基于單片機的步進電動機驅(qū)動控制器畢業(yè)設計

1、基于單片機的步進電動機驅(qū)動控制器畢業(yè)設計 1 緒 論1.1 引言 步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機,國外一般稱為Steppingmotor、 Pulse motor或Stepper servo,其應用開展已有約80年的歷史。步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機,其位移速度與脈沖頻率成正比,位移量與脈沖數(shù)成正比。步進電機在結構上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時,定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場,該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此,控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律

2、控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進電機各相繞組的電流輪流切換,在供應連續(xù)脈沖時,就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動,從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同,在不丟步的情況下運行,其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差,精度高,步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等,這是步進電動機最突出的優(yōu)點1。 正是由于步進電機具有突出的優(yōu)點,廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨

3、著微電子和計算機技術的開展,步進電機的需求量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟領域都有應用2。比方在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應用。目前世界各國都在大力開展數(shù)控技術,我國的數(shù)控系統(tǒng)也取得了很大的開展,我國已經(jīng)能夠自行研制開發(fā)適合我國數(shù)控機床開展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。近年來由于微型計算機方面的快速開展,使步進電機的控制發(fā)生了革命性變革。優(yōu)點明顯的步進電機被廣泛應用在電子計算機的許多外圍設備中,例如打印機,紙帶輸送機構,卡片閱讀機,主動輪驅(qū)動機構和存儲器存取機構等,步進電機也在軍用儀器,通信和雷達設備,攝影系統(tǒng),光電組合裝置,閥門控制,數(shù)控機床,電子鐘,醫(yī)療設備及自動繪圖儀,數(shù)字控制系統(tǒng),工具機控制,程序控

4、制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應用3。因而,對于步進電機控制的研究也就顯得尤為重要了。 為了得到良好的控制性能,對步進電機的控制的研究就一直沒有停止過,許多重大的技術得以實現(xiàn)。上世紀80年代以后,由于微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。原來的步進電機控制系統(tǒng)采用分立元件的控制回路,或者集成電路,不僅調(diào)試安裝復雜,要消耗大量元器件,而且一旦定型之后,要改變控制方案就一定要重新設計電路,不利于系統(tǒng)的改良升級?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)那么通過軟件來控制步進電機,能夠更好地發(fā)揮步進電機的潛力。因此,用微型單片機控制步進電機己經(jīng)成為了一種必然的趨勢,也符合數(shù)字化的時代

5、開展要求。還比方為了適應一些領域中高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求,出現(xiàn)的步進電機細分驅(qū)動技術,就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細分驅(qū)動、基于單片機斬波恒流驅(qū)動、基于單片機的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式,除上述三種步進電機的驅(qū)動方案之外,目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語言或C語言進行軟件開發(fā),通過串行或并行通行的方式實現(xiàn)pc機與步進電機控制器之間的數(shù)據(jù)通信,最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進電機的方法4,5。 但是在有些應用場合,并不需要高精度的控制,而是需要在滿足一般工作要求的情況下,盡量使控制系統(tǒng)做到:系統(tǒng)硬件結構簡單,本錢低;功能較為齊全;適應性強;電機各種運行狀態(tài)指示一目了然,操作方便;系統(tǒng)抗干擾

6、能力強,可靠性高等要求。本論文就是采用這個思路進行設計。一般步進電機控制器都用硬件實現(xiàn),雖然電路可以做到了高集成度,可價格較貴,功能相對較單一,并且設計要求有所改變,就得改變整個硬件電路,比擬麻煩。而采用單片機的軟件和硬件結合進行控制,運用其強大的可編程和運算功能,充分利用單片機的各種資源,能靈活的對步進電機進行控制,實現(xiàn)其不同模式、步數(shù)、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速等控制,如果需改變控制要求,一般只需改變軟件就能適應新的環(huán)境,并且在本設計中利用動態(tài)掃描技術,把顯示電路和鍵盤電路有機的結合起來,能做到一定的人機交換,而且為了抗干擾,提高可靠性,具有一定的應用價值6,7。1.2 步進電機常見的控制方案與驅(qū)動技術

