畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于AT89C51單片機的混合式步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘 要本文先介紹了混合式步進電機的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了細(xì)分驅(qū)動對于改善步進電機運行性能的作用，論述了正弦波細(xì)分驅(qū)動可以實現(xiàn)等步距角、等力矩均勻細(xì)分驅(qū)動的原理，提出了一種基于H橋和其他分立元件分配脈沖的驅(qū)動技術(shù)，該方案可實現(xiàn)步進電機的單拍、半拍、雙拍三種工作方式。本文采用控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、液晶顯示電路組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。文中對整個系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動軟件的實現(xiàn)都做了詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞：單片機；正弦脈寬調(diào)制；混合式步進電機；細(xì)分驅(qū)動The Design of Stepper Motor ControllerABSTRACTIn th

2、is paper, the working principle and configuration of three-phase hybrid Stepper are introduced, then based on technologies such as stepper motor controller, PWM inverter and microcontroller. In the thesis, we develop a single chip computer -based digital controlling system for a three-phase hybrid s

3、tepper motor that is mainly constructed from a AT89C51 single chip computer and ST7920IC which is used as the core of control parts. The systems whole architecture, the design of hardware and software are introduced in detail.KEY WORDS: Microcontroller，SPWM，Hybrid stepper motor，Micro-stepping driver

4、目 錄1緒論 TOC o 1-3 h z u * MERGEFORMAT HYPERLINK l _Toc240211887 1.1 步進電機概述 PAGEREF _Toc240211887 h 1 HYPERLINK l _Toc240211888 1.2 步進電機的特征 PAGEREF _Toc240211888 h 1 HYPERLINK l _Toc240211889 1.3 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc240211889 h 2 HYPERLINK l _Toc240211891 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc240211891 h 3 HYP

5、ERLINK l _Toc240211892 2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的方案論證 PAGEREF _Toc240211892 h 5 HYPERLINK l _Toc240211893 2.1 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc240211893 h 5 HYPERLINK l _Toc240211894 2.2 步進電機驅(qū)動器的特點 PAGEREF _Toc240211894 h 5 HYPERLINK l _Toc240211895 2.3 混合式步進電機的驅(qū)動電路分類和性能比擬 PAGEREF _Toc240211895 h 6 HYPERLINK l _Toc240211896

6、 雙極性驅(qū)動器與單極性驅(qū)動器 PAGEREF _Toc240211896 h 6 HYPERLINK l _Toc240211897 2.3.2 單電壓驅(qū)動方式 PAGEREF _Toc240211897 h 8 HYPERLINK l _Toc240211898 2.3.3 上下壓驅(qū)動方式 PAGEREF _Toc240211898 h 9 HYPERLINK l _Toc240211899 2.3.4 斬波恒流驅(qū)動 PAGEREF _Toc240211899 h 10 HYPERLINK l _Toc240211900 2.4 方案確實定 PAGEREF _Toc240211900 h 1

7、1 HYPERLINK l _Toc240211901 3 混合式步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc240211901 h 12 HYPERLINK l _Toc240211902 3.1單片機最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc240211902 h 12 HYPERLINK l _Toc240211903 3.2 紅外遙控電路 PAGEREF _Toc240211903 h 13 HYPERLINK l _Toc240211904 3.2.1 紅外發(fā)射電路 PAGEREF _Toc240211904 h 13 HYPERLINK l _Toc240211905 紅外接收

8、電路 PAGEREF _Toc240211905 h 15 HYPERLINK l _Toc240211906 3.3 LCD顯示電路 PAGEREF _Toc240211906 h 15 HYPERLINK l _Toc240211907 3.4 雙機通訊 PAGEREF _Toc240211907 h 17 HYPERLINK l _Toc240211908 3.5 步進電機驅(qū)動局部 PAGEREF _Toc240211908 h 17 HYPERLINK l _Toc240211909 單極性步進電機驅(qū)動 PAGEREF _Toc240211909 h 17 HYPERLINK l _T

