基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文

1、步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)摘 要本文介紹了三相混合式步進(jìn)電機(jī)的工作原理和配置，然后基于步進(jìn)電機(jī)控制器、PWM逆變器和單片機(jī)等技術(shù)。本論文開發(fā)了一種基于單片機(jī)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由AT 89C51單片機(jī)和以ST7920集成電路為控制核心組成。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體架構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:微控制器, SPWM , 混合式步進(jìn)電機(jī),微步進(jìn) 驅(qū)動(dòng)器目錄1簡(jiǎn)介 TOC o 1-3 h z u * MERGEFORMAT HYPERLINK l _Toc240211887 1.1步進(jìn)電機(jī)概述 PAGEREF _Toc240211887 h 1 HYPERLINK l _Toc240211

2、888 1.2步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) PAGEREF _Toc240211888 h 1 HYPERLINK l _Toc240211889 1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc240211889 h 2 HYPERLINK l _Toc240211891 研究項(xiàng)目 PAGEREF _Toc240211891 h 3 HYPERLINK l _Toc240211892 2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案演示 PAGEREF _Toc240211892 h 5 HYPERLINK l _Toc240211893 2.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹 PAGEREF _Toc240211893 h 5 HYPER

3、LINK l _Toc240211894 2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn) PAGEREF _Toc240211894 h 5 HYPERLINK l _Toc240211895 2.3混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路分類及性能比較 PAGEREF _Toc240211895 h 6 HYPERLINK l _Toc240211896 2.3.1雙極和單極驅(qū)動(dòng)器 PAGEREF _Toc240211896 h 6 HYPERLINK l _Toc240211897 2.3.2單電壓驅(qū)動(dòng)方式 PAGEREF _Toc240211897 h 8 HYPERLINK l _Toc240211898 2.3.3高低壓

4、驅(qū)動(dòng)方式 PAGEREF _Toc240211898 h 9 HYPERLINK l _Toc240211899 2.3.4斬波恒流驅(qū)動(dòng) PAGEREF _Toc240211899 h 10 HYPERLINK l _Toc240211900 2.4方案的確定 PAGEREF _Toc240211900 h 11 HYPERLINK l _Toc240211901 3混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc240211901 h 12 HYPERLINK l _Toc240211902 3.1 MCU 最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc240211902 h 12 HYP

5、ERLINK 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 3.2.2紅外接收電路 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(jī)通訊 PAGEREF _To

6、c240211907 h 17 HYPERLINK l _Toc240211908 3.5步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) Part PAGEREF _Toc240211908 h 17 HYPERLINK l _Toc240211909 3.5.1單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PAGEREF _Toc240211909 h 17 HYPERLINK l _Toc240211910 3.5.2雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) PAGEREF _Toc240211910 h 18 HYPERLINK l _Toc240211911 3.6電源電路 PAGEREF _Toc240211911 h 19 HYPERLINK l _Toc24021

7、1912 4軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc240211912 h 21 HYPERLINK l _Toc240211913 4.1主機(jī)液晶顯示菜單程序 PAGEREF _Toc240211913 h 21 HYPERLINK l _Toc240211914 4.2雙機(jī)通訊程序 PAGEREF _Toc240211914 h 22 HYPERLINK l _Toc240211915 4.3下位機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 PAGEREF _Toc240211915 h 24 HYPERLINK l _Toc240211916 5路測(cè)結(jié)果 PAGEREF _Toc240211916 h 25 HYPERL

8、INK l _Toc240211917 5.1概述 PAGEREF _Toc240211917 h 25 HYPERLINK l _Toc240211918 5.2測(cè)試量和結(jié)論 PAGEREF _Toc240211918 h 25 HYPERLINK l _Toc240211919 總結(jié) PAGEREF _Toc240211919 h 27 HYPERLINK l _Toc240211922 至28 HYPERLINK l _Toc240211923 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc240211923 h 291 簡(jiǎn)介1.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。

9、由步進(jìn)電機(jī)及其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置組成一個(gè)開環(huán)定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)在設(shè)定的方向上旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度（即步距角）。輸入的脈沖越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越多；輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)旋轉(zhuǎn)得越快。因此，可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的種類按其自身結(jié)構(gòu)可分為三種常見的類別：反應(yīng)式（VR，又稱磁阻）、永磁式（PM）和混合式（HB）。其中，混合式步進(jìn)電機(jī)兼有反應(yīng)式和永磁式的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。1.2 步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)各有特點(diǎn)，總結(jié)如下：(1)簡(jiǎn)單的位置和速度控制：輸入脈沖