7、簡介1.2.1 常見的步進電機控制方案 1、基于電子電路的控制 步進電機受電脈沖信號控制,電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱,因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體,構成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設計簡單,功能強大,可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務。這個系統(tǒng)由三局部組成:脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如圖1.1所示。 此種方案即可為開環(huán)控制,也可閉環(huán)控制。開環(huán)時,其平穩(wěn)性好,本錢低,設計簡單,但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制,即能實現(xiàn)高精度細分,實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是

8、不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度,然后通過反響和適當?shù)奶幚?自動給出脈沖鏈,使步進電機每一步響應控制信號的命令,從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步4。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù),功能相對較單一,如需改變控制方案,必須需重新設計,因此靈活性不高。 2、基于PLC的控制 PLC也叫可編程控制器,是一種工業(yè)上用的計算機。PLC作為新一代的工業(yè)控制器,由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程

9、輸出一定數(shù)量的方波脈沖,控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構的進給量,同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度,進而控制伺服機構的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組。PLC控制的步進電機可以采用軟件環(huán)形分配器,也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多,特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時,對于大型生產(chǎn)線應該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器,雖然硬件結構稍微復雜些,但可以節(jié)省PLC資源,目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將PLC輸出的控制脈沖放大,到達比擬大的驅(qū)動能力,來驅(qū)動步進電機。 采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的

10、環(huán)型脈沖信號,并用PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號,這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器,降低硬件本錢。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒,相應的頻率只能到達幾百赫茲,因此,受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響,步進電機不能在高頻下工作,無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時,由于受到掃描周期的影響,相應的控制精度就降低了。 3、基于單片機的控制 采用單片機來控制步進電機,實現(xiàn)了軟件與硬件相結合的控制方法。用軟件代替環(huán)形分配器,到達了對步進電機的最正確控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能,還可設計大量的外圍電路

11、,鍵盤作為一個外部中斷源,設置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能,采用中斷和查詢相結合的方法來調(diào)用中斷效勞程序,完成對步進電機的最正確控制,顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。環(huán)形分配器其功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn),采用軟件編程的方法實現(xiàn)脈沖的分配。 本方案有以下優(yōu)點:1單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制,防止了失步、振蕩等對控制精度的影響;2用軟件代替環(huán)形分配器,通過對單片機的設定,用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動,大大提高了接口電路的靈活性和通用性;3單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復位電路等外圍電路有機的組合,大大提高系統(tǒng)的交互性8。 基于以上優(yōu)點,本

12、次設計采用基于單片機的控制方案。1.2.2 步進電機驅(qū)動技術 步進電動機上個世紀就出現(xiàn)了,它的組成、工作原理和今天的反響式步進電動機沒有什么本質(zhì)區(qū)別,也是依靠氣隙間的磁導變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。上世紀80年代以后,由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn),步進電動機的控制方式變得更加靈活多樣。步進電機驅(qū)動技術指的是用步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動級來實現(xiàn)對步進電機各相繞組的通電和斷電,同時也是對繞組承受的電壓和電流進行控制的技術。到目前為止,步進電機驅(qū)動技術通常分為單電壓驅(qū)動、單電壓串電阻驅(qū)動、上下壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動和細分驅(qū)動等9。 單電壓驅(qū)動是通過改變電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。該驅(qū)

13、動方式早在六十年代初期國外就已大量使用,它的優(yōu)點是結構簡單、本錢低;缺點是串接電阻器的做法將產(chǎn)生大量的能量損耗,尤其是在高頻工作時更加嚴重,因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜艘蟛桓叩牟竭M電機驅(qū)動。單電壓串電阻驅(qū)動是在單電壓驅(qū)動技術的根底上為電樞繞組回路串入電阻,用以改善電路的時間常數(shù)以提高電機的高頻特性。它提高了步進電機的高頻響應、減少了電動機的共振,也帶來了損耗大、效率低的缺點。這種驅(qū)動方式目前主要用于小功率或啟動、運行頻率要求不高的場合10。 上下壓驅(qū)動是指不管電動機的工作頻率是多少,在導通相的前沿用高電壓供電來提高電流的上升沿斜率,而在前沿過后采用低電壓來維持繞組的電流,即采用加大繞組電