9、oc240211910 3.5.2 雙極性步進電機驅(qū)動 PAGEREF _Toc240211910 h 18 HYPERLINK l _Toc240211911 3.6 電源電路 PAGEREF _Toc240211911 h 19 HYPERLINK l _Toc240211912 4 軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc240211912 h 21 HYPERLINK l _Toc240211913 4.1 主機LCD顯示菜單程序 PAGEREF _Toc240211913 h 21 HYPERLINK l _Toc240211914 4.2 雙機通訊程序 PAGEREF _Toc24021

10、1914 h 22 HYPERLINK l _Toc240211915 4.3 下位機步進電機驅(qū)動程序 PAGEREF _Toc240211915 h 24 HYPERLINK l _Toc240211916 5 驅(qū)動器試驗結(jié)果 PAGEREF _Toc240211916 h 25 HYPERLINK l _Toc240211917 5.1 概述 PAGEREF _Toc240211917 h 25 HYPERLINK l _Toc240211918 5.2 試驗內(nèi)容和結(jié)論 PAGEREF _Toc240211918 h 25 HYPERLINK l _Toc240211919 總結(jié) PAGE

11、REF _Toc240211919 h 27 HYPERLINK l _Toc240211922 致謝28 HYPERLINK l _Toc240211923 參考文獻 PAGEREF _Toc240211923 h 291 緒論1.1 步進電機概述步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線運動的執(zhí)行機構(gòu)，由步進電機及其功率驅(qū)動裝置構(gòu)成一個開環(huán)的定位運動系統(tǒng)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步距角)。脈沖輸入越多，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機的轉(zhuǎn)速就越快。因此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達(dá)準(zhǔn)確定位的目的；同

12、時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而到達(dá)調(diào)速的目的。步進電機種類，根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)不同，可分為常用三大類:反響式(VR，也稱磁阻式)、永磁式(PM)，混合式(HB)。其中混合式步進電機兼有反響式和永磁式的優(yōu)點，它的應(yīng)用越來越廣泛。1.2 步進電機的特征步進電機具有自身的特點，歸納起來有：1位置及速度控制簡便：步進電機在輸入脈沖信號時，可以依輸入的脈沖數(shù)量做固定角度的旋轉(zhuǎn)而得到靈活的角度控制(位置控制)。因為速度和輸入脈沖的頻率成正比，運轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。2可以直接進行開環(huán)控制：因為步距誤差不長期累積，可以不需要速度傳感器以及位置傳感器，就能以輸入的脈沖數(shù)量和頻率構(gòu)成具有

13、一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。3高可靠性：不使用電刷，電機的壽命長，僅取決于軸承的壽命。4具定位保持力矩：永磁式、混合式步進電機在停止?fàn)顟B(tài)下(無脈沖信號輸入時)，仍具有勵磁保持力矩，故即使不靠機械式的剎車，也能做到停止位置的保持。5中低速時具備高轉(zhuǎn)矩：步進電機在中低速時具有較大的轉(zhuǎn)矩，能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。同時，步進電機也有自己的一些缺點： eq oac(,1)步進電機帶慣性負(fù)載的能力較差。 eq oac(,2)不能直接使用普通的交直流電驅(qū)動，而必須使用專用設(shè)備-步進電機驅(qū)動器。 eq oac(,3)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 eq oac(,4)從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進電機

14、的兩個問題是失步和振蕩。由于步進電機在大多數(shù)情況下采用開環(huán)運行的方式，它的主要運行性能完全依賴于驅(qū)動器、負(fù)載和電機本身。有多種情況會產(chǎn)生失步，比方起動或停止頻率超過突跳頻率，電機高速運行的脈沖頻率超過了最大運行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。通過改善驅(qū)動器的性能，可以減小運行中失步的可能。步進電機的低頻振蕩是另一個需要解決的問題。步進電機在極低頻率下做連續(xù)步進運行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉(zhuǎn)子是按自由振蕩頻率振蕩幾次才衰減到新的平衡位置而停止下來。每來一個脈沖，轉(zhuǎn)子都從新的轉(zhuǎn)矩曲線的躍變中獲得一次能量的補充，這種能量越大，

