電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制

1、關(guān)鍵字：電機(jī)      本文闡述了步進(jìn)電機(jī)的工作原理以及單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。     步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、動作靈敏、開回路控制不必依賴傳感器定位、中低速

2、時(shí)具備高轉(zhuǎn)矩、高信賴性、小型、高功率等特征，使其具有廣泛的應(yīng)用。    一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理     步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)

3、電機(jī)的速度，即給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。同時(shí)通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。    二、設(shè)計(jì)方案    本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)AT89C51（晶振頻率為12MHZ）對四相六線制步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，步進(jìn)1.8度，額定電壓12V）進(jìn)行控制。通過I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成。ULN2003 的每

4、一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。通過ULN2003構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，電路圖如圖1所示。51的25-28口接ULN2003的1-4輸入端。另外，用鍵盤來對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，并用數(shù)碼管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用74LS164作為2位單個(gè)數(shù)碼管的顯示驅(qū)動。74LS164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約I/O口資源。其電路圖如圖2所示。通過51的TXD和RXD

5、口對CLK和DATA發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1 51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)線路圖圖2 顯示電路圖    三、預(yù)期目標(biāo)    將圖1圖2連接起來，使之實(shí)現(xiàn)：按下啟動鍵，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，按下加1鍵，速度增加，按下減1鍵，速度降低，最高速度為100轉(zhuǎn)/分，最低速度為25轉(zhuǎn)/分，按下停止鍵，電機(jī)停轉(zhuǎn)。速度值在數(shù)碼管上顯示出來。    綜合以上選取的方案，總的流程如圖3所示。圖3 系統(tǒng)電路流程圖    結(jié)束語    設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)基本能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)過調(diào)試和修改，但還是存在問

6、題，比如按開關(guān)的時(shí)候會出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，轉(zhuǎn)速有時(shí)比較亂，顯示有時(shí)也有些不理想，后面的工作就是在軟件和硬件等方面進(jìn)行修改，以完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。單片機(jī)與TA8435的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制 2006-11-23 13:52:01   作者：關(guān)學(xué)忠 胡松   來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵字：數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)速周期1 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī),它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?即給一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度,因此非常合適單片機(jī)控制,在非超載的情況下,電機(jī)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(fù)載變化的影響,電機(jī)則轉(zhuǎn)過一

7、個(gè)步距角,同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無累積誤差,精度高。 步進(jìn)電動機(jī)有如下特點(diǎn)： 1）步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此,當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后,沒有累計(jì)誤差,具有良好的跟隨性。 2）由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既簡單、廉價(jià),又非?？煽?同時(shí),它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3）步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。 4）速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整,低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 5）步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行,不能直接使用交流電源和直流電源。 6）步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象,必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相

8、應(yīng)措施。 步進(jìn)電機(jī)具有和機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),圖1是四相六線制步進(jìn)電機(jī)原理圖,這類步進(jìn)電機(jī)既可作為四相電機(jī)使用,也可以做為兩相電機(jī)使用,使用靈活,因此應(yīng)用廣泛。 步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進(jìn)角1.8度四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例,在整步方式下,步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖,旋轉(zhuǎn)1.8度,旋轉(zhuǎn)一周,則需要200個(gè)脈沖,在半步方式下,步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖,旋轉(zhuǎn)0.9度,旋轉(zhuǎn)一周,則需要400個(gè)脈沖。控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時(shí)序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)引線輸入脈沖,以上述四相六線制步進(jìn)電機(jī)為例,其半步工作方式和整步工作方式的控制時(shí)序如表1和表2所列。 步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí),會有振動大、噪聲大的缺點(diǎn)。如

9、果使用細(xì)分方式,就能很好的解決這個(gè)問題,步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制,從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制,使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場,從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分,一般情況下,合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小,相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小,步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。 實(shí)現(xiàn)細(xì)分方式有多種方法,最常用的是脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式,大多數(shù)專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片都采用這種驅(qū)動方式,TA8435就是其中一種芯片。 2 基于TA8435H芯片的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分方式 2.1 TA8435芯片特點(diǎn) TA8435是東芝公司生產(chǎn)的單片正弦細(xì)分二相