14、流的注入量以提高出力,而不是通過改善電路的時間常數(shù)來使矩頻性能得以提高。但是使用這種驅(qū)動方式的電機,其繞組的電流波形在高壓工作結束和低壓工作開始的銜接處呈凹形,致使電機的輸出力矩有所下降。這種驅(qū)動方式目前在實際應用中還比擬常見。 為了彌補上下壓電路中電流波形的下凹,提高輸出轉(zhuǎn)矩,七十年代中期研制出斬波電路,該電路由于采用斬波技術,使繞組電流在額定值上下成鋸齒形波動,流過繞組的有效電流相應增加,故電機的輸出轉(zhuǎn)矩增大,而且不需外接電阻,整個系統(tǒng)的功耗下降,效率較高,因而恒流斬波電路得到了廣泛應用,本文正是應用恒流斬波技術實現(xiàn)了驅(qū)動控制。 為改善恒流驅(qū)動方式的低頻特性,設計一個低速時低電壓驅(qū)動,高速

15、時高電壓驅(qū)動的電路,使其成為一個由脈沖頻率控制的可變輸出電壓的開關穩(wěn)壓驅(qū)動電源。在低速運行時,電子控制器調(diào)節(jié)功率開關管的導通角,使線路輸出的平均電壓較低,電動機不會像在恒流斬波驅(qū)動下那樣在低速容易出現(xiàn)過沖或共振現(xiàn)象,從而防止產(chǎn)生明顯的振蕩。當運行速度逐漸變快時,平均電壓漸漸提高以提供應繞組足夠的電流。調(diào)頻調(diào)壓線路性能優(yōu)于恒電壓和恒電流線路,但實際運行中需要針對不同參數(shù)的電機,相應調(diào)整其輸出電壓與輸入頻率的特性。 細分驅(qū)動是指在每次脈沖切換時,不是將繞組的全部電流通入或切除,而是只改變相應繞組中電流的一局部,電動機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一局部。細分驅(qū)動時,繞組電流不是一個方波而是階梯波,額定

16、電流是臺階式的投入或切除。比方:電流分成n個臺階,轉(zhuǎn)子那么需要n次才轉(zhuǎn)過一個步距角,即n細分細分驅(qū)動最主要的優(yōu)點是步距角變小,分辨率提高,且提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩:其次,減弱或消除了步進電機的低頻振動,降低了步迸電機在共振區(qū)工作的幾率?？梢哉f細分驅(qū)動技術是步進電動機驅(qū)動與控制技術的一個飛躍。 2 步進電機概述2.1 步進電機的分類 步進電動機的種類很多,從廣義上講,步進電機的類型分為機械式、電磁式和組合式三大類型。按結構特點電磁式步進電機可分為反響式VR、永磁式PM和混合式HB三大類;按相數(shù)分那么可分為單相、兩相和多相三種。目前使用最為廣泛的為反響式和混合式步進電機11。

17、 1反響式步進電機Variable Reluctance,簡稱VR反響式步進電機的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的,轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它的結構簡單,本錢低,步距角可以做得很小,但動態(tài)性能較差。反響式步進電機有單段式和多段式兩種類型; 2永磁式步進電機Permanent Magnet,簡稱PM永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的,轉(zhuǎn)子本身就是一個磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同,所以一般步距角比擬大。它輸出轉(zhuǎn)矩大,動態(tài)性能好,消耗功率小相比反響式,但啟動運行頻率較低,還需要正負脈沖供電; 3混合式步進電機Hybrid,簡稱HB混合式步進電機綜合了反響式和永 磁式兩者的優(yōu)點。混合式與傳統(tǒng)的反響式相比,結構上

18、轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。2.2 步進電機的工作原理 2.2.1 結構及根本原理 步進電機在結構上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時,定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場,該矢量場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。因此,控制電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。每來一個脈沖電壓,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角,稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進電機各相繞組的電流輪流切換,在供應

