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1、計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計報告 基于Proteus的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 專業(yè)及班級 _ 09自動化(1)班 _ 姓 名_ 吳紅 田坤 王林 指導(dǎo) 老師_ 丁 健_ 完成 時間_ _ 2012-6-17_ 一、步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn)3(1) 換相順序的控制3(2) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制3(3) 步進(jìn)電機(jī)的速度控制3(4) 步進(jìn)電機(jī)的起停控制4(5)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制4(6) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制4二、元器件介紹5(1)步進(jìn)電機(jī)5(2)89C51單片機(jī)7(3)L297介紹7(4)L298簡介11三、方案論證13四、硬件設(shè)計14(1)控制電路14(2) 驅(qū)動電路15(3)顯示模塊16(4)總
2、體電路圖16五、軟件設(shè)計17(2)定時中斷設(shè)計17(3)外部中斷設(shè)計17六、源程序代碼19七、總結(jié)23 基于protues的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要:步進(jìn)電機(jī)是一種進(jìn)行精確步進(jìn)運(yùn)動的機(jī)電執(zhí)行元件,它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制,為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價比最優(yōu),根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求及步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用環(huán)境,確定了設(shè)計系統(tǒng)硬件和軟件的功能劃分,從而實(shí)現(xiàn)了基于8051單片機(jī)的四相步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過單片機(jī)存儲器、I/O接口、中斷、鍵盤、LED顯示器的擴(kuò)展、步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分頻器、驅(qū)動及保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、中斷系統(tǒng)及復(fù)位電路、單電壓驅(qū)動電路等的設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了四相步進(jìn)電機(jī)的
3、正反轉(zhuǎn),急停等功能。為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用,系統(tǒng)設(shè)計了兩個外部中斷,以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)在某段時間內(nèi)的反復(fù)正反轉(zhuǎn)功能,也即數(shù)控機(jī)床的刀架自動進(jìn)給運(yùn)動,隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛,自六十年代初期以來,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用得到很大的提高。人們用它來驅(qū)動時鐘和其他采用指針的儀器,打印機(jī)、繪圖儀,磁盤光盤驅(qū)動器、各種自動控制閥、各種工具,還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。此外作為執(zhí)行元件,步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一,被廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中,隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,它的需要量與日俱增,在各個國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常
4、用的執(zhí)行元件,由于其精度高、體積小、控制方便靈活,因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用,大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及,為設(shè)計功能強(qiáng),價格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。 一、步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn)由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件,它不能直接接到交直流電源上,而必須使用專業(yè)設(shè)步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器,典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號,它為環(huán)形分配器提供脈沖序列,環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后,經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的各項輸入
5、端,以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動,環(huán)形分配器主要有兩大類:一類是用計算機(jī)軟件設(shè)計的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能,通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器,通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大,以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的目的,步進(jìn)電機(jī)的基本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個方面。從結(jié)構(gòu)上看,步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種,其基本原理如下: (1) 換相順序的控制 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如,三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式 下,其各相通電順序為 ABCA,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別 控制 A、B、C 相的通斷。三相雙三拍的通電順序為 AB
6、BCCAAB,三相六拍的通電順序為AABBBCCCAA。 (2) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 如果給定工作方式正序換相通電,步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。若步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式為 三相六拍,即 AABBBCCCAA。如果按反序通電換相,AACCCBBBAA,則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似。 (3) 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖,它就轉(zhuǎn)一步,再發(fā)一個脈沖,它會再轉(zhuǎn)一 步。兩個脈沖的間隔越短,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率, 就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。 (4) 步進(jìn)電機(jī)的起??刂?步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性,運(yùn)轉(zhuǎn)時會有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑,減小 振動,可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降
