步進(jìn)電機(jī)控制
步進(jìn)電機(jī)控制,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,控制,節(jié)制
基于AT89C51的步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)【摘要】通過合理選擇步進(jìn)電機(jī)相繞組細(xì)分電流波形，提出并介紹了基于AT89C51單片機(jī)控制的斬波恒流均勻細(xì)分驅(qū)動方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。關(guān)鍵詞：恒轉(zhuǎn)矩，斬波恒流，均勻細(xì)分，驅(qū)動電路1引言步進(jìn)電機(jī)是一種將離散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，是一種輸出與輸入脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。該元件具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在當(dāng)今工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但其步矩角較大，一般為153，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動是減小步距角、提高步進(jìn)分辨率、增加電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的一種行之有效的方法。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分運(yùn)行時(shí)，細(xì)分的均勻性是首先要考慮的。目前報(bào)道的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器，多采用量化的梯形波、正弦波作為細(xì)分驅(qū)動的驅(qū)動電流波形，但事實(shí)上這些電流波形在一般的步進(jìn)電機(jī)上均不能得到滿意的細(xì)分精度。本文在選擇了合理的電流波形的基礎(chǔ)上，提出了基于AT89C51單片機(jī)控制的斬波恒流細(xì)分驅(qū)動方案，其運(yùn)行功耗小，可靠性高，通用性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。2 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流波形的選擇及量化步進(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)的勵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。因此，要想實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的均勻細(xì)分控制，必須合理控制電機(jī)繞組中的電流，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，且每個(gè)進(jìn)給脈沖所引起的合磁場的角度變化也要均勻。我們知道在空間彼此相差2m的m相繞組，分別通以相位上相差2m而幅值相同的正弦電流，則合成的電流矢量便在空間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且幅值保持不變。這點(diǎn)對于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)來說比較困難，因?yàn)榉磻?yīng)式步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)。以比較經(jīng)濟(jì)合理的方式對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，繞組電流波形宜采用如圖1所示的形式。 穩(wěn)。將繞組電流根據(jù)細(xì)分倍數(shù)均勻量化后，所得細(xì)分步距角也是均勻的。為了進(jìn)一步得到更加均勻的細(xì)分步距角，可通過實(shí)驗(yàn)測取一組在通入量化電流波形時(shí)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步距的數(shù)據(jù)，然后對其誤差進(jìn)行插值補(bǔ)償，求得實(shí)際的補(bǔ)償電流曲線。這些工作大部分由計(jì)算機(jī)來完成，在取得校正后的量化電流波形之后，以相應(yīng)的數(shù)字量存儲于EEPROM的不同區(qū)域，量化的程度決定了細(xì)分驅(qū)動的分辨率。 3斬波恒流細(xì)分驅(qū)動方案及硬件實(shí)現(xiàn)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動方案的原理為：由單片機(jī)輸出EEPROM中存儲的細(xì)分電流控制信號，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，再與取樣信號進(jìn)行比較，形成斬波控制信號，控制各功率管前級驅(qū)動電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)繞組中電流的閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)步距的精確細(xì)分。系統(tǒng)框圖如圖2所示。31控制電路控制電路主要由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器及可編程鍵盤顯示控制器Intel8279等組成，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心，受控步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分倍數(shù)、運(yùn)行脈沖頻率、正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、以及啟停等的控制既可由鍵盤輸入，也可以通過與上位機(jī)的串行通信接口由上位機(jī)設(shè)置。狀態(tài)顯示提供當(dāng)前通電相、相電流大小、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、正反轉(zhuǎn)、當(dāng)前運(yùn)行速度、線位移及相關(guān)計(jì)數(shù)等的顯示，并將工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。