19、連續(xù)脈沖時,就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動,從而使電機旋轉(zhuǎn)。電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能,步進電機將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。每個脈沖所產(chǎn)生的運動是精確的,并可重復,這就是步進電機為什么在定位應用中如此有效的原因。 通過電磁感應定律我們很容易知道鼓勵一個線圈繞組將產(chǎn)生一個電磁場,分為北極和南極,見圖2.1所示。定子產(chǎn)生的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到與定子磁場對直。通過改變定子線圈的通電順序可使電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動。 2.2.2 兩相電機的步進順序1、兩相電機的單相通電步進順序 在圖2.2中我們很清晰的展示了在單相通電時一個兩相步進電機的典型的步進順序。在第1步中,兩相定子的A相通電,因異性相吸,其磁場將轉(zhuǎn)子固定

20、在圖示位置。當A相關閉、B相通電時,轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)90°。在第3步中,B相關閉、A相通電,但極性與第1步相反,這促使轉(zhuǎn)子再次旋轉(zhuǎn)90°。在第4步中,A相關閉、B相通電,極性與第2步相反。重復該順序促使轉(zhuǎn)子按90°的步距角順時針旋轉(zhuǎn)8 9。 圖2.2 兩相電機的單相通電步進順序 2、兩相電機的雙相通電步進順序“單相鼓勵步進。更常用的步進方法是“雙相鼓勵,其中電機的兩相一直通電。但是,一次只能轉(zhuǎn)換一相的極性,見圖2.3所示。在第1步中,兩相定子的A相和B相同時通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關系,其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step1位置。在第2步中,兩相定子的A相關閉

21、,而B和a相(此時的a相通電極性與第1步A相反)同時通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關系,其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step2位置。在第3步中,兩相定子的a相和b相同時通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關系,其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step3位置。在第4步中,兩相定子的b相和A相同時通電,因異性相吸,再加上力的相互作用關系,其磁場將轉(zhuǎn)子固定在圖示step4位置。按照這樣的通電方式電機就轉(zhuǎn)過了一周8 9。 兩相步進時,轉(zhuǎn)子與定子兩相之間的軸線處對直。由于兩相一直通電,本方法比“單相通電步進多提供了41.1%的力矩,但輸入功率卻為2倍。 圖2.3 兩相電機的雙相通電步進順序 3、步進電機的半步工作

22、方式 電機也可在轉(zhuǎn)換相位之間插入一個關閉狀態(tài)而走“半步。這將步進電機的整個步距角一分為二。例如,一個90°的步進電機將每半步移動45°,見圖2.4。但是,與“兩相通電相比,半步進通常導致15%30%的力矩損失(取決于步進速率)。在每交換半步的過程中,由于其中一個繞組沒有通電,所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁力要小,造成了力矩的凈損失。 從原理圖我們很容易看到半步工作方式其實就是將兩相電機的單相通電工作方式和兩相電機的雙相通電工作方式相互結合起來。 兩相步進電機的工作模式有兩相四拍和兩相八拍等兩種,其中我們在圖2.2和圖2.3中展示的都叫做兩相四拍工作模式,而下面的2.4圖展示的就是兩

23、相八拍工作模式8 9。 圖2.4 兩相電機的半步步進順序 2.2.3 步進電機的工作特點 本設計選用了型號為42BYG型的感應子式步進電機,它與傳統(tǒng)的反響式步進電機相比結構上轉(zhuǎn)子加有永磁體,以提供軟磁材料的工作點,而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能,因此該電機效率高,電流小,發(fā)熱低。因永磁體的存在,該電機具有較強的反電勢,其自身阻尼作用比擬好,使其在運轉(zhuǎn)過程中比擬平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。就目前步進電機的應用情況來說,步進電機的自身特點具體歸納起來有10: 1 電機必須加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn),驅(qū)動信號必須為脈沖信號,沒有脈沖的時候步進電機靜止,如果參加適當?shù)拿}沖信號,步進電機就