10、信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可根據(jù)輸入脈沖的個(gè)數(shù)旋轉(zhuǎn)固定角度，從而獲得靈活的角度控制（位置控制）。由于速度與輸入脈沖的頻率成正比，運(yùn)行速度可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)整。(2) 可以直接進(jìn)行開環(huán)控制：由于步進(jìn)誤差不會(huì)長時(shí)間累積，因此可以在不需要速度傳感器和位置傳感器的情況下，以輸入脈沖的數(shù)量和頻率形成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。(3) 高可靠性：不使用電刷，電機(jī)壽命長，只取決于軸承的壽命。(4) 帶定位保持力矩：永磁和混合式步進(jìn)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下（無脈沖信號(hào)輸入時(shí)）仍有勵(lì)磁保持轉(zhuǎn)矩，因此即使沒有機(jī)械制動(dòng)也能保持停止位置。(5)中低速高扭矩：步進(jìn)電機(jī)中低速扭矩大，可提供比同級(jí)別伺服電機(jī)更大的扭矩輸出。同時(shí)，步進(jìn)

11、電機(jī)自身也有一些缺點(diǎn)：eq oac(,1)步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載能力較差。eq oac(,2)不能直接使用普通交直流驅(qū)動(dòng)，必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。eq oac(,3)輸出扭矩隨著速度的增加而減小。eq oac(,4)從應(yīng)用的角度來看，嚴(yán)重制約步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)問題是失步和振蕩。由于步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下以開環(huán)方式運(yùn)行，其主要運(yùn)行性能完全取決于驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載和電機(jī)本身。造成失步的情況很多，如啟動(dòng)或停止頻率超過跳躍頻率、電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過最大運(yùn)行頻率、負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、共振等. 通過提高驅(qū)動(dòng)器的性能，可以降低運(yùn)行不同步的可能性。步進(jìn)電機(jī)的低頻振蕩是另一個(gè)需要解決的問題。步進(jìn)電機(jī)以極低的頻

12、率進(jìn)行連續(xù)步進(jìn)運(yùn)行，即每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。如果阻尼很小，則運(yùn)動(dòng)是一個(gè)衰減振蕩過程，轉(zhuǎn)子在自由振蕩頻率下振蕩幾次，然后衰減到新的平衡位置并停止。每來一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就從新的扭矩曲線的跳躍中獲得能量補(bǔ)充。能量越大，振蕩越劇烈。當(dāng)脈沖頻率等于或接近電機(jī)的自由振蕩頻率時(shí)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻諧振，甚至失步也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無法工作。一般不內(nèi)容在諧振頻率下工作。從驅(qū)動(dòng)器的角度來看，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以有效克服低頻諧振的危害。1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述步進(jìn)電機(jī)的工作必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于每一個(gè)步進(jìn)脈沖，驅(qū)動(dòng)器按一定規(guī)律給電機(jī)的各相繞組通電（勵(lì)磁），以產(chǎn)生必要的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)

13、動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器構(gòu)成了三個(gè)不可分割的部分。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能不僅與電機(jī)本身的性能有關(guān)，而且很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的性能。電機(jī)和負(fù)載確定后，整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能完全取決于驅(qū)動(dòng)控制方式。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展包括單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)。(1)單電壓驅(qū)動(dòng)：主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。通常，在繞組回路中串聯(lián)一個(gè)電阻，以提高電路的時(shí)間常數(shù)，從而改善電機(jī)的高頻特性。缺點(diǎn)是串聯(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生大量熱量，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的正常工作極為不利，尤其是在高頻工作時(shí)。因此，它只適用于小功率或低性能的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。(2)高低壓驅(qū)動(dòng)：當(dāng)電機(jī)各相繞組導(dǎo)通時(shí)，先施加一個(gè)高壓，使電流迅速上

14、升。當(dāng)電流上升到額定值時(shí)，切斷高壓，由低壓電源維持回路電流。這樣，電流波形得到了很大改善，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩頻率特性更好，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率有了很大的提高。但由于受旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)互感等因素的影響，電流波形的頂部趨于凹形，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，需要雙電源補(bǔ)給品。(3)斬波恒流驅(qū)動(dòng)：為彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路中電流波形的凹形，提高輸出轉(zhuǎn)矩，研制了斬波電路，采用斬波技術(shù)使繞組電流在額定值附近呈鋸齒狀波動(dòng)。流過繞組的有效電流相應(yīng)增大，因此電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大，無需外接電阻，整個(gè)系統(tǒng)功耗降低，效率高，因此斬波恒流驅(qū)動(dòng)得到廣泛應(yīng)用.(4)調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)：特點(diǎn)是加在電機(jī)繞組上的電壓隨工作頻率的變化而相應(yīng)變化。步進(jìn)電機(jī)在低頻下工