15、振蕩越厲害。當(dāng)脈沖頻率等于或者接近于電機的自由振蕩頻率時電時機出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻共振，甚至失步導(dǎo)致無法工作。一般不允許在共振頻率下運行，從驅(qū)動器的方面來看，使用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可以有效的克服低頻共振的危害。1.3 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)概述步進電機的工作必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器針對每一個步進脈沖，按一定的規(guī)律向電機各相繞組通電(勵磁)，以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。步進電機、驅(qū)動器和控制器構(gòu)成了不可分割的3大局部。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能除與電機自身的性能有關(guān)外，在很大程度上取決于驅(qū)動器性能的優(yōu)劣。當(dāng)電機和負(fù)載己經(jīng)確定之后，整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅(qū)動控制方法。步進電機驅(qū)動方式的開展先后

16、有單電壓驅(qū)動、上下壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動和細(xì)分驅(qū)動等.(1) 單電壓驅(qū)動：主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、本錢低，通常在繞組回路中串接電阻，以改善電路的時間常數(shù)來提高電機的高頻特性。缺點是串接電阻將產(chǎn)生大量的熱，對驅(qū)動器的正常工作極其不利，尤其是在高頻工作時更加嚴(yán)重，因而它只適用于小功率或?qū)π阅苤笜?biāo)要求不高的步進電機驅(qū)動。(2) 上下壓驅(qū)動：電機每相繞組導(dǎo)通時，首先施加高電壓，使電流快速上升，當(dāng)電流上升到額定值時，將高電壓切斷，回路電流以低電壓電源維持。這種方式由于電流波形得到了很大改善，電機的矩頻特性較好，起動和運行頻率得到了較大提高。但由于電機旋轉(zhuǎn)反電勢、相間互感等因素的影響易使電流波形的

17、頂部呈凹形，致使電機的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。(3) 斬波恒流驅(qū)動：為了彌補上下壓驅(qū)動電路中電流波形的下凹，提高輸出轉(zhuǎn)矩，人們研制出斬波電路，采用斬波技術(shù)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(yīng)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，因而斬波恒流驅(qū)動應(yīng)用相當(dāng)廣泛。(4) 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動：特點是施加在電機繞組的電壓隨工作頻率的變化作相應(yīng)的改變，步進電機在低頻時工作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩；在高頻時工作在高壓狀態(tài)，使電機有足夠的驅(qū)動力矩。因而系統(tǒng)效率、運行特性等都有了明顯改善。(5) 細(xì)分驅(qū)動：它是將電機繞組中的電流細(xì)分

18、，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。這樣，繞組中的電流經(jīng)過假設(shè)干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細(xì)分驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比擬復(fù)雜，但在不改變電機內(nèi)部參數(shù)的情況下，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一，使步距角不再受電機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制。由于繞組的電流變化幅度也大大減小，從而極大的改善步進電機運行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。近幾年來，由于微處理機技術(shù)的開展，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。1.4 課題研究的主要內(nèi)容本課題以設(shè)計一套基于單片機和步進電機細(xì)分控制技術(shù)的步進電機驅(qū)動器為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有：(1) 采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)、電流跟蹤技術(shù)和細(xì)分技術(shù)實現(xiàn)

19、對電機相電流的控制，以克服傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)下步進電機低速振動、存在共振現(xiàn)象、噪音大、高速轉(zhuǎn)矩小等缺點。(2) 用開關(guān)電源為驅(qū)動器內(nèi)部電路供電，減小驅(qū)動器的體積和重量，提高電源效率。(3) 驅(qū)動器的采用分立元件組成單電壓驅(qū)動來驅(qū)動單極性步進電機用H橋驅(qū)動雙極性步進電機，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。(4) 控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及液晶顯示芯片ST7920，單片機是控制系統(tǒng)的核心。采用了單排6鍵的鍵盤、液晶顯示芯片ST7920，該芯片能自動完成對顯示的刷新，自帶有中文字庫，使用非常方便。雙機通訊電路，該電路能大大節(jié)省主機CPU的開銷