24、會以一定的角度(稱為步角)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比。 2 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 3 改變驅(qū)動器輸入脈沖的順序,可以方便的改變電機的轉(zhuǎn)動方向。 4 位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應,步距誤差不長期積累,可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可以要求更高精度時組成 閉環(huán)控制系。 5 電機停止轉(zhuǎn)動的時候具有自鎖功能。 6 步距角選擇范圍大,可在幾十角分至180度大范圍內(nèi)選擇。在小步距情況下,通?？梢栽谠降退傧乱愿咿D(zhuǎn)矩運行,因而可以不經(jīng)減速器直接驅(qū)動負載工作。 7 步進電機不能使用普通的交流電源驅(qū)動。 8 一般步進電機的精度是步進角的3%5%,且步距誤差不會長

25、期積累。 9 步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降:當步進電機轉(zhuǎn)動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下降。 10 步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但假設高于一定頻率就無法啟動,并伴有嘯叫聲.步進電機有一個技術參數(shù):空載啟動頻率,即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機到達高速轉(zhuǎn)動,脈沖頻率應該有加速過程,即啟動頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速)。2.3 步

26、進電機的驅(qū)動控制技術 在混合式步進電動機特點和工作原理的根底上,本章就步進電動機的驅(qū)動控制技術進行了詳細的分析和比擬。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動方式:單電壓驅(qū)動包括單電壓串電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動包括上下壓驅(qū)動和恒流斬波驅(qū)動的工作原理及優(yōu)缺點,然后重點介紹了細分驅(qū)動方式的原理及其模型。 步進電動機不像直流電動機、交流電動機一樣,它不能直接接到交直流電源上工作,而必須使用專用設備?步進電動機驅(qū)動器。步進電動機驅(qū)動器系統(tǒng)的性能,除與電動機木身的性能有關外,也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。因此,對步進電動機驅(qū)動器的研究幾乎是對步進電動機的研究同步進行的。 步進電動機驅(qū)動器的主要構成如圖2.5所示,一般由環(huán)形

27、分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各局部組成,用于功率步進電動機的驅(qū)動器還需要有多種保護電路。 環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖,并按步進電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通或截止的信號。每來一個CP脈沖,環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時,環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號,從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者反序轉(zhuǎn)換,決定了步進電動機的轉(zhuǎn)向。因此,步進電動機轉(zhuǎn)速的上下、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率的上下。 信號放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大,變成足夠大的信號送入推動級。 信號處理是實現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能,產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號,從而

28、產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(jīng)常與各種保護電路、各種控制電路組合在一起,形成較高性能的驅(qū)動輸出。 推動級的作用是將較小的信號加以放大,變成足以推動驅(qū)動級的較大的信號。有時推動級還承當電平轉(zhuǎn)換的作用。 保護級的作用是保護驅(qū)動級的平安。一般可根據(jù)需要設置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。 為使步進電動機滿足各種需要的輸出,驅(qū)動級必須對電動機繞組提供足夠的電壓和電流,但步進電動機與一般電子設備的驅(qū)動有很多不同點,其主要表現(xiàn)在: 1.各相繞組都是開關工作,多數(shù)電動機繞組都是連續(xù)的交流或直流,而步進電動機各相繞組都是脈沖式供電,所以繞組電流不是連續(xù)的。 2.電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈,所

29、以都有較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制,因此影響電動機繞組電流的大小。 3.繞組斷點時,電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變,結果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止,必須設計適當?shù)睦m(xù)流回落。繞組導通和截止都會產(chǎn)生較大的反電勢,而截止時反電勢將對驅(qū)動級器件的平安產(chǎn)生有害的影響。 4.電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢,這些電勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢根本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比,轉(zhuǎn)速越高,電勢越大,繞組電流越小,從而使電機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。驅(qū)動級線路,既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形,同時要保證功率放大器件的平安運行,

