混合式步进电机静音细分驱动器及其应用

【摘要】混合式步进电机因其兼具反应式和永磁式步进电机的优点，且可在无速度传感器情况下具有较高精度的开环控制性能而在很多领域都具有广泛的应用。但由于它运行的步进特性等原因，使其工作时产生的噪声相较于其它电机明显偏高，因此无法满足某些对噪声要求较高的场合。根据其噪声产生的机理可知步进电机运行噪声除了与电机自身参数有关外，驱动器性能的好坏更是起着决定性作用，故研制一款低噪声的步进电机静音驱动器就显得尤为有意义。本文首先分析了步进电机静音驱动器的课题背景、意义以及国内外的研究现状，介绍了驱动器的组成结构并对不同的驱动主电路进行了重点分析，然后详述了步进电机噪声的产生原因和降噪技术的研究方向。在此基础上给出了步进电机静音细分驱动器的总体组成框架和软硬件技术实现方案。其次，详细分析了步进电机噪声的特点，得出电磁噪声为其噪声的主要来源，然后建立了其噪声模型和提出了噪声抑制措施。接下来根据分析结果并结合步进电机驱动控制原理，提出了采用电流矢量恒幅均匀旋转细分法作为驱动器的驱动方案，并且为因PWM驱动产生的高频电磁噪声专门设计了绕组滤波电路。再次，针对步进电机在加减速过程中存在超、失步的不足。通过分析其矩频特性和比较各种加减速曲线的优缺点后，设计了改进型S型加减速控制曲线。然后建立了电流闭环控制系统的数学模型，根据PID控制算法具有良好的动态和稳态性能的特点，采用PI调节器作为电流控制器并推导了其调节器参数整定公式。最后，设计了以高性能嵌入式微控制器STM32F103RCT6为核心的步进电机静音细分驱动器的软硬件技术实现方案并研制了相应的实验装置。其中硬件设计包括控制板电路设计和功率板电路设计，控制板主要包括MCU及其外围电路、串口通信电路、人机界面电路及故障报警电路；驱动板主要包括电源配置电路、驱动主电路、光耦隔离电路、信号处理电路以及绕组滤波电路。软件部分基于STM32固件库和实时操作系统μC/OS-II平台，分别对系统主程序、信号采集任务、PWM输出任务、内控和外控时的控制算法任务及人机界面任务进行了实现。该实验装置的最高细分数可达512，并可对细分数、电流、速度进行设置。通过对实验装置本身，及将其应用于微量注射泵后测试，表明注射泵的运行噪声明显降低，静音效果较好，达到了预期设计目的。
【作者】李国杰；
【导师】陈德传；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】步进电机；微步细分；电磁噪声；恒幅均匀旋转；绕组滤波；

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