三相混合式步进电机的驱动器设计

论文摘要

步进电机已经被广泛地应用于工业与消费电子领域,具有成本低、控制简单的优点。随着电力电子技术与电子器件的不断发展,混合式步进电机被大量使用,它结合了永磁式与反应式步进电机的特点,具有高转速、运行平稳、定位精度高的优点。因此研究开发混合式步进电机具有重要的理论研究意义和实际应用价值。本文介绍了三相混合式步进电机及驱动器系统的特点、发展演变过程以及国内外的研究应用现状和趋势。根据已有数学模型利用电机矢量控制原理,提出了在d-q旋转坐标系下,电机位置控制的稳态与动态数学模型以及电机转子的位置控制与目标电流的对应关系,在此理论分析的基础上,设计了两种不同形式的混合式步进电机驱动器,并且成功地开发出了以单片机为控制器的成本低廉、结构简单的步进电机驱动器样机。该样机实现了上位机输入控制信号的调理与采集、三相混合式电机电流闭环PWM驱动控制、故障保护和记录等功能,最终实现了步进电机微步和高速运动控制。在此基础上,提出并部分实现了一种将步进电机驱动器与数控车床控制器整合在一起的高度集成控制系统方案——采用DSP控制器完成对步进电机的驱动控制与数控车床特殊应用的控制,简化了系统硬件的复杂度、大大降低了系统的成本,为今后的技术研究及市场推广打下了很好的基础。在硬件设计部分详细讨论了系统的电流参考电路、信号调理电路、控制器电路、电机驱动电路、故障检测以及硬件安全保护电路的设计。软件设计部分讨论了系统的分层次的模块化设计思想及其优点,详细介绍了系统软件的整体流程,包括底层程序、应用层程序、算法程序、DSP嵌入式操作系统的软件模块以及各个软件模块之间的接口。为了验证设计方案的正确性和可靠性,搭建了控制器的测试平台,在该平台上对样机进行了实际测试,发现了许多设计中存在的问题并通过后续的设计对其进行了改进和完善,如EMC问题、高精度信号采集的问题、大功率驱动电路的设计、参数匹配和系统软硬件可靠性等问题,最终从软硬件两个方面实现了针对电机的过压、过流、过热等安全保护和冗余设计。经过实际测试可知,以单片机为核心的步进电机驱动器样机和以DSP为核心的驱动控制系统样机在控制信号输入频率小于300KHz时,电机运行平稳,采用微步控制技术前后定位精度可提高80倍,实验结果表明该样机方案可行、设计合理,精度和功能能够满足数控车床的技术要求,为今后的产品化开发奠定了很好的技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 步进电机驱动器概述
• 1.1.1 步进电机驱动器的组成
• 1.1.2 步进电机的分类及其特点
• 1.1.3 三相混合式步进电机驱动系统输入信号
• 1.1.4 三相混合步进电机驱动控制电机
• 1.2 三相混合式步进电机数学模型与控制原理
• 1.2.1 三相混合式步进电机数学模型
• 1.2.2 三相混合式步进电机绕组电路方程
• 1.2.3 三相混合式步进电机电磁转矩方程
• 1.2.4 D-Q 矢量控制静态分析
• 1.2.5 D-Q 矢量控制动态分析
• 1.2.6 D-Q 矢量控制仿真设计
• 1.2.7 三相混合式步进电机振荡与失步控制
• 1.3 混合式步进电机及其驱动控制技术的国内外研究现状
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 步进电机驱动器设计方案论证
• 2.1 步进电机驱动器整体方案设计
• 2.2 控制器方案论证
• 2.2.1 可编程逻辑器件
• 2.2.2 单片机控制器
• 2.2.3 DSP 控制器
• 2.3 驱动电路设计论证
• 2.3.1 分立模块驱动电路
• 2.3.2 IPM 智能功率驱动模块
• 2.4 整体设计方案的确定
• 第三章 步进电机驱动器硬件设计
• 3.1 基于单片机的驱动器硬件设计
• 3.1.1 参考电流生成电路
• 3.1.2 输入信号电路
• 3.1.3 电机电流控制电路
• 3.1.4 DAC 信号输入输出电路
• 3.1.5 信号生成电路
• 3.1.6 信号调制电路
• 3.1.7 系统 PCB 设计
• 3.1.8 单片机改进方案硬件设计
• 3.2 基于DSP 的驱动控制器硬件设计
• 3.2.1 DSP 事件管理模块及其电路设计
• 3.2.2 DSP 模数转换电路设计
• 3.2.3 DSP 电源电路设计
• 3.2.4 DSP 其他电路设计
• 3.3 电机驱动电路设计
• 3.3.1 驱动芯片电路设计
• 3.3.2 驱动电路保护设计
• 3.4 电流传感器选型与电流反馈电路设计
• 3.5 系统硬件电路可靠性设计
• 3.5.1 控制电路可靠性设计
• 3.5.2 驱动电路可靠性设计
• 第四章 步进电机驱动器软件设计
• 4.1 单片机方案软件设计
• 4.1.1 信号接收模块
• 4.1.2 DAC 数据传输模块
• 4.1.3 系统掉电现场保护
• 4.2 DSP 方案软件设计
• 4.2.1 软件驱动程序模块
• 4.2.2 软件程序管理模块
• 4.2.3 DSP 嵌入式操作系统
• 第五章 系统实验测试与分析
• 5.1 系统测试平台介绍
• 5.2 系统测试与分析
• 5.2.1 控制电路测试与分析
• 5.2.2 电流反馈电路测试与分析
• 5.2.3 信号生成电路测试与分析
• 5.2.4 电流细分测试与检验
• 5.2.5 DSP 控制器测试
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.1.1 提出了整体解决方案
• 6.1.2 完成系统硬件设计
• 6.1.3 完成系统软件设计
• 6.1.4 完成驱动器实验测试和参数调整
• 6.2 存在的问题
• 6.3 前景展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书