30、另外,還應有較高的效率、較小的功耗、較低的本錢。這就必須要設計合理的線路,選用適宜的功率器件。 驅(qū)動級的功率放大器件有中功率晶體管、大功率晶體管、大功率達林頓晶體管、可控硅、可關斷可控硅、場效應功率管、雙極型晶體管與場效應功率管的復合管以及各種功率模塊等。 目前步進電機常用的驅(qū)動方式有單電壓驅(qū)動包括單電壓串電阻驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動包括上下壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動和細分驅(qū)動等。以下分別簡單介紹前二種驅(qū)動方式的工作原理和優(yōu)缺點。將在后面詳細介紹細分驅(qū)動方式。2.4 步進電動機驅(qū)動技術分析2.4.1 單電壓驅(qū)動 單電壓驅(qū)動是指在電動機繞組工作過程中,只用一個方向電壓對繞組供電。其原理圖如圖2.6所示,前面推

31、動級輸出信號In作用于三極管的基級,其集電極接電動機的一相繞組,繞組另一端直接與電源電壓連接。因此,當三極管導通時,電源電壓全部作用在電動機繞組上。歸結起來,單電壓驅(qū)動器有如下特點:線路簡單,本錢低,低頻時響應較好;有共振區(qū),高頻時,帶載能力迅速下降。 單電壓驅(qū)動的致命弱點是繞組導通的回路電氣時間常數(shù)較大,致使導通時繞組電流上升較慢、使電機在導通脈寬T接近時繞組電流迅速下降。由于,故要減小電氣時間常數(shù)的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對于確定的步進電動機,繞組電感已經(jīng)確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅(qū)動,其原理圖如圖2.7所示。單電壓串電阻驅(qū)動的主要缺點是

32、損耗大,效率低。比照前述單電壓驅(qū)動,其導通時銅損為,而串電阻后的導通銅損為,所以電源提供的功率大局部都消耗在串聯(lián)電阻上。 雙電壓驅(qū)動的根本思想是在較低頻段用較低的電壓驅(qū)動,而在高頻段用較高電壓驅(qū)動,原理線路見圖2.7所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉(zhuǎn)換開關上。當關斷時,低壓電源通過給電路提供驅(qū)動電壓,當導通時,高壓電源通過給電路提供驅(qū)動電壓,處于反向截止狀態(tài),低壓電源自動停止供電。 上下壓驅(qū)動的原理線路如圖2.9所示,初看起來,與雙電壓驅(qū)動電路似乎差異不大,但實際上工作過程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動機繞組、低壓管串聯(lián)而成。加高壓,加低電壓,電動機繞組

33、回路不串電阻。在每相導通期間,低壓管輸入信號與高壓管輸入信號見圖2.10所示。當為高電平時,該相導通;當為低電平時,該相截止。高壓管的輸入信號是由信號的前沿信號獲得的,前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多,上下壓驅(qū)動可保證在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流,在截止時又能迅速釋放,因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩,因此驅(qū)動系統(tǒng)可得到較高的響應。 2.5 本章小結 本章分別從步進電機的分類和步進電機的工作原理以及步進電機的工作特點等方面詳細的介紹了步進電機。 其中步進電機的分類是從總體上介紹了步進電機的情況;步進電機的原理一節(jié)是就本設計所使用的感應子式步進電機的工作原理做了詳細的介紹,應該

34、屬于是重點掌握的局部;步進電機的工作特點一節(jié)詳細的清楚的一條一條的列出了步進電機的工作特點,了解這些特點對我們步進電機的選擇和應用具有很好的參考作用?？偟膩碚f通過這一章的介紹,我們對步進電機有了一個總體的也比擬全面的了解和掌握。3 系統(tǒng)硬件設計 本課題主要采用單片機AT89C52和脈沖分配器芯片8713實現(xiàn)對步進電動機的換相控制、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)向控制。脈沖分配器的主要作用是把單片機輸出的控制脈沖信號, 經(jīng)過邏輯組合轉(zhuǎn)換成為各相繞組通、斷電的時序邏輯信號, 使步進電機按確定的方式工作。系統(tǒng)的具體功能和要求如下: 1.單片機最小系統(tǒng)板的設計; 2.設計脈沖分配器; 3.實現(xiàn)步進電機的啟停、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

