发布时间 : 星期一 文章开题报告五相十拍步进电机驱动器研究报告与分析 - 图文更新完毕开始阅读7dfcd58df71fb7360b4c2e3f5727a5e9856a27e5
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2009 届毕业设计<论文）开题报告
二级学院： 延陵学院 班 级： 09电Y1 学 生：尚严鑫 学 号： 09120920
指导教师： 张建生 职 称： 教授 课题名称 课题类型 起止时间 □ 毕业设计 □ 毕业论文 开题报告 <毕业设计：含课题来源及现状、设计要求、工作内容、设计方案、技术路线、预期目标、时间安排及参考文献等。字数为3000以上。） <毕业论文：含课题来源、研究价值，国内外研究现状，研究内容，研究方法，研究思路，论文提纲，预期目标，时间安排及参考文献等。字数为3000以上。） 一．课题来源及研究价值 步进电动机是将电脉冲信号转化为机械角位移或线位移的控制电机，它可以看作是一个比较特殊的运行方式的同步电机。步进电机是由专门的电源提供脉冲信号。当每输入一个电脉冲信号时，步进电机就会往前移动一小步，移动的角度大小叫做步距角，因此这种不同于普通的匀速旋转的电机被称为步进电动机。步进电动机是受走脉冲信号控制的，直线位移量、角位移量和电脉冲数的关系成正比例，所以电动机的线速度、转速也与脉冲频率构成正比关系。利用改变脉冲频率的高与低，可以在很大范围内调节电动机的转速，从而实现电机的快速启动、制动和反转控制。步进电机的优点是在不失步的情况下工作，步距误差不会积累。从而完全适用数字控制的开环系统中，并使整个系统运行可靠。是工业生产中性能优良的数字执行元件。随着单片机应用技术、电力电子技术和自动控制技术在工业生产中的普及和深入，步进电机的的需求量愈来愈大。根据调查显示，全球步进电机的年产量在以13%以上的速度增加。同时国内对步进电机的要求也与日增加。对步进电机的研究，提高步进电机的系统性能，可以改善劳动条件、节约能源、提高产品质量和经济效益。基于微型单片机的控制系统则通过软件控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机已经成为一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展需要。 步进电机作为数字式执行元件，具有成本低廉、容易控制、定位方便和步距误差不会长期累积等优点，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。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当中仍然存在一些制约性的因素，步进电机及其系统有很多缺点，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 个人资料整理 仅限学习使用 机大多场合下用于开环控制的，对转子位置不做检测，很容易在运行过程中产生失步现象。失步和震荡是较为严重的两个问题。另外，步进电机不能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。 步进电动机的工作必须使用专用的步进电机驱动器才能驱动。驱动器根据每一个步进脉冲信号，按一定的规律给电机各相绕组通电，以获取需要的转矩，来驱动电机转子运动。步进电机、驱动器和控制器构成了步进电机驱动器不可分割的三大部分。步进电机驱动系统是将电为能源，通过电机本体、驱动器、控制器等能量交换的驱动电机及控制电机的系统。在产业机械，交通、航空航天等领域占有重要地位。伴随着科学技术的发展，尤其是电力电子技术、自动控制理论、微机技术的发展，电机在实际应用中，已经改变了过去的起停控制、提供动力为目的的使用，开上升到对电机速度、位置、转矩和转速的精确控制，以求被驱动的机械运动按照预期的要求运行。因此步进电机驱动器的发展成为电机发展的新方向。 二． 国内外研究现状 国内外对步进电机驱动器的研究一直很活跃。70年代，国外驱动器技术进入全盛时期，步进电机及其相应的驱动器相续问世，如日本的EPM系列、美国的M系列、德国的IBs／IBc系列等。驱动器中功放驱动元件除了使用晶体管外，也可使用晶闸管，电源线路结构除了采用单一电压等级外，还可采用两种不同的电压等级。随着步进电机的应用和发展，其驱动器也在不断地发展、完善和提高，驱动电路集成化已成为一种趋势【1】，其结果是大大缩小了驱动器的体积，明显提高了整机的性能。由此，国外许多厂商相继推出了多种步进电机控制与驱动芯片和不同功率等级的功率模块，仅需几个专用芯片和一个功率模块便可构成一个功率齐全、性能优异的步进电机驱动器。以美国为例，它生产的步进电机驱动器体积仅两个香烟盒大小，而功能上可驱动较大的步进电机，工作发热低，电机工作平稳【2】。 在国内，步进电机驱动器是从五十年代开始发展的，至今已有一定的基础和规模，并有了一定的应用。八十年代末在我国发展的经济型机床控制系统，它是一种由单板计算机、步进电机驱动器和步进电机构成的简易型控制装置，采用单板计算机控制使得控制部件的稳定性、可靠性大为提高，然而，由于我国的步进电机驱动器多采用传统线路结构，性能不是很好，而且缺乏专业生产的厂商，使得步进电机及其驱动器仍基本停留在较低的水平，成为这种系统发展的主要障碍【3】。目前，我国许多厂家已研制生产出的步进电机驱动器，其技术设计基本上是引进国外的专用芯片，且其性能还存在许多的不足(如节能、稳定性等>。 