20、，提高了可靠性和電路的工作效率。2 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的方案論證2.1 步進電機驅(qū)動系統(tǒng)簡介步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機本身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。典型的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機本體三局部組成。步進電機控制器發(fā)出步進脈沖和方向信號，每發(fā)一個脈沖，步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個步距角，即步進一步。步進電機轉(zhuǎn)速的上下、升速或降速、啟動或停止都完全取決于脈沖的有無或頻率的上下。控制器的方向信號決定步進電機的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。通常，步進電機驅(qū)動器由邏輯控制電路

21、、功率驅(qū)動電路、保護電路和電源組成。步進電機驅(qū)動器一旦接收到來自控制器的方向信號和步進脈沖，控制電路就按預(yù)先設(shè)定的電機通電方式產(chǎn)生步進電機各相勵磁繞組導(dǎo)通或截止信號?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿?，不能提供步進電機所需的輸出功率，必須進行功率放大，這就是步進電機驅(qū)動器的功率驅(qū)動局部。功率驅(qū)動電路向步進電機控制繞組輸入電流，使其勵磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。保護電路在出現(xiàn)短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅(qū)動器和電機的運行。2.2 步進電機驅(qū)動器的特點步進電機的驅(qū)動特點主要表達(dá)在以下幾個方面：(1) 各相繞組都是開關(guān)工作。多數(shù)電機繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進電機各相繞組都是脈沖式供電，所

22、以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的。(2) 步進電機各相繞組都是在鐵心上的線圈，所以都有比擬大的電感。繞組通電時，電流上升受到限制，因此影響電機繞組電流的大小。(3) 繞組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程都會產(chǎn)生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅(qū)動器功率器件的平安產(chǎn)生十分有害的影響，使整個系統(tǒng)的使用受到影響。(4) 電機運行時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的方向和大小將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢根本上與電機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電

23、機輸出轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。(5) 電機繞組中有電感電勢、互感電勢、旋轉(zhuǎn)電勢。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。當(dāng)其疊加結(jié)果使電機繞組兩端的電壓大大超過電源電壓時，使驅(qū)動器工作條件更為惡化。(6) 混合式步進電機的繞組必須用雙極性電源供電，也就是說，繞組有時需通正向電流，有時需通反向電流。所以，根據(jù)以上的特點，步進電機的驅(qū)動器必須要保證步進電機繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，而且同時要保證驅(qū)動器功率放大器件平安運行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的本錢，這就要求選用適宜的功率器件合理設(shè)計線路。2.3 混合式步進電機的驅(qū)動電路分類和性能比擬與反響式和永磁式相比，混合式步進電機運行特

24、性具有很多優(yōu)點，在國外已是步進電機系列的主流?；旌鲜讲竭M電機的驅(qū)動技術(shù)在開展和成熟的過程中出現(xiàn)過各種各樣的驅(qū)動電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式。根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)的不同可分為單極性驅(qū)動、雙極性驅(qū)動、全H橋和多相橋驅(qū)動；根據(jù)驅(qū)動方式的不同又可分為單電壓驅(qū)動、上下壓驅(qū)動、斬波恒流驅(qū)動、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動、電流細(xì)分驅(qū)動等。 雙極性驅(qū)動器與單極性驅(qū)動器混合式步進電機要求雙極性供電，也就是要求電機勵磁繞組有時通正向電流，有時通反向電流。在步進電機開展的初期，電子技術(shù)開展水平有限，為了簡化驅(qū)動電路，采用單極性電路。將電機繞組采取雙線并繞，一相繞組分成二相，其中之二正向通電，另一那么反向通電，這樣可單極性供電而到達(dá)正、反向勵磁

