的产品格局。
混合式步进电动机是在同步电动机或者说是在永磁感应子式同步电动机的基础上发展起来的,其综合了该两类步进电机的特点,因而性能更好。
国外步进电机研究较早,步进电机驱动技术的研究成果也很多,如今正在研究开发以步进电动机为执行机构的高性能伺服系统。
我国步进电机的研究及制造始于上世纪50年代后期,对步电机精确模型也做了大量研究工作,如今,各种步进电机及其驱动器作为产品被广泛利用[3][4]。
1.1课题来源
随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展,步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用,并且其驱动系统也将随之发展,尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。
1.2国内外研究概况
近年来,随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步,步进电机在自动化领域的应用也越来越广泛。
我国的步进电机行业起步较早,并一度以反应式步进电机的生产与应用成为国际电机行业的一大特色,目前,仍有许多国内用户使用反应式步进电机。
混合式步进电机的特点是力矩大、运行平稳、高频矩频特性好,在发达国家中,越来越广泛的使用性能优越的五相和三相混合式步进电机。
步进电机驱动技术的发展也十分迅速。
我国步进电机的应用虽然起步较早,但其驱动技术的发展相对落后,成为制约步进电机应用与发展的主要因素。
国内仍有不少用户沿用已被国外淘汰的单电压串电阻等落后的驱动方式,驱动器电路中使用分立元件居多,可靠性差,且各厂家的驱动技术规范、技术等级、生产工艺参差不齐[5]。
目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段,使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。
在步进电机驱动技术上,一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制,大大提高了步进电机运行快速性和运动精度,使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面,驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路,或专用SPWM芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断,从而控制各相绕组细分电流的大小[6]。
功率开关管目前采用的功率场效应管(MOSFET),与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点;性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也已应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中;而把IGBT驱动电路及保护电路等都集成在一起的智能IGBT功率模块,具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点,目前已开始应用于中、小功率步进电机的驱动[7][8]。
1.3步进电机的发展趋势
步进电机今后的发展,依赖于新材料的应用,设计手段的,以及与驱动技术的最佳匹配。
首先,精确的分析和设计,模型的建立和完善,是一项重要的基础研究,至今还有许多工作要做,它可以为各类问题的深入分析提供基础,为优化设计指出方向[9]。
其次,随着自动控制技术、计算机网络通信技术在众多领域中的进一步应用与发展以及数字化、智能化技术的日益发展,步进电机将会在更加深入广泛的领域中得以应用,尤其是智能化应用技术方向的发展将会成为步进电机下一阶段的发展趋势。
最后,电力电子技术、微电子技术的发展,高性能永磁材料的应用及优化设计技术对步进电机的发展起到重要作用,同时驱动技术改进的作用也不容忽视,特别是微步驱动技术的应用和成熟,对步进电机的设计和发展产生了很多的影响,也提出了一系列研究的新课题和新方向[11][10]。
1.4步进电机驱动器的设计要求
1.4.1步进电机驱动控制系统概述
通常情况下,步进电机驱动系统由3部分构成:
①控制电路。
用于产生脉冲,控制电机的速度和转向。
②驱动电路。
即本文的研究内容,由图1所示的脉冲信号分配和功率驱动电路组成。
根据控制器输入的脉冲和方向信号,为步进电机各绕组提供正确的通电顺序,以及电机需要的高电压、大电流;同时提供各种保护措施,比如过流、过热等[12][12]。
③步进电机。
控制信号经驱动器放大后驱动步进电机,带动负载。
1.4.2步进电机驱动器设计要求
1.步进电机的相数[13]
是指电机内部的线圈组数,常用的有两相、三相、四相、五相步进电机。
2.保持转矩
是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩[14]。
通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。
由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成了衡量步进电机的最重要的参数之一[15]。
3.最大静转矩Tjmax
步进电机在规定的通电相序下,距角特性上的转矩最大值[16]。
绕组电流越大,最大静转矩也就越大。
按最大静转矩的值可以把步进电机分为伺服步进电机和功率步进电机[17]。
4.步距角
每输入一个电脉冲信号时电机转子转过的角度。
5.起动频率和起动矩频特性
指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。
在一定的负载惯性下,起动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性[18]。
6.运行频率和运行矩频特性
步进电机起动后,控制脉冲频率连续上升而维持不失步的最高频率。
在负载惯量不变时,运行频率与负载转矩之间的关系称为运行矩频特性。
7.额定电流
电机不动时每一相绕组容许通过的电流定位额定电流。
1.5课题的研究意义
步进电机作为数字式执行元件,具有成本低、易控制、定位方便和步距误差不长期累积等优点,被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中[19]。
在多种步进电机中,混合式步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身,应用更加普遍。
但是步进电机在应用中存在一些制约性的因素,步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性差、高速快速响应能力差、效率低和能耗大等。
步进电机多用于开环控制的场合,对转子位置不做检测,较容易在运行过程中产生失步。
失步和震荡是较为严重的两个问题。
另外,步进电机不能简单的直接接到普通的交直流电源上运转,它需要专门的驱动器,步进电动机和与之配套的驱动器密不可分,在电机本体选定的情况下,驱动器的好坏很大程度上影响着整个系统的运行性能。
通过研制高性能的步进电机驱动器可以大大改善步进电机的运行性能。
这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用,拓宽了步进电机的应用领域。
因此,研究开发出高性能的步进电机驱动器有着重大的现实意义[20]。
1.6小结
本章较为详细的阐述了步进电机及其驱动技术的国内外的研发现状,同时也介绍了步进电机的基本特点和应用,分析了随着电力电子技术和微电子技术的进步,步进电机驱动技术及其应用的发展趋势。
最后,说明了本课题的研究意义和主要内容。
参考文献
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