驱动器性能的好坏及可靠性，在很大程度上与末级功放所用的功率元件直接相关。最初使用的末级功放元件是可控硅，它是一种脉冲触发的开关器件，虽然具有输入功率小、输出 个人资料整理 仅限学习使用 功率大、耐压高及成本较低的优点，但是其驱动线路复杂、容易形成误触发、可靠性差、不便于调试和维护，而且抗干扰能力不够好。而晶体管具有控制方便、调试容易、开关速度快以及元件损耗小等优点，并且由于采用先进的设计，晶体管的开关特性和耐压过流能力有了相当大的改进。近年来，由于V形槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET>综合了大功率双极晶体管和场效应晶体管的优点，具有大功率、高耐压及高增益的特点，且没有少数载流子存储时间和温度控，并有显著的抑N-次击穿特性，因而使用它可以大大地提高驱动器的可靠性，随着成本的降低及使用经验的积累，越来越多的驱动器将会使用MOSFET作为末级功放元件【4】。 另外，通过选择合适的驱动技术能够改善步进电机驱动器的性能。现在应用较多的有斩波驱动、升频升压驱动以及微步驱动技术等。而微步驱动(也称为细分驱动>，通过减小步进电机的步距角，从而提高步迸电机运行的平稳性，并增加控制的灵活性【5】，是步进电机驱动技术的一个重要发展方向。美国学者T．R．Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法【6】【7】，在其后的多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到广泛的应用。 从总体上来说，国内方面对步进电机驱动器的研究取得了很大的进步，但是与国外相比仍具有一定的差距。国外所采用的集成技术由于涉及到微电子技术、集成电路加工技术、电力电子技术前沿【8】，我国在暂时还不能实现，因此，采用集成加分立元件以及细分驱动技术开发出适合我国国情的高性能驱动器是一个比较现实的做法。 本课题通过对步进电机结构特点及工作原理的研究比较，以及对单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动方式的分析和比较，最终采用专用驱动芯片设制作了一个五相混合式步进电动机驱动器。由于SANKEN公司的SI-7502【9】，只需要外部连接三个电阻，一个晶体管和一个电容，就可以实现五相步进电机的驱动。电路外围电路结构简单、性能稳定可靠、控制功能全面得到了体现。所以采用SANKEN公司研发的五相步进电动机专用的驱动芯片SI-7502 (SLA5011、SLA6503>制作了五相混合式步进电动机斩波恒流驱动系统，不仅改变了步进电机驱动器体积大的缺点，还提高电路的整体性能。而且由于在集成功放电路中中设计了许多的保护电路,从而可以降低了系统发生故障的频率,保证了电路运行的可靠性。 三．课题的主要研究内容包括如下几个方面： 1. 分析和研究步进电机的特点及工作原理。 2. 分析步进电机驱动方式并选择合适的驱动方式。 3.在深入了解步进电机驱动技术的基础上，采用SANKEN 公司的SI-7502(SLA5011,SLA6503>步进电机驱动芯片设计五相混合式步进电机驱动器。 四．研究方法 个人资料整理 仅限学习使用 本课题通过对步进电机结构特点及工作原理的研究比较，以及对单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动方式的分析和比较，最终采用专用驱动芯片设制作了一个五相混合式步进电动机驱动器。 五．时间安排 <1） 第 1~4周 ：查阅资料，翻译外文资料。 <2） 第 4周 ：撰写开题报告。 <3） 第 5~10周 ：进行毕业设计的理论研究、方案设计。 <4） 第 11周 ：对前期理论工作做初步检查。 <5） 第 11~13周 ：撰写毕业设计论文并完成初槁。 <6） 第 14~15 周 ：送指导老师检查，批改。后修改论文并定稿。 <7） 第 15周 ：毕业设计答辩资格审查。 <8） 第 16周 ：毕业设计答辩，最终完成毕业设计。 六．参考文献 【1】Robot S J，Shin Y C．Modeling and control of CNC machine using a PC—based[J]． Open architecture controller Mechatronics，1 999，5(4>：1 5～1 7． 【2】Bobrow J E，Dubowsky S，Gibson J S．Line Optimal Control of RoboticManipulation along Specified Path[J]．The International Of Robotics research，2000，(3>：3～17． 【3】【4】【5】【6】【7】【8】毕绍新．步进电机驱动控制的应用研究[D]．天津大学硕士学位论文，2003． 周明安，宋晓华．步进电机驱动技术发展及现状叨．机电工程技术，2005，16～17 蔡耀成．步进电动机国内外近期发展展望[J]．微特电机，2000， 28～30． 宋受俊．基于单片机的电机运动控制系统设计[D]．西北工业大学硕士学位论文，2006． 孙长轮．基于MCU的四电机驱动姿态控制器的研究[D]．吉林大学硕士学位论文，2007． 郑虎子．单片机控制混合式步进电机驱动电源的研究及设计[D]．华中科技大学硕士学位论文，2007． 【9】王鸿钰．步进电机控制技术入门[M].上海：同济大学出版社，1990．209～223