“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)研究

1、“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)研究    摘要：針對應(yīng)用型本科電氣專業(yè)的特點(diǎn)與要求，為適應(yīng)電氣領(lǐng)域新的發(fā)展方向，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，新開設(shè)了“電氣控制課程設(shè)計(jì)”課程新項(xiàng)目，針對其中的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)設(shè)計(jì)題目，給出了全部設(shè)計(jì)項(xiàng)目參考內(nèi)容及指導(dǎo)事項(xiàng)，該設(shè)計(jì)項(xiàng)目軟硬件兼顧，難易適中，比較適合一個(gè)兩周的課程設(shè)計(jì)的工作量。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；課程設(shè)計(jì)；軟硬件；GAL 作者簡介：孫冠群（1974-），男，河北淶水人，中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院，講師； 陳衛(wèi)民（1972-），男，江西廣豐人，中國計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，副教授。 中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)

2、識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）14-0055-02 課程設(shè)計(jì)是典型的實(shí)踐類課程，它對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力非常重要，是典型的理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)形式。 電氣控制課程設(shè)計(jì)是很多高校應(yīng)用型電氣專業(yè)本科階段一門重要的實(shí)踐課程，該課程設(shè)計(jì)針對電力電子及電機(jī)控制方向開設(shè)題目。近年來，隨著全社會(huì)電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展變化，為適應(yīng)此種新形式，同時(shí)又要適宜高校教學(xué)的實(shí)際情況，對該課程設(shè)計(jì)題目進(jìn)行了改革，設(shè)計(jì)了“步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)題目，該題目工作量適中、軟硬件兼顧，可充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。 本文給出了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的典型案例，在教學(xué)中此案例分階段逐步向?qū)W生公開。 一

3、、設(shè)計(jì)背景 步進(jìn)電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，其具有瞬間起動(dòng)與急速停止的優(yōu)越特性。與其他驅(qū)動(dòng)元件相比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常不需要反饋就能對位移或速度的精確控制信號(hào)執(zhí)行動(dòng)作，它輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會(huì)積累。由于屬于開環(huán)控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，一般也與多類數(shù)字設(shè)備兼容，價(jià)格便宜。其廣泛用于簡易數(shù)控機(jī)床、送料機(jī)構(gòu)、儀器儀表、光電變換驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。 二、設(shè)計(jì)步驟及要求 第一，學(xué)生事先需查閱有關(guān)資料，學(xué)習(xí)并熟悉步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其基本控制原理。 第二，針對四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在教師指導(dǎo)下確定系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案，并熟悉總體驅(qū)動(dòng)控制原理。 第三，利用EDA設(shè)計(jì)軟件（如PROTEL99SE），設(shè)計(jì)四相步

4、進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路原理圖，并與指導(dǎo)教師協(xié)商后確定電路原理圖。 第四，查閱有關(guān)資料，熟悉相關(guān)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)調(diào)試其基本邏輯關(guān)系以及正/反轉(zhuǎn)、起?？刂菩盘?hào)。 第六，查閱有關(guān)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(jié)構(gòu)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(jī)可變脈沖頻率調(diào)速。 第八，依據(jù)查閱的參考資料、設(shè)計(jì)原理及具體實(shí)現(xiàn)方案、調(diào)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其他結(jié)果結(jié)論，認(rèn)真撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。 三、設(shè)計(jì)原理 1.概述 （1）電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

5、是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每外加一個(gè)控制脈沖，電機(jī)就運(yùn)行一步，故稱為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或脈沖馬達(dá)。它可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，由于其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。本課程設(shè)計(jì)選用四相繞組結(jié)構(gòu)的永磁式小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 （2）變頻脈沖信號(hào)。變頻信號(hào)源是一個(gè)脈沖頻率能由幾Hz到幾十kHz連續(xù)變化的脈沖信號(hào)發(fā)生器，常見的有多諧振蕩器和單結(jié)晶體器構(gòu)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(shí)間常數(shù)，得到

