步进电机控制器研发与产业化的关键问题研究

发布时间：2020-10-18 12:22

　　 步进电机是现代工业发展不可或缺的一大要素,在控制领域和动力提供方面的应用越来越广泛。步进电机优越的性能是通过控制器来实现的,与控制器是不可分割的整体。步进电机控制器是一种向电机发出一串脉冲信号以驱动电机产生相应角位移的执行机构,步进电机角位移量可通过控制器发送脉冲个数来控制,转动速度通过脉冲频率来控制,旋转方向可通过控制方向信号来完成。国内步进电机行业发展极不平衡,市场上多数步进电机控制器采用开环控制,定位精度低,使得步进电机运行存在动态特性差和低频振荡等问题,严重时可能导致失步或过冲。闭环控制器如步进伺服虽然精度高,但近两年控制芯片和电阻电容等价格大幅上涨甚至部分器件缺货,导致了控制器出货量低,价格居高不下。伴随着中国制造2025、绿色低碳经济和消费新需求的变化,产业结构调整、企业升级转型成为未来企业生存发展的必然要求。在国际产业转移,低效产品更新换代的趋势,以及节能减排、环境保护和循环经济等政策的指导下,制造业传统的低效率、高能耗设备的转型升级及物联网、智能装备等行业的快速兴起,步进电机市场规模增长迅速,高精度、低成本、性能优越的控制器市场需求仍然很大。因此,进行步进电机控制器研究具有重要的理论研究价值和社会经济意义,拥有广阔的应用前景。针对上述现状,以两相混合步进电机为研究对象,研究了通用型控制器的驱动工作原理及控制技术,着重研究基于STM32F103芯片的步进电机细分驱动和H桥驱动原理,以及位置闭环控制技术、电流滞环PWM控制技术等控制原理,并提出了控制器关键参数。在此基础上设计了控制器硬件电路,绘制了PCB电路板、编写了软件代码和进行了软件仿真,将制作的样机进行相关实验。实验验证了高细分下步进电机相电流波形更接近正弦波,电机低速控制效果更好。同时验证控制器样机精度高,性能稳定,可使两相混合步进电机低速平滑输出无抖动,快速启停时无失步和过冲情况,且牵出力矩的效率高。此外,进一步阐述了步进电机控制器的产业化要素,首先是市场分析,产业化市场主要切入点为新兴市场,其次是核心技术和成本优势的核心竞争力,提出要掌握核心专利和从原材料采购、规模化产业化等方向降低成本,最后介绍了产品系列化设计和产学研的产业化模式,将控制器的研发与产业化联系起来,为后续步进电机控制器开发提供了一定借鉴。
【学位单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：F426.6;TM383.6
【部分图文】：

2图 1-1 HB 步进电机控制系统及其应用领域全球 PM 步进电机集中度低于 HB 步进电机。由于术复杂程度低于 HB 步进电机，因而全球竞争市占全球市场份额 1%以上的厂商仅有 6 家，前 6 大；有 43%的市场分散在份额低于 1%的厂商中。伴随着中国制造 2025、绿色低碳经济和消费新需打印机 ATM机 医疗设备

图 1-3 国外意法半导体公司单极步进电机驱动原理图进电机控制器相比国外研发起步晚，技术相对薄制器公司很少，多数生产步进电机的企业只制造国外控制方案甚至整个控制器来组装成步进电机市场价格也比纯进口的国外产品低许多，造成了微薄。近些年，国内也有许多电机企业与上海二

8图 1-4 上海鸣志集成式一体机控制器原理图综上所述，步进电机驱动控制技术经过几十年的发展已经取得长，尤其是开环驱动控制技术已经不断完善并日趋成熟。但步进电频率低、失步、驱动电流过大等问题仍然存在，步进电机闭环控制驱动控制等技术仍有研究和优化的必要。研究成果的应用前景与机遇目前我国步进电机制造企业主要分布在浙江、上海以及江苏、广，这在一定程度上加速了我国步进电机产业格局的形成。目前以区为中心，带动各种形式电机飞速发展，步进电机及其控制器市
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本文编号：2846295