10、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片,該芯片具有以下特點(diǎn)： 1）工作電壓范圍寬（1040V）; 2）輸出電流可達(dá)1.5A（平均）和2.5A（峰值）; 3）具有整步、半步、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分運(yùn)行方式可供選擇; 4）采用脈寬調(diào)試式斬波驅(qū)動方式; 5）具有正/反轉(zhuǎn)控制功能; 6）帶有復(fù)位和使能引腳; 7）可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。 從圖2中可以看出,TA8435主要由1個(gè)解碼器,2個(gè)橋式驅(qū)動電路、2個(gè)輸出電流控制電路、2個(gè)最大電流限制電路、1個(gè)斬波器等功能模塊組成。 2.2 TA8435細(xì)分工作原理 在圖3中,第一個(gè)CK時(shí)鐘周期時(shí),解碼器打開橋式驅(qū)動電路,電流從VMA流經(jīng)電機(jī)的線圈后經(jīng)RNFA后與地構(gòu)成

11、回路,由于線圈電感的作用,電流是逐漸增大的,所以RNFB上的電壓也隨之上升。當(dāng)RNFB上的電壓大于比較器正端的電壓時(shí),比較器使橋式驅(qū)動電路關(guān)閉,電機(jī)線圈上的電流開始衰減,RNFB上的電壓也相應(yīng)減小;當(dāng)電壓值小于比較器正向電壓時(shí),橋式驅(qū)動電路又重新導(dǎo)通,如此循環(huán),電流不斷的上升和下降形成鋸齒波,其波形如圖3中IA波形的第1段,另外由于斬波器頻率很高,一般在幾十KHz,其頻率大小與所選用電容有關(guān),在OSC作用下,電流鋸齒波紋是非常小的,可以近似認(rèn)為輸出電流是直流。在第2個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí),輸出電流控制電路輸出電壓Ua達(dá)到第2階段,比較器正向電壓也相應(yīng)為第2階段的電壓,因此,流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)線圈的電流從第

12、1階段也升至第二階段2,電流波形如圖IA第2部分,第3時(shí)鐘周期,第4時(shí)鐘周期TA8435的工作原理與第1、2是一樣的,只有又升高比較器正向電壓而已,輸出電流波形如圖IA中第3、4部分。如此最終形成階梯電流,加在線圈B上的電流,如圖3中IB。在CK一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),流經(jīng)線圈A和線圈B的電流共同作用下,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)細(xì)分步。 2.3 步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用 圖4是單片機(jī)與TA8435相連控制步進(jìn)電機(jī)的原理圖,引腳M1和M2決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方式：M10、M20,電機(jī)按整步方式運(yùn)轉(zhuǎn);M11、M20,電機(jī)按半步方式運(yùn)轉(zhuǎn);M10、M21,電機(jī)按1/4細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn);M11、M21,電機(jī)按1/8步細(xì)分方式運(yùn)轉(zhuǎn),CW/C

13、WW控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向,CK1、CK2時(shí)鐘輸入的最大頻率不能超過5KHz,控制時(shí)鐘的頻率,即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速率。REFIN為高電平時(shí),NFA和NFB的輸出電壓為0.8V,REFIN為低電平時(shí),NFA和NFB輸出電壓為0.5V,這2個(gè)引腳控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流,電流大小與NF端外接電阻關(guān)系式為：IOVref/Rnf。圖4中,設(shè)REFIN1,選用步進(jìn)電機(jī)額定電流為0.4A,R1,R2選用1.6歐姆、2W的大功率電阻,O、C兩線不接。步進(jìn)電機(jī)按二相雙極性使用,四相按二相使用時(shí)可以提高步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,D1D4快恢復(fù)二極管用來泄放繞組電流。 以下是利用TA8435控制步進(jìn)電機(jī)的程序,實(shí)現(xiàn)采用1/8細(xì)分方式控制步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)鐘方向轉(zhuǎn)動的功能,利用定時(shí)器1向TA8435輸出脈沖,用來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 3 結(jié)論 本文介紹了步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)和TA8435芯片工作原理,使用細(xì)分方式可以提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度,降低步進(jìn)電機(jī)的振動