35、控制; 4.驅(qū)動電路可提供電壓為12V,電流為0.3A的驅(qū)動信號; 5.能實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),最低轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/分,最高轉(zhuǎn)速為100轉(zhuǎn)/分; 3.1 單片機最小系統(tǒng)3.1.1 單片機原理簡介 單片機(single-chip microcomputer)是把微型計算機主要局部都集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機12。圖3-1中表示單片機的典型結構圖。由于單片機的高度集成化,縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離,優(yōu)化了結構配置,大大地提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度,同時它的指令系統(tǒng)又很適合于工業(yè)控制的要求,所以單片機在工業(yè)過程及設備控制中得到了廣泛的應用13,14。圖3-1典型單片機結構圖3.1.2 單片

36、機的應用系統(tǒng) 單片機在進行實時控制和實時數(shù)據(jù)處理時,需要與外界交換信息。人們需要通過人機對話,了解系統(tǒng)的工作情況和進行控制。單片機芯片與其它CPU比擬,功能雖然要強得多,但由于芯片結構、引腳數(shù)目的限制,片內(nèi)ROM、RAM、I/O口等不能很多,在構成實際的應用系統(tǒng)時需要加以擴展,以適應不同的工作情況。單片機應用系統(tǒng)的構成根本上如圖3-2所示。 圖3-2 單片機的應用系統(tǒng) 單片機應用系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置的狀況,可以分為最小應用系統(tǒng)、最小功耗系統(tǒng)、典型應用系統(tǒng)。本設計是設計一款最小應用系統(tǒng),最小應用系統(tǒng)是指能維持單片機運行的最簡單配置的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)本錢低廉、結構簡單,常用來構成簡單的控制系統(tǒng)

37、,如開關量的輸入/輸出控制、時序控制等。對于片內(nèi)有ROM/EPROM的芯片來說,最小應用系統(tǒng)即為配有晶體振蕩器、復位電路和電源的單個芯片;對與片內(nèi)沒有ROM/EPROM芯片來說,其最小應用系統(tǒng)除了應配置上述的晶振、復位電路和電源外,還應配備EPROM或EEPROM作為程序存儲器使用15,16。3.1.3 AT89C52簡介 AT89C52的主要參數(shù)如表3-1所示: 表3-1 AT89C52的主要參數(shù)型號存儲器定時器I/0串行口中斷速度(MH)其它特點E2PROMROMRAM89C528K1282321624低電壓 AT89C52含E2PROM電可編閃速存儲器。有兩級或三級程序存儲器保密系統(tǒng),防

38、止E2PROM中的程序被非法復制。不用紫外線擦除,提高了編程效率。程序存儲器E2PROM容量可達20K字節(jié)。 AT89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造,與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。其引腳如圖2-3所示

39、17,18。 圖3-3 單片機的引腳排列 1.主要特性: ?與MCS-51 兼容?8K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命:1000寫/擦循環(huán)?全靜態(tài)工作:0Hz-24Hz?三級程序存儲器鎖定?128*8位內(nèi)部RAM?32可編程I/O線?兩個16位定時器/計數(shù)器?5個中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 2、管腳說明:? VCC:供電電壓。? GND:接地。?P0口:P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原

40、碼輸入口,當FIASH進行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。?P1口:P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。?P2口:P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當P2口被寫“1時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地

41、址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。? P3口:P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下所示: P3口管腳備選功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 /I

42、NT0(外部中斷0) P3.3 /INT1(外部中斷1) P3.4 T0(記時器0外部輸入) P3.5 T1(記時器1外部輸入) P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。?RST:復位輸入。當振蕩器復位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG:當訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要

43、注意的是:每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時, ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。? /PSEN:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。?/EA/VPP:當/EA保持低電平時,那么在此期間外部程序存儲器(0000H-FFFFH),不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當/EA端保持高電平時,此

44、間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。?XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。 存儲器結構:MCS-51 單片機內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結構,均具64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 程序存儲器:如果EA引腳接地(GND),全部程序均執(zhí)行外部存儲器。在AT89S51,假設EA 接至Vcc(電源+),程序首先執(zhí)行地址從0000H-0FFFH (4KB)內(nèi)部程序存儲器,再執(zhí)行地址為1000H-FFFFH (60KB)的外部程序存儲器。 數(shù)據(jù)存儲器:AT89S51的具128字節(jié)的內(nèi)部RA