7、沿采用細(xì)分的梯形波,可以減小步 進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角,跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時,為了防止因慣性 而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑,則需采用合適的鎖定波形,產(chǎn)生鎖定磁力矩,鎖定步進(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)軸,使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動。 (5)步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中,通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn),如果信號變化太快,步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號的變化,這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動時,必須有加速過程,在停止時波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線,步進(jìn)電機(jī)整個降速過程頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比較符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律,能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩,快
8、速響應(yīng)性好,縮短了升降速的時間,并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個實(shí)際的控制系統(tǒng)中,要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動頻率”,于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號突然關(guān)斷,步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng),有了這些數(shù)據(jù),才能有效地對電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動頻率(突跳頻率)一般為0.1KHz 到 34KHz,而最高運(yùn)行頻率則可以達(dá)到N*102KHz,以超過最高啟動頻率的頻率直接啟動,會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。 (6) 步進(jìn)電機(jī)的換向控制 步進(jìn)
9、電機(jī)換向時,一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向, 以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個方向的最后一個脈沖 結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定 的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。在某一高速下的正、反向切換 實(shí)質(zhì)包含了降速換向加速3個過程。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn): 步進(jìn)電機(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)一轉(zhuǎn)后,沒有累計誤差,具有良好的跟隨性。 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既非常方便、廉價,也非??煽俊M瑫r,它也可以有角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快,易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。
10、速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié),低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩,因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。 步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行,它不能直接用交流電源或直流電源。 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動比較大,帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。二、元器件介紹 (1)步進(jìn)電機(jī) 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,即給一個脈沖信 號,步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度,因此非常適合于單片機(jī)控制。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。步進(jìn)電機(jī)分三種:永磁式(PM),反應(yīng)式(VR)和混合式(HB),步進(jìn)電機(jī)又稱為
11、脈沖電機(jī),是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動,反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件。其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移,由于開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn) 精確定位的特點(diǎn),使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電 脈沖信號控制的,其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比,每個一個脈沖,步進(jìn) 電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度(不距角)或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入 的電脈沖數(shù)確定,所以,也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。 四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理 該設(shè)計采用了 20BY-0 型步進(jìn)電機(jī),該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī),采用單極性直 流電源供電。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電,就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 動。當(dāng)某一相繞
12、組通電時,對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場,并與轉(zhuǎn)子形成磁路,這時,如 果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊,在磁場的作用下,由于磁通具有力圖走磁阻最小 路徑的特點(diǎn),則轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度,使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊,由此可見, 錯齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 相數(shù):產(chǎn)生不同隊N、S磁場的激磁線圈對數(shù),常用 m表示。 拍數(shù):完成一個磁場周期性變化所需脈沖用n表示,或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個齒距 角所需脈沖數(shù),以四相電機(jī)為例,有四相四拍運(yùn)行方式即ABBCCDDAAB, 四相八拍運(yùn)行方式即AABBBCCCDDDAA。 步距角:對應(yīng)一個脈沖信號,電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用表示。50齒角電機(jī)為例,四相運(yùn)行時步距角為 :