傳感器（霍爾傳感器）用于檢測計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。單片機(jī)的主要功能是輸出EEPROM中存儲的細(xì)分電流控制信號進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，DA轉(zhuǎn)換器既可以選擇8位的，亦可選擇12位的。本控制系統(tǒng)選用的是8位DA轉(zhuǎn)換器MAX516。MAX516把4個(gè)DA轉(zhuǎn)換器與4個(gè)比較器組合在單個(gè)的CMOSIC（DIP20封裝）上，4個(gè)DA轉(zhuǎn)換器共享一個(gè)參考輸入電壓VREF。每個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓均可采用下式表示：VDACiVREFN256N0，l，255，對應(yīng)于8位的DAC的輸入碼D0D7（此處為細(xì)分電流控制信號）。通過調(diào)節(jié)VREF的變化范圍，便可調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中電流的幅值。32功率驅(qū)動電路工作中，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電流控制信號的DA轉(zhuǎn)換值Ui輸入到MAX516內(nèi)部各比較器COMPi的同向輸入端，繞組電流取樣信號Vi輸入到COMPi的反向輸入端。斬波桓流驅(qū)動采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調(diào)制成斬波控制信號，控制繞組的通電時(shí)間，使反饋電壓Vi始終跟隨DA從轉(zhuǎn)換輸出的控制電壓Ui。合理選擇續(xù)流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動，且波動范圍不大。調(diào)制用方波信號頻率為2174kHz，由AT89C51的P25PWM端產(chǎn)生，且各相是同頻斬波，不會產(chǎn)生差拍現(xiàn)象，所以消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導(dǎo)致功率開關(guān)管誤導(dǎo)通，把斬波控制信號與相序控制信號相與后去控制功放管。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，并聯(lián)RC、快恢復(fù)續(xù)流二極管D、繞組L及主電源構(gòu)成泄放回路。與單純R釋能電路相比，RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小，而電流下降速度大大加快。電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當(dāng)繞組電流流過其內(nèi)部35m精密取樣電阻時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路變化，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號：VOUTROUT（ILOAD500AA）其中ROUT為MAX471外部調(diào)壓電阻，阻值按設(shè)計(jì)要求選定。ILOAD為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時(shí)具有電流檢測與放大功能，從而大大方便了整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。功率開關(guān)管（功放管）是功放電路中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)系統(tǒng)的功耗和體積。由于所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器主要用來驅(qū)動額定電流3A、額定電壓27V以下的步進(jìn)電機(jī)，故選用高頻VMOS功率場效應(yīng)晶體管IRF540（VDS100V，RDS（on）0052，ID27A）作為開關(guān)管。IRF540導(dǎo)通電阻很小，因此，即使電機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該VMOS管殼本身的溫度比較低，不須外加風(fēng)扇。為了提高步進(jìn)電機(jī)的工作可靠性，消除電機(jī)電感性繞組的干擾，本系統(tǒng)無論從驅(qū)動部分還是反饋部分都進(jìn)行了隔離。驅(qū)動隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件，一方面可以實(shí)現(xiàn)前級控制電路同步進(jìn)電機(jī)繞組的隔離；另一方面使功率開關(guān)管的驅(qū)動變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器，其作用是高速衰減繞組（電感線圈）在開關(guān)時(shí)截止頻率以上的瞬時(shí)高頻電壓信號，從而避免控制電路作出太迅速的反應(yīng)，可以有效地防止步進(jìn)電機(jī)的振蕩。線性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性地傳輸給比較器。4軟件設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動系統(tǒng)的軟件主要由主控程序、細(xì)分驅(qū)動程序、鍵處理程序、顯示數(shù)據(jù)處理及顯示驅(qū)動程序、通信監(jiān)控程序等部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。細(xì)分驅(qū)動主控制程序控制整個(gè)程序的流程，主要完成程序的初始化、中斷方式的設(shè)置、計(jì)數(shù)器工作方式的設(shè)置及相關(guān)子程序的調(diào)用等。初始化包括8279各寄存器、8279的顯示RAM、AT89C51的中斷系統(tǒng)及內(nèi)部RAM等。在AT89C51的各中斷中，使用了INT1、T0和T1這三個(gè)中斷，其中，INT1為高優(yōu)先級，在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)有停止鍵按下時(shí)，則INT1中斷服務(wù)程序?qū)0關(guān)閉，從而使步進(jìn)電機(jī)停止，T0控制每一步的步進(jìn)周期，該服務(wù)程序基本上只作重置定時(shí)器和置標(biāo)志位的操作，而其它操作均在主程序中完成。