15、作在低壓狀態(tài)，減少能量的注入，從而抑制振蕩；在高頻下工作在高壓狀態(tài)，使電機(jī)有足夠的驅(qū)動(dòng)扭矩。結(jié)果，系統(tǒng)效率和運(yùn)行特性得到了顯著改善。(5)細(xì)分驅(qū)動(dòng)：對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行細(xì)分，將供電方式由常規(guī)的矩形波變?yōu)椴竭M(jìn)波供電。這樣，繞組中的電流通過幾個(gè)步驟上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降。雖然細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機(jī)部分參數(shù)的情況下，將步距角減小到原來的幾分之一到十分之幾，使步距角不再受電機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，制造工藝限制。由于繞組的電流變化也大大減小，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性大大提高，速度均勻性提高，振蕩減少甚至消除。近年來，由于微處理器技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在驅(qū)動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。1.

16、4 研究項(xiàng)目的主要內(nèi)容本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，主要包括：(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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相電流的控制，克服了傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)低速振動(dòng)、共振現(xiàn)象、噪聲大、高速轉(zhuǎn)矩低等缺點(diǎn)駕駛技術(shù)。(2)采用開關(guān)電源給驅(qū)動(dòng)電路供電，減小驅(qū)動(dòng)器的體積和重量，提高電源效率。(3)驅(qū)動(dòng)器采用分立元件組成單電壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)單極步進(jìn)電機(jī)，采用H橋驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)，因此只需一個(gè)電源，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(4)控制電路主要由AT5189C單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲(chǔ)器和液晶顯示芯片ST7920組成。單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心。采用

17、單排6鍵鍵盤和液晶顯示芯片ST7920。該芯片可以自動(dòng)刷新顯示。它有自己的漢字庫，使用起來非常方便。本發(fā)明的雙機(jī)通訊電路可以大大節(jié)省主機(jī)CPU的成本，提高電路的可靠性和工作效率。2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案演示2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹步進(jìn)電機(jī)不能直接接交流、直流電源工作，必須使用特殊的設(shè)備步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能好壞不僅與電機(jī)本身的性能有關(guān)，而且很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。一個(gè)典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三部分組成：步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體。步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出步進(jìn)脈沖和方向信號(hào)，每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角，即一個(gè)步進(jìn)。步進(jìn)電機(jī)

18、速度的速度、加速或減速、啟動(dòng)或停止都取決于有無脈沖或頻率?？刂破鞯姆较蛐盘?hào)決定了步進(jìn)電機(jī)的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、電源驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。一旦步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到來自控制器的方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖，控制電路就會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的電機(jī)通電方式，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組各相的通斷信號(hào)?？刂齐娐份敵龅男盘?hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，所以必須進(jìn)行功率放大，這是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分。電源驅(qū)動(dòng)電路向步進(jìn)電機(jī)的控制繞組輸入電流，使其勵(lì)磁形成空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。保護(hù)電路在發(fā)生短路、過載、過熱等故障時(shí)迅速停止驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行。2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)步

19、進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 切換各相繞組。大多數(shù)電機(jī)繞組采用連續(xù)交流或直流供電，而步進(jìn)電機(jī)的各相繞組采用脈沖供電，因此繞組電流不是連續(xù)的，而是間歇的。(2)步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組都是鐵芯上的一個(gè)線圈，所以它的電感比較大。當(dāng)繞組通電時(shí)，電流上升受到限制，從而影響電機(jī)繞組電流的大小。(3)當(dāng)繞組斷電時(shí)，電感中磁場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存會(huì)阻止繞組中已有的電流發(fā)生突變，使應(yīng)該切斷電流的相不能立即切斷。為了使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)合適的續(xù)流電路。繞組的開通和關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，而關(guān)斷時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)功率器件的安全產(chǎn)生非常有害的影響，會(huì)影響使用整個(gè)系統(tǒng)。(4)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各相繞組會(huì)產(chǎn)