13、 =360 度 /( 50*4 )=1.8 度;八拍運(yùn)行時步距角為: =360度/(50*8)=0.9度。定位轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在不通電的狀態(tài)下,電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩(由磁場齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的)。 靜轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下,電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時,電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定 力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn),與驅(qū)動電壓及驅(qū)動電源等無關(guān)。雖然 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比,與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用 減小氣隙,增加勵磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的,這樣會造成電機(jī)的發(fā)熱 及機(jī)械噪音。 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律 目前,對步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形 脈沖分配器、專用集
14、成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計利用單片機(jī)進(jìn)行控制,主 要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍,雙四 拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時的時序 與波形分別如圖 1 a、b、c 所示。本設(shè)計的電機(jī)工作方式為四相單四拍,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時序 和波形圖,總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時的脈沖分配規(guī)律,四相雙四拍的脈 沖分配規(guī)律,在每一種工作方式中,脈沖的頻率越高,其轉(zhuǎn)速就越快,但脈沖頻 率高到一定程度,步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電機(jī)會出現(xiàn)失步現(xiàn)象,所以脈沖 頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)。 (2)89C51單片機(jī) Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一
15、種低功耗/低電壓高性能的8位單片機(jī), 它采用 CMOS 和高密度非易失性存儲技術(shù),而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容;片內(nèi)的Flash ROM 允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程 器來編程,內(nèi)部除 CPU 外,還包括 256 字節(jié) RAM,4 個 8 位并行 I/O 口,5 個中 斷源,2個中斷優(yōu)先級,2個16位可編程定時計數(shù)器,89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、 靈活性高且價格合理的單片機(jī),完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計需要。(3)L297介紹L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器,它能產(chǎn)生4相控制信號,可用于計算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī),能夠用單四拍、雙四
16、拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù),使用5V的電源電壓,全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的芯片引腳特別緊湊,采用雙列直插20腳塑封封裝,其引腳見圖1,內(nèi)部方框見圖2。 圖1 L297芯片引腳圖 L297各引腳功能說明1腳(SYNG)斬波器輸出端。如多個297同步控制,所有的SYNC端都要連在一起,共用一套振蕩元件。如果使用外部時鐘源,則時鐘信號接到此引腳上。2腳(GND)接地端。3腳(HOME)集電極開路輸出端。當(dāng)L297在初始狀態(tài)(A
17、BCD=0101)時,此端有指示。當(dāng)此引腳有效時,晶體管開路。4腳(A)A相驅(qū)動信號。5腳(INH1)控制A相和B相的驅(qū)動極。當(dāng)此引腳為低電平時,A相、B相驅(qū)動控制被禁止;當(dāng)線圈級斷電時,雙極性橋用這個信號使負(fù)載電源快速衰減。若CONTROL端輸入是低電平時,用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流。6腳(B)B相驅(qū)動信號。7腳(C)C相驅(qū)動信號。8腳(INH2)控制C相和D相的驅(qū)動級。作用同INH1相同。9腳(D)D相驅(qū)動信號。10腳(ENABLE)L297的使能輸入端。當(dāng)它為低電平時,INH1,INH2,A,B,C,D都為低電平。當(dāng)系統(tǒng)被復(fù)位時用來阻止電機(jī)驅(qū)動。11腳(CONTROL)斬波器功能控制端。低電平
18、時使INH1和INH2起作用,高電平時使A,B,C,D起作用。12腳(Vcc)+5V電源輸入端。13腳(SENS2)C相、D相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。14腳(SENS1)A相、B相繞組電流檢測電壓反饋輸入端。15腳(Vref )斬波器基準(zhǔn)電壓輸入端。加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。16腳(OSC)斬波器頻率輸入端。一個RC網(wǎng)絡(luò)接至此引角以決定斬波器頻率,在多個L297同步工作時其中一個接到RC網(wǎng)絡(luò),其余的此引角接地,各個器件的腳 I (SYNC)應(yīng)連接到一起這樣可雜波的引入問題如圖5所示。17腳(CW/CCW)方向控制端。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當(dāng)改變此引腳 的電平狀
19、態(tài)時,步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。18腳(CLOCK)步進(jìn)時鐘輸入端。該引腳輸入負(fù)脈沖時步進(jìn)電機(jī)向前步進(jìn)一個增量,該步進(jìn)是在信號 的上升沿產(chǎn)生。19腳(HALF/FULL)半步、全步方式 選擇端。此引腳輸入高電平時為半步方式(四相八拍),低電平時為全步方式。如選擇全步方式時變換器在奇數(shù)狀態(tài),會得到單相工作方式(單四拍)。20腳(RESET)復(fù)位輸入端。此引腳輸入負(fù)脈沖時,變換器恢復(fù)初始狀態(tài) (ABCD=0101)。 圖2 L297內(nèi)部方框電路圖 圖3 L297變換器換出的八步雷格碼(順時針旋轉(zhuǎn)) 圖4 斬波器線路在圖2所示的L297的內(nèi)部方框圖中。變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計算器加某些組
20、合邏輯電路組成,產(chǎn)生一個基本的八格雷碼(順序如圖3所示)。由變換器產(chǎn)生4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分,輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性,相序信號是通過2個PWM斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻,如圖4所示,晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié),當(dāng)負(fù)載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高,當(dāng)電壓達(dá)到Uref時(Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的),將觸發(fā)器重置,切斷輸出,直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號,L297的CONTROL端的輸入決定
