基于DSP的三相混合式步进电机驱动系统设计

论文摘要

步进电机是工业控制中应用较为广泛的一种电机,具有成本低和驱动电路简单的优点。随着高速微处理器的发展,电机控制技术朝着全数字化的方向发展。本文以三相混合式步进电机为控制对象,针对其运行过程中出现的低频振荡和失步问题,设计了一套以数字信号处理器（DSP）为核心的全数字三相混合式步进电机驱动系统。文中首先分析了三相混合式步进电机的基本结构和运行特性,并利用步进电机与交流永磁同步电机（PMSM）的相似性,在忽略步进电机一些非线性因素的基础上,得出了3个坐标系下的机电方程,并建立了其在两相旋转坐标系（d-q）下的数学模型。然后分析了步进电机的各种驱动方式,并重点阐述了电流细分驱动对改善步进电机性能的作用。利用电压空间矢量驱动方式（SVPWM）与电流细分驱动的相似性,详细分析了该驱动方式在三相混合式步进电机上的实现过程。最后进行了系统的软硬件设计和仿真。硬件设计主要包括以功率驱动为核心的主电路和以TMS320LF2407为核心的控制电路的设计。软件设计主要包括系统主程序和中断服务子程序的设计。结合电机的数学模型,在Matlab/Simulink下搭建了系统的仿真图,并对不同细分条件下的定子相电流、转子步距角进行了系统仿真。仿真表明,采用SVPWM对空间磁势细分时,不仅提高了混合式步进电机的起动频率,减弱了低频振动和噪声,而且提高了系统的电压利用率,电机运行相对平稳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义与目的
• 1.2 混合式步进电机及其驱动器的发展现状
• 1.2.1 混合式步进电机的发展与应用
• 1.2.2 混合式步进电机驱动器的发展趋势
• 1.2.3 步进电机驱动系统存在的主要问题
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 步进电机的特性与模型
• 2.1 三相混合式步进电机的基本结构
• 2.2 三相混合式步进电机的工作原理
• 2.3 步进电机的运行特性
• 2.3.1 静态运行状态
• 2.3.2 步进运行状态
• 2.3.3 步进电机的矩频特性
• 2.4 步进电机的动态数学模型
• 2.4.1 三相静止坐标系下机电方程
• 2.4.2 两相静止坐标系下机电方程
• 2.4.3 两相旋转坐标系下的机电方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 驱动方案的选择与实现
• 3.1 步进电机驱动方案选择
• 3.1.1 单极性与双极性驱动器
• 3.1.2 单电压驱动
• 3.1.3 高低压驱动
• 3.1.4 斩波恒流驱动
• 3.1.5 调频调压驱动
• 3.1.6 细分驱动
• 3.2 矢量控制在三相混合式步进电机上的实现
• 3.2.1 矢量控制的出现
• 3.2.2 磁场的等效
• 3.2.3 矢量控制的思想分析
• 3.2.4 矢量控制的实现
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统硬件设计
• 4.1 系统硬件整体结构
• 4.2 DSP2407简介
• 4.3 系统各模块电路设计
• 4.3.1 系统主电路设计
• 4.3.2 DSP最小系统设计
• 4.3.3 电流、电压采样电路设计
• 4.3.4 转子位置及转速检测单元设计
• 4.3.5 过压、过流保护电路设计
• 4.3.6 功率变换单元设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 系统软件总体结构
• 5.1.1 主程序设计
• 5.1.2 中断服务程序设计
• 5.2 数字PI的实现
• 5.3 数据Q格式实现
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