6、各種頻率的脈沖信號(hào)。本課程設(shè)計(jì)所需的變頻脈沖信號(hào)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(yùn)行指令按一定的邏輯關(guān)系分配脈沖，通過功率放大器加到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各相繞組，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按一定的方式運(yùn)行，并實(shí)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(shí)現(xiàn)，也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)。本課程設(shè)計(jì)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(jìn)行功率放大，給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相繞組提供足夠的電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正常工作。一般小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常用MOSFET功率放大集成電路實(shí)現(xiàn)。 2.設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn) （1）總體電路設(shè)計(jì)。步進(jìn)電動(dòng)

7、機(jī)可選用常見12VDC供電的四相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。變頻脈沖信號(hào)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(hào)。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(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的分配。功率驅(qū)動(dòng)部分，因設(shè)計(jì)所用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組電流較小，采用ULN2003達(dá)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(dāng)?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(shí)現(xiàn)啟/停快速控制、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(gè)部分的設(shè)計(jì)原理。 （2）脈沖分配器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)有兩相符合運(yùn)行所需扭矩要求的繞組通電產(chǎn)生扭矩。設(shè)A、B、C、D分別表示四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dāng)RESET=1時(shí)復(fù)位，當(dāng)RESET=0時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。F表示運(yùn)行方向，F(xiàn)=1時(shí)正轉(zhuǎn)，F(xiàn)=0時(shí)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(dá)式如下： 根據(jù)GAL16V8的管腳配置圖，應(yīng)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)、沖擊電流等干擾信號(hào)對GAL的影響，確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。但加入此光耦后缺點(diǎn)是其輸出速度變低，最高頻率降低，使電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍不高。特別指出的是，采用該光耦后，通過實(shí)驗(yàn)，該光耦頻率最高要控制在200Hz以內(nèi)，通過核算，在設(shè)

10、計(jì)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(gè)NPN型大電壓、大電流的達(dá)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(dá)0.5A，完全符合本設(shè)計(jì)的要求。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)只有四相，只需選用其中的四個(gè)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(hào)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(diǎn)內(nèi)容：測試GAL器件的輸入輸出信號(hào)；測試光耦兩側(cè)信號(hào)；測試ULN2003輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)與GAL邏輯信號(hào)的一致性；通過給定脈沖信號(hào)頻率，核算電動(dòng)機(jī)速度值，并與實(shí)測值比較，給出誤差分析結(jié)

11、論。 注意事項(xiàng)：啟動(dòng)時(shí)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(shè)計(jì)由一個(gè)工作團(tuán)隊(duì)共同完成，每個(gè)團(tuán)隊(duì)三人，各有側(cè)重，具體分工由三位學(xué)生協(xié)商決定，其中： 學(xué)生一：主要負(fù)責(zé)“設(shè)計(jì)要求”中的1、2、3、7、8項(xiàng)； 學(xué)生二：主要負(fù)責(zé)“設(shè)計(jì)要求”中的1、2、4、5、7、8項(xiàng)； 學(xué)生三：主要負(fù)責(zé)“設(shè)計(jì)要求”中的1、2、6、7、8項(xiàng)。 六、設(shè)計(jì)報(bào)告說明 課程設(shè)計(jì)報(bào)告要有前言、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理或設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)各小模塊的軟硬件設(shè)計(jì)思路或?qū)崿F(xiàn)方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或其他結(jié)果結(jié)論，文末列出參考文獻(xiàn)。注意因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生之間的差別，在設(shè)計(jì)報(bào)告中每一位學(xué)生對自己單獨(dú)負(fù)責(zé)（其他2位學(xué)生配合）的部分要重點(diǎn)闡述（設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)方法）。最后要對測試結(jié)果給出分析結(jié)論。 參考文獻(xiàn)： 1孫冠群，于少娟.控制電機(jī)與特種電機(jī)及其控制系統(tǒng)M.北京：北京大學(xué)出版社，2011. 2孫冠群，蔡慧，李璟.控制電機(jī)與特種電機(jī)M.北京：清華大學(xué)出