21、斬波器對相位線A,B,C,D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時,對A,B,C,D有抑制作用;為低電平時,則對抑制線INH1和INH2有抑制作用,從而可對電動機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制L297驅(qū)動相序的產(chǎn)生L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生,格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合 ,只要在腳19輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖5所示。 圖5 四相八拍模式波形圖通過交替跳過在八步順序中的狀態(tài)就可以得到全步工作方式,此時需在腳19接一低電平,前已述及根據(jù)變換器的狀態(tài)可得到四拍或雙四拍2種工作模
22、式,如圖6,7所示 圖6 單四拍模式波形圖 圖7 雙四拍模式波形圖(4)L298簡介L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ,內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路,是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器,可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī),內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器,接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號,可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī),且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓;此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時序信號,但在本驅(qū)動電路中用L297 來提供時序信號,
23、節(jié)省了單片機(jī)IO 端口的使用。L298N 之接腳如圖8 所示,Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連接來控制負(fù)載的電路; OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進(jìn)電機(jī);input1input4 輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn);Enable 則控制電機(jī)停。 圖8 L298引腳圖三、方案論證 從該系統(tǒng)的設(shè)計要求可知,該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向,速度應(yīng)該有增減變化,通常用加減按鈕控制速度,這樣只要2根口線,再加上一根方向線盒,一根啟動信號線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選四相步進(jìn)電機(jī)。 該電機(jī)共有四相繞組,工作電壓為+5V,可以與單片機(jī)共用一個
24、電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組控制過程如下:P0.0口控制L297的方向控制端(CW/CCW),P0.1控制步進(jìn)時鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序(A,B,C,D四相)。L297的四相輸出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動信號,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。用P1口的P1.0P1.7 控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。四、硬件設(shè)計 本設(shè)計的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動電路、顯示電路四大部 分。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作??刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成, 由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速
25、。驅(qū)動電路主要是對單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大,從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。 (1)控制電路 圖9控制電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,控制輸入部分設(shè)置了正轉(zhuǎn)控制,反轉(zhuǎn)控制,加速控制和減速控制按鈕,分別是K1、K2、S2、S3,控制電路如圖9所示。通過 K1、K2 狀 態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反向轉(zhuǎn)動控制。當(dāng) K1、K2 的狀態(tài)變化時,內(nèi)部程序檢測 P3.4 和 P3.5的狀態(tài)來調(diào)用換向程序進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入 電機(jī)的脈沖頻率,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于單片機(jī)而言,主要的方法有軟件延時和定時中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時器的中斷
26、來實(shí)現(xiàn)的, 該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3 的斷開和閉合,從而控制外部中斷根據(jù) 按鍵次數(shù),改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)),這樣就改 變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率,從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2) 驅(qū)動電路圖10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路通過L297和L298構(gòu)成驅(qū)動電路,電路圖如圖10所示。P0.0口控制L297的方向控制端(CW/CCW),P0.1控制步進(jìn)時鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序(A,B,C,D四相)。L297的四相輸出接L298的IN0-IN4使其OUT0-OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動信號,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。(3)顯示模塊 圖11 顯示模塊通過P
27、1口的P1.0P1.7 控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。(4)總體電路圖 把各個部分的電路圖組合成總電路圖,如圖12所示。 圖12總體電路圖(包括顯示電路圖)五、軟件設(shè)計 通過分析可以看出,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法,由于隨時有可能輸入加速、加速信號和方向信號,因而采用中斷方式效率最高,這樣總共要完成 4 個部 分的工作才能滿足課題要求,即主程序部分、定時器中斷部分、外部中斷 0 和外 部中斷1部分,其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動開關(guān)的檢測, 若啟動開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作,反之系統(tǒng)停止工作;定時器部分控制脈沖頻率, 它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢;兩個外部中斷程序要