25、的目的(圖1)。最簡單的兩相電機單極性驅(qū)動電路，只要用四個功率開關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡單，本錢低，電機的繞組在同一時間只能有一半通電，因此繞組的電感小，有利于電機的高速性能；缺點是每次只使用了繞組的一半，中低速運行時轉(zhuǎn)矩不如整個繞組勵磁的電機。而且電機引線過多，兩相電機需要六個引出端，三相電機需要9個引出端，五相電機那么需要15個引出端，使得單極性驅(qū)動器與三、五相電機之間連線太復(fù)雜，因此僅用于兩相混合式步進電機。 圖1 單極性驅(qū)動電路隨著電子技術(shù)的開展，電子元器件價格的降低，雙極性驅(qū)動電路的實現(xiàn)變得容易，本錢也增加不多，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)混合式步進電機使用雙極性驅(qū)動。對電機繞組雙向供電的典型結(jié)構(gòu)是H橋式電

26、路，如圖2所示。當(dāng)開關(guān)管T1，T4導(dǎo)通、T2，T3截止時，電流經(jīng)T1、電機繞組和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3導(dǎo)通時，電流經(jīng)T3、電機繞組和T2到地；可見電流方向相反。Dl，D2，D3和D4四個二極管組成續(xù)流回路。電機每一相繞組需四只開關(guān)管驅(qū)動，驅(qū)動器本錢比擬高。電機的相數(shù)增多時，H橋式電路需要功率管數(shù)多的缺點較為突出，例如五相電機就需要20只功率管。圖2 H橋驅(qū)動電路多相橋式電路，也叫多相半橋電路，這種電路比H橋減少了一半的晶體管，降低了驅(qū)動器的本錢、體積和發(fā)熱。采用多相橋式電路時，電機相繞組間通常為星形或多邊形聯(lián)接，圖3是三相混合式步進電機繞組二種聯(lián)接的例子。星形接法時，二相繞組串聯(lián)

27、起來一起跨接到功放電源上，每相繞組的端電壓大約只有功放級電壓的一半，因此系統(tǒng)運行的高頻特性和動態(tài)性能，比用H橋式驅(qū)動電路時低。如果想要獲得與H橋驅(qū)動相近的性能，那么繞組的匝數(shù)應(yīng)減半或加倍相繞組的電壓。電機繞組為三角形聯(lián)接時，功放橋的電壓直接加到每一相繞組上，相繞組的電壓較高，高頻運行及動態(tài)響應(yīng)比星形接法時好，與H橋驅(qū)動時相接近。但由于二相繞組的電流同時流經(jīng)一個功率管，每個開關(guān)管的電流最大時約為相電流的二倍，即為H橋驅(qū)動或星型接法驅(qū)動時的二倍。這兩種接法共同的特點在于，電機三相電流不是獨立可調(diào)的，根據(jù)基爾霍夫定理，電機三相電流必須滿足一個約束方程： 圖3 三相電機多相橋驅(qū)動的三角形和星形接法 單

28、電壓驅(qū)動方式單電壓驅(qū)動方式是指步進電機繞組上加上恒定的電壓V，這種驅(qū)動方式的電路相當(dāng)簡單，流經(jīng)繞組中的電流以時間常數(shù)L/R(L為繞組的電感，R為繞組的電阻)上升，直到到達(dá)額定電流I=V/R。當(dāng)電機高速運行時，流經(jīng)繞組的電流還未上升到額定電流就被關(guān)斷，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。為改善高速運行的電機轉(zhuǎn)矩特性，通常在連接電機繞組的線路中串聯(lián)一個無感電阻來減少電氣時間常數(shù)，同時成比例的增加電源電壓以保持額定電流不變(圖4)。單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、本錢低、可靠性高。缺點是串入電阻將加大功耗，降低功放電路的功率，必須具備相應(yīng)的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作。所以這種電