其流程圖如圖4所示。細(xì)分驅(qū)動程序中，細(xì)分電流控制信號的輸出采用單片機(jī)片內(nèi)EEPROM軟件查表法，用地址選擇來實(shí)現(xiàn)不同通電方式下的可變步距細(xì)分，從而實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置。其流程圖如圖5所示。 步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制是通過改變電機(jī)通電相序來實(shí)現(xiàn)的。為達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)啟停運(yùn)行過程的快速和精確控制，從其動力學(xué)特性出發(fā)，推導(dǎo)出符合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的曲線應(yīng)該是指數(shù)型運(yùn)行曲線，并將這一曲線量化后，存入EEPROM。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中，每個(gè)通電狀態(tài)保持時(shí)間的長短，由當(dāng)前速度對應(yīng)的延時(shí)時(shí)間值決定。5結(jié)束語本文提出并實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動器，最高細(xì)分達(dá)到256，能適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、較高細(xì)分步距角精度、及平滑運(yùn)行等要求。細(xì)分驅(qū)動器的系統(tǒng)功能完善，大量新型元器件的采用，使所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器具有體積小、細(xì)分精度高、運(yùn)行功耗低、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強(qiáng)，從而使控制系統(tǒng)更加靈活。該驅(qū)動控制器已用于我們的校內(nèi)科研基金項(xiàng)目“全自動高精度線材切割機(jī)”的驅(qū)動控制系統(tǒng)中。該切割機(jī)的拖動執(zhí)行元件為三相六拍步進(jìn)電機(jī)，它既可以作為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為同步電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)作為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其粗步距角為15，軸齒輪直徑為32mm，故步進(jìn)電機(jī)送料的粗步進(jìn)位移為：d15360419m。為了進(jìn)一步提高切割機(jī)定位精度和系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)性，采用上述細(xì)分驅(qū)動控制器，細(xì)分級數(shù)為32時(shí)，切割定位精度為131m；當(dāng)切割機(jī)需要快速運(yùn)行時(shí)，可采用同步運(yùn)行方式。從運(yùn)行的實(shí)際情況看，該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)速精度和切割精度，慣性小，運(yùn)行可靠，取得了滿意的效果。參考文獻(xiàn)1何立民單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編北京：北京航空航天大學(xué)出版社，19992高明單片微機(jī)接口與系統(tǒng)設(shè)計(jì)哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，19953余永權(quán)ATMEL89系列（MCS51兼容）Flash單片機(jī)原理及應(yīng)用北京：電子工業(yè)出版社，19974郝鴻安常用數(shù)字集成電路應(yīng)用手冊北京：中國計(jì)量出版社，19875康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）北京：高等教育出版社，1999
收藏
編號：3310029
類型：共享資源
大?。?span id="kmcszes" class="font-tahoma">18.18MB
格式：ZIP
上傳時(shí)間：2019-12-11
38
積分
- 關(guān) 鍵 詞：
-
步進(jìn)
電機(jī)
機(jī)電
控制
節(jié)制
- 資源描述：
-
步進(jìn)電機(jī)控制,步進(jìn),電機(jī),機(jī)電,控制,節(jié)制
展開閱讀全文
- 溫馨提示:
1: 本站所有資源如無特殊說明，都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
2: 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等，如果需要附件，請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
3.本站RAR壓縮包中若帶圖紙，網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽，若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
5. 裝配圖網(wǎng)僅提供信息存儲空間，僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理，對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯，并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容，請與我們聯(lián)系，我們立即糾正。
7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
裝配圖網(wǎng)所有資源均是用戶自行上傳分享，僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流，未經(jīng)上傳用戶書面授權(quán)，請勿作他用。