28、做的工作都是為了完成改變 速度這一功能。下面分析主程序與定時器中斷程序及外部中斷程序。 (1)主程序設(shè)計 主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種 開關(guān)狀態(tài)的檢測判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多,該系統(tǒng)中,需要初 始化定時器、外部中斷;對 P1 口送初值以決定脈沖分配方式,速度值存儲區(qū)送初 值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動速度,對方向值存儲區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi) 容。若初始化 P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為 0,就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單八拍運(yùn)行,系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下,步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn),方向值顯示“0”, 速度值顯示“0”,主程序流程圖如圖5所示。 (2
29、)定時中斷設(shè)計 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動主要是給電機(jī)各繞組按一定的時間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通 入電流,步進(jìn)電機(jī)才會旋轉(zhuǎn),時間間隔越短,速度就越快。在這個系統(tǒng)中,這個 時間間隔是用定時器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的,即調(diào)節(jié)時間間隔就是調(diào)節(jié)定時器的中斷次數(shù),因而在定時器中斷程序中,要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、 發(fā)下一個脈沖,以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)。(3)外部中斷設(shè)計 外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù),改變速度值存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)(該 數(shù)據(jù)為定時器的中斷次數(shù)),這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率,也就是改變 了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕 S2 為 INT0 中斷,其程序流程為原數(shù)據(jù),當(dāng)RunSpeed的值大于
30、12時,原數(shù)值減2返回,計算速度值。速度減少按鈕S3,當(dāng)RunSpeed小于100時,數(shù)據(jù)加2后返回,計算速度值。系統(tǒng)總程序流程如下圖所示 開始中斷0還是中斷1輸入?定時器T0還是T1輸入?系統(tǒng)初始化反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)加速控制減速控制速度計算正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示控制T0有效T1有效都無效中斷1輸入中斷0輸入都無效圖5主程序流程六、源程序代碼#include "AT89X51.h"int delay();void inti_lcd();void show_lcd(int);void cmd_wr();void ShowState();void clock(unsigned int De
31、lay) ;void DoSpeed(); /計算速度/正轉(zhuǎn)值#define RIGHT_RUN 1/反轉(zhuǎn)值#define LEFT_RUN 0sbit RS=0xA0;sbit RW=0xA1;sbit E=0xA2;char SpeedChar="SPEED(n/min):"char StateChar="RUN STATE:"char STATE_CW="CW"char STATE_CCW="CCW"char SPEED3="050"unsigned int RunSpeed=50;/速度
32、unsigned char RunState=RIGHT_RUN; /運(yùn)行狀態(tài)main()/*定時器設(shè)置*/TMOD=0x66; /定時器0,1都為計數(shù)方式;方式2;EA=1;/開中斷TH0=0xff;/定時器0初值FFH;TL0=0xff;ET0=1;TR0=1;TH1=0xff;/定時器1初值FFH;TL1=0xff;ET1=1;TR1=1;IT0=1;/脈沖方式EX0=1;/開外部中斷0:加速IT1=1;/脈沖方式EX1=1;/開外部中斷1:減速 inti_lcd(); DoSpeed(); ShowState(); while(1) clock(RunSpeed); P0_1=P0_1
33、0x01; /定時器0中斷程序:正轉(zhuǎn)void t_0(void) interrupt 1RunState=RIGHT_RUN; P0_0=1; P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); /定時器1中斷:反轉(zhuǎn)void t_1(void) interrupt 3RunState=LEFT_RUN; P0_0=0; P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); /中斷0:加速程序void SpeedUp() interrupt 0 if(RunSpeed>=12) RunSpeed=RunSpeed-2; DoSpeed(); P1=0x01; cmd_
34、wr(); ShowState(); /中斷1:減速程序void SpeedDowm() interrupt 2 if(RunSpeed<=100) RunSpeed=RunSpeed+2; DoSpeed(); P1=0x01; cmd_wr(); ShowState(); int delay() /判斷LCD是否忙 int a;start: RS=0; RW=1; E=0; for(a=0;a<2;a+); E=1; P1=0xff; if(P1_7=0) return 0; else goto start;void inti_lcd() /設(shè)置LCD方式 P1=0x38;/設(shè)
35、置16x2顯示 cmd_wr(); delay(); P1=0x01; /清除 cmd_wr(); delay(); P1=0x0f; cmd_wr(); delay(); P1=0x06;/光標(biāo)移動設(shè)置 cmd_wr(); delay(); P1=0x0c;/顯示開及光標(biāo)設(shè)置 cmd_wr(); delay();void cmd_wr() /寫控制字 RS=0; RW=0; E=0; E=1;void show_lcd(int i) /LCD顯示子程序 P1=i; RS=1; RW=0; E=0; E=1;void ShowState() /顯示狀態(tài)與速度 int i=0; while(Sp
36、eedChari!='0')/char SpeedChar="SPEED(n/min):" delay(); show_lcd(SpeedChari); i+; delay(); P1=0x80 | 0x0d;/數(shù)據(jù)首地址為80H,所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H,40-67H)cmd_wr(); i=0; while(SPEEDi!='0') delay(); show_lcd(SPEEDi);/SPEED3="050" i+; delay(); P1=0xC0; cmd_wr(); i=0; while(Sta
37、teChari!='0') delay(); show_lcd(StateChari);/char StateChar="RUN STATE:" i+; delay(); P1=0xC0 | 0x0A;/0x0c顯示開及光標(biāo)設(shè)置 cmd_wr(); i=0; if(RunState=RIGHT_RUN) while(STATE_CWi!='0') delay(); show_lcd(STATE_CWi);/char STATE_CW="CW" i+; else while(STATE_CCWi!='0') delay(); show_lcd(
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