29、路一般僅適合于驅(qū)動小功率步進電機或?qū)Σ竭M電機運行性能要求不高的情況。圖4 單電壓驅(qū)動 上下壓驅(qū)動方式為了改善驅(qū)動器的高頻特性，就必須提高導(dǎo)通電流的前沿，即提高電源電壓，但是電壓提高的同時也會使相繞組電流增大，必須加限制電阻，參加電阻后又會引起發(fā)熱，加劇功率的損耗，降低效率。為了解決這些問題，又產(chǎn)生了上下壓驅(qū)動電路。上下壓驅(qū)動的設(shè)計思想是不管電動機的工作頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。上下壓驅(qū)動的原理線路如圖5所示。圖5 上下壓驅(qū)動電路原理圖 圖6 斬波驅(qū)動電路原理圖1整形電路 2脈沖分配器 3控制門4高壓前置放大器 5低壓前置放

30、大器上下壓驅(qū)動可保證在很寬的頻段內(nèi)繞組都有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，能夠產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。其優(yōu)點是：功耗小，啟動轉(zhuǎn)矩大，高頻性能較好。但是也存在著低頻振蕩加劇，波形呈凹形，驅(qū)動電源和大功率管數(shù)量加倍，本錢上升的缺點。2.3.4 斬波恒流驅(qū)動恒流斬波驅(qū)動控制技術(shù)是目前步進電機控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補上下壓驅(qū)動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值根本恒定。同時電機的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。斬波驅(qū)動中，雖然電路較復(fù)雜，但是由于驅(qū)動電壓較高，電機繞組回路又沒有串入電阻，整個系統(tǒng)功耗下降很多，所以電流上升快。當(dāng)?shù)竭_(dá)所需要

31、的電流時，由于取樣電阻的反響作用，使繞組電流根本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩根本恒定。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進電機的一個重要性能指標(biāo)，當(dāng)我們使電機的繞組電流恒定在一個較高的數(shù)值時，就可提升電機的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，為克服步進電機在高頻時牽出轉(zhuǎn)矩下降的問題，很多文獻提出了一些新的恒流斬波驅(qū)動設(shè)計。但是，恒流斬波技術(shù)不能解決步進電機本身所固有的低頻振動問題，無法克服步進電機因受步距角限制而不能實現(xiàn)多種步距角控制的缺陷。只有與單拍和雙拍運行時相對應(yīng)的兩種步距角。2.4 方案確實定比照上面的各種方案方案，各有各自的優(yōu)缺點。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來比擬簡單。而固定開關(guān)頻

32、率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。在實際的步進電機驅(qū)動電路中考慮到本錢和驅(qū)動電路精度要求的問題，雙極性步進電機采用H橋驅(qū)動，單極性步進電機采用分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路驅(qū)動。3 混合式步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本章在以上章節(jié)的理論分析根底上，充分從實踐的角度出發(fā)，主要介紹了該混合式步進電機驅(qū)動器的硬件設(shè)計局部，對硬件電路的總體設(shè)計方案及每個主要組成局部的功能及實現(xiàn)方法進行了詳細(xì)的論述和分析。系統(tǒng)的框圖如圖7所示：圖7 系統(tǒng)框圖3.1單片機最小系統(tǒng)單片機集成度高，具有豐富的內(nèi)部資源，再加上少量的外圍擴展電路就可以構(gòu)成體積小、可靠性高、控制功能強且性價比高的控制系統(tǒng)。Intel公司一直致力

33、于單片機的開發(fā)研究，不斷推出了許多功能更多，使用更方便的單片機系列，1980年在MCS-48的根底之上推出了完善的、典型的單片機系列MCS-51。與MCS-48系列相比，MCS-51系列單片機有更高的集成度，更豐富的指令系統(tǒng)，更好的可擴展性，以后好多系列的的單片機都是基于51核的。8051單片機是MCS-51系列單片機中最根底的單片機型號，廣泛應(yīng)用己各個工程領(lǐng)域。本系統(tǒng)便采用了此款單片機。圖8給出了它的最小系統(tǒng)電路圖。圖8單片機最小系統(tǒng)3.2 紅外遙控電路紅外線屬于不可見光。與可見光不同，其波長為850-11000nm，是人眼看不見的光線。紅外線遙控器已被廣泛使用在各種類型的家電產(chǎn)品上，它的出