45、M,這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問,堆棧操作可利用間接尋址方式進行,128字節(jié)均可設置為堆棧區(qū)空間。 3、I/O口引腳: a:P0口,雙向8位三態(tài)I/O口,此口為地址總線(低8位)及數(shù)據(jù)總線分時復用; b:P1口,8位準雙向I/O口; c:P2口,8位準雙向I/O口,與地址總線(高8位)復用; d:P3口,8位準雙向I/O口,雙功能復用口。 4、振蕩器特性:?AT89S52一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器,引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反響元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。 外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容Cl

46、、C2 接在放大器的反響回路 構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容Cl、C2 雖然沒 十分嚴格的要求,但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的上下、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體,我們推薦電容使用30pF±10pF,而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF ±10pF。 用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下,外部時鐘脈沖接到XTAL1端,即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端,XTAL2那么懸空。 由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的,所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求,但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術條件的要求。 XTAL

47、1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件,XTAL2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的上下電平要求的寬度。 5、芯片擦除: 整個EPROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“1且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前,該操作必須被執(zhí)行。 此外,AT89C52設有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU

48、停止工作。但RAM,定時器,計數(shù)器,串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復位為止。 6、Flash 閃速存儲器的并行編程 AT89C52單片機內(nèi)部8k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓(+12V)和協(xié)調(diào)的控制信號進行編程。 AT89C52的代碼是逐一字節(jié)進行編程的。 編程方法: 編程前,須設置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號,AT89C51 編程方法如下: 1.在地址線上加上要編程單元的地址信號。 2.在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 3.激活相應的控制信號。 4.將EA /Vpp 端

49、加上+12V 編程電壓。 5.每對Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位,加上一個ALE /PROG編程脈沖。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的,大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù),重復1-5 步驟,直到全部文件編程結束。3.1.4 單片機最小系統(tǒng)設計 采用AT89C52單片機構成了控制系統(tǒng)的核心,其根本模塊就主要包括復位電路和晶體震蕩電路。在本設計當中,單片機的P 0口、P 1口、P 2口、P 3口全部參與系統(tǒng)工作,單片機最小系統(tǒng)的接線如圖3.4所示: 圖3.4 單片機最小系統(tǒng)圖 PMM8713是日本三洋電機公司生產(chǎn)的步進電機脈沖分配器。該器件采用DIP 16封裝,

50、適用于二相或四相步進電機。PMM8713在控制二相或四相步進電機時都可選擇三種勵磁方式1相勵磁,2相勵磁,3相勵磁三種勵磁方式之一,每相最小的拉電流和灌電流為20mA,它不但可滿足后級功率放大器的要求,而且在所有輸人端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路,抗干擾能力很強,其原理框圖如圖1所示,表1所列是PMM8713的引腳功能。在PMM8713的內(nèi)部電路中,時鐘選通局部用于設定步進電機的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸人法:雙脈沖輸人法和單脈沖輸人法。采用雙脈沖輸人法的連線方式如圖3-5A所示,其中CPI CA兩端分別輸人步進電機正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當采用單脈沖輸人法時,其連線方式如圖2所示; 圖3-5 8713脈沖輸入 圖3-6 PWM8713的引腳圖PMM8713 引腳功能介紹1腳:輸入相位上升時鐘輸入2腳:輸入相位下降時鐘輸入3腳:輸入相位時鐘輸入4腳;轉(zhuǎn)向控制5,6,7腳:控制方式選擇8腳:地線9腳:復位10,11,12,13腳:相位輸出14腳:通電監(jiān)控輸出15腳:輸入監(jiān)控輸出16腳:電源 PMM8713 是專用的步進電機的步進脈沖產(chǎn)生芯片,它適用于三相和四相步進電機。如圖1 所示PMM8713 的引腳,Cu 為加脈沖輸入端,它使步進電機正轉(zhuǎn),Cp 為減脈沖輸入端,它使步進電