34、現(xiàn)給使用電器提供了很多 的便利。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩大局部組成。 紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射裝置可由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發(fā)射電路組成。該電路采用調(diào)幅方式，載波信號頻率采用最常用的38KHZ。當(dāng)編碼調(diào)制信號為高時，有載波信號輸出；但編碼調(diào)制信號為低時，載波信號不輸出。已調(diào)制的信號為斷續(xù)的等幅信號調(diào)制載波信號，信號波形如圖9所示。圖9 信號波形圖調(diào)制信號時將指令編碼后輸出的信號。用MC145026做編碼器。電路原理圖如圖10所示：圖10 遙控器發(fā)射電路圖中74LS147是優(yōu)先編碼器。從8條數(shù)據(jù)線2SW1-2SW8輸入的開關(guān)狀態(tài)信號被74LS147編碼為4線BCD碼

35、8-4-2-1，再送MC145026，形成串行編碼信號輸出到NE555，產(chǎn)生調(diào)制、載波輸出。圖中R1，C2和電位器D1配合NE555產(chǎn)生38KHZ的載波信號。MC145026發(fā)送串行編碼脈沖。MC145026的引腳A1-A5為地址輸入端，每一位都可設(shè)定為0，1和“開路3個狀態(tài)。圖中僅采用了0和“開路這兩個狀態(tài)，MC145026的地址設(shè)置應(yīng)與解碼器MC145027配對，否那么不能解碼。紅外發(fā)射電路板用4節(jié)5號電池供電。紅外發(fā)射電路板到接收器在主板上的距離應(yīng)在10m以內(nèi)，以保證信號的可靠收/發(fā)。 紅外接收電路紅外接收設(shè)備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應(yīng)用電路組成。接收振蕩頻率應(yīng)與發(fā)射振蕩頻

36、率相同?？紤]到用集成電路HS0038A2做紅外接收頭，其載波頻率為38KHZ。與MC145026編碼器配套的解碼器為MC145027。接收電路原理圖如圖11所示：圖11 遙控器接收電路圖中HS0038A2是集成紅外接收頭。因為它的輸出信號與解碼器的輸入信號反向，故加三極管Q1作為反相器。當(dāng)MC145027收到信號并解碼成功后，其VT端出現(xiàn)高電平，同時輸出解碼后的4位數(shù)據(jù)HD0-HD3。將VT信號反向，即可產(chǎn)生中斷信號INT0，向CPU申請中斷。在中斷效勞子程序中安排從輸入端口讀取這4位數(shù)據(jù)HD0-HD3。3.3 LCD顯示電路ST7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，它是一種內(nèi)置1

37、286412漢字圖形點陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。該芯片共內(nèi)置8192個中文漢字1616點陣、128個字符的ASCII字符庫816點陣及64256點陣顯示RAMGDRAM。為了能夠簡單、有效地顯示漢字和圖形，該模塊內(nèi)部設(shè)計有2MB的中文字型CGROM和64256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域；同時，該模塊還提供有4組可編程控制的1616點陣造字空間；除此之外，為了適應(yīng)多種微處理器和單片機接口的需要，該模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行以及3線串行等多種接口方式。利用上述功能可方便地實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示，所有這些功能包括顯示RAM、字符產(chǎn)生器以及液晶

38、驅(qū)動電路和控制器都包含在集成電路芯片里，因此，只要一個最根本的微處理系統(tǒng)就可以通過ST7920芯片來控制其它的芯片。ST7920的主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下：電源：VDD (2.75.5V)5V(內(nèi)置升壓電路，一般無需負(fù)壓)；功耗：正常模式：450，睡眠模式：3A，低功耗模式：30A；顯示內(nèi)容：128列 64行；顯示顏色：黃綠；顯示角度：6：00鐘直視；LCD類型：STN；與MCU接口：8位并行3位串行；配置有LED背光顯示功能；帶有自動啟動復(fù)位按鈕(reset)；軟件功能設(shè)置：畫面去除、光標(biāo)顯示隱藏、光標(biāo)歸位、顯示翻開關(guān)閉、顯示字符閃爍、光標(biāo)移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠喚

39、醒、關(guān)閉顯示、自定義字符、睡眠模式等。原理圖如圖12所示：圖12顯示電路原理圖3.4 雙機通訊在計算機冗余控制和分布式測控系統(tǒng)中，主要采用串行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。8051單片機自備串行接口，為機間通信提供了極為便利的條件。雙擊通信也稱為點對點的通信，用于雙機冗余控制單片機和單片機之間交換信息，也用于單片機和通用微機間的信息交流。在本設(shè)計中由于液晶顯示占用了80C51的大量資源，考慮到端口擴展與存儲器擴展的本錢問題，采用雙機通信既方便又實惠。硬件電路原理圖如圖13所示：圖13 雙機通訊電路原理圖3.5 步進電機驅(qū)動局部 單極性步進電機驅(qū)動單極性步進電機單相驅(qū)動電路原理圖如圖14所示：圖14 單

40、極性步進電機驅(qū)動電路AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4P1.7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率12MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。圖3中的RL1RL4為繞組內(nèi)阻，50電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反

41、電動勢通過續(xù)流二極管D1D4而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不受損壞。在50外接電阻上并聯(lián)一個200F電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。 雙極性步進電機驅(qū)動單相驅(qū)動電路如圖15所示：圖15雙極性步進電機驅(qū)動電路圖中A0.A3為一對控制線圈電流的一個方向，A2.A4 為一對控制線圈電流的另一個方向。3.6 電源電路LM2575系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器52kHz和基

42、準(zhǔn)穩(wěn)壓器1.23V，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下： 最大輸出電流：3A； 最高輸入電壓：LM2575為40V，LM2575HV為60V； 輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ可調(diào)等可選； 振動頻率：52kHz； 轉(zhuǎn)換效率：75%88%不同電壓輸出時的效率不同； 控制方式：PWM； 工作溫度范圍：-40 +125 工作模式：低功耗/正常兩種模式可外部控制； 工作模式控制：TTL電平兼容； 所需外部元件：僅四個不可調(diào)或六個可調(diào)； 器件保護：熱關(guān)斷及電流限制； 封裝形式：

43、TO-220或TO-263。 LM2575內(nèi)部包含52kHz振蕩器、1.23V基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比擬器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓，通常將比擬器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓1.23V，正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣可根據(jù)輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中R1=1k可調(diào)-ADJ時開路，R2分別為1.7k3.3V、3.1k5V、8.84k12V、11.3k15V和0-ADJ，上述電阻依據(jù)型號不同已在芯片內(nèi)部做了精確調(diào)整，因而無需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23V進行比擬，假設(shè)電壓有偏差，那么可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓

44、保持穩(wěn)定。硬件電路如圖16所示：圖16 電源電路4 軟件設(shè)計4.1 主機LCD顯示菜單程序 圖17主機LCD顯示菜單程序4.2 雙機通訊程序圖18 發(fā)送程序圖19 接收程序4.3 下位機步進電機驅(qū)動程序 圖20 從機程序圖21 從機中斷程序5 驅(qū)動器試驗結(jié)果這章節(jié)主要是列出幾組所測試的混合式步進電機驅(qū)動器的相關(guān)波形圖，以及一些主要的分析結(jié)果。介紹了驅(qū)動器的控制面板并用圖片展示了所做的驅(qū)動器的外殼和內(nèi)部電路板結(jié)構(gòu)?？傊畯母鞣矫孑^詳細(xì)的說明了所研制的驅(qū)動器的性能特點。5.1 概述這局部主要是對該二相混合式步進電機驅(qū)動器的性能進行測試，檢測它是否能完成設(shè)定的一些任務(wù)，是否能到達(dá)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。主要測試內(nèi)容包括：工作電壓范圍檢測；工作電流范圍檢測；電機正/反轉(zhuǎn)經(jīng)測試論證，結(jié)果說明該驅(qū)動器根本滿足設(shè)定的功能要求，性能良好。實驗儀器：(1)兩相混合式步進電動機本體實物圖如下列圖22所示。 圖