20、生一個(gè)旋轉(zhuǎn)電位，這些電位的方向和大小對(duì)繞組電流有很大影響。由于旋轉(zhuǎn)電位基本與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電位越大，繞組電流越小，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而減小。(5)電機(jī)繞組中存在感應(yīng)電勢(shì)、互感電勢(shì)和旋轉(zhuǎn)電勢(shì)。這些電位與施加在功率器件上的電壓一起作用。當(dāng)疊加導(dǎo)致電機(jī)繞組兩端的電壓大大超過供電電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行條件會(huì)進(jìn)一步惡化。(6)混合式步進(jìn)電機(jī)的繞組必須由雙極電源供電，即繞組有時(shí)需要通過正向電流，有時(shí)需要通過反向電流。因此，根據(jù)以上特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器必須保證步進(jìn)電機(jī)的繞組有足夠的電壓、電流和正確的波形，同時(shí)還要保證步進(jìn)電機(jī)的功放安全運(yùn)行。司機(jī)。小功耗和低成本需要選擇合適的功率器件來合理設(shè)

21、計(jì)電路。2.3 混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路分類及性能比較與反應(yīng)式和永磁式相比，混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性具有諸多優(yōu)勢(shì)，已成為國外步進(jìn)電機(jī)系列的主流。在混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和成熟過程中，出現(xiàn)了各種驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式。按主電路結(jié)構(gòu)可分為單極驅(qū)動(dòng)、雙極驅(qū)動(dòng)、全H橋和多相橋驅(qū)動(dòng)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可分為單電壓驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動(dòng)、電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。2.3.1雙極驅(qū)動(dòng)器與單極驅(qū)動(dòng)器混合式步進(jìn)電機(jī)需要雙極性供電，即要求電機(jī)的勵(lì)磁繞組有時(shí)通過正向電流，有時(shí)通過反向電流。步進(jìn)電機(jī)發(fā)展初期，電子技術(shù)發(fā)展水平有限。為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，使用了單極電路。電機(jī)繞組用兩根線平行繞制，一相

22、繞組分為兩相，兩相正向通電，另一相反向通電，這樣就可以使用單極電源了達(dá)到正反勵(lì)磁的目的（圖1）。最簡(jiǎn)單的兩相電機(jī)單極驅(qū)動(dòng)電路只需要四個(gè)功率開關(guān)管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。電機(jī)繞組只能同時(shí)通電一半，所以繞組電感小，有利于電機(jī)的高速性能。 ;缺點(diǎn)是每次只使用一半繞組，中低速時(shí)轉(zhuǎn)矩不如全繞組勵(lì)磁的電機(jī)。此外，電機(jī)引線過多。兩相電機(jī)需要6個(gè)端子，三相電機(jī)需要9個(gè)端子，五相電機(jī)需要15個(gè)端子，這使得單極驅(qū)動(dòng)器與三、五相電機(jī)的連接過大。復(fù)雜，因此僅用于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。圖1 單極驅(qū)動(dòng)電路隨著電子技術(shù)的發(fā)展和電子元器件價(jià)格的降低，雙極驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)變得更加容易，成本也沒有增加多少。因此，現(xiàn)在大多數(shù)混合式步進(jìn)電機(jī)

23、都使用雙極驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)繞組雙向供電的典型結(jié)構(gòu)是H橋電路，如圖2所示。當(dāng)開關(guān)管T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)斷時(shí)，電流通過T1到地、電機(jī)繞組和T4；當(dāng)T1和T4關(guān)斷，T2和T3導(dǎo)通時(shí)，電流通過T3、電機(jī)繞組和T2到地；可以看出，電流的方向是相反的。四個(gè)二極管 D1、D2、D3 和 D4 形成一個(gè)續(xù)流回路。電機(jī)每相繞組需要四個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器成本比較高。當(dāng)電機(jī)相數(shù)增加時(shí)，H橋電路需要大量功率管的缺點(diǎn)更加突出。例如，一個(gè)五相電機(jī)需要20個(gè)功率管。圖2 H橋驅(qū)動(dòng)電路多相橋電路，也稱為多相半橋電路，與H橋相比，晶體管數(shù)量減少了一半，降低了驅(qū)動(dòng)器的成本、尺寸和發(fā)熱量。當(dāng)使用多相橋式電路時(shí)，電機(jī)相繞組通常連

24、接成星形或多邊形。圖 3 是三相混合式步進(jìn)電機(jī)繞組之間兩種連接方式的示例。星形接法中，兩相繞組串聯(lián)，接功放電源。每相繞組的端電壓僅為功放級(jí)電壓的一半左右。因此，系統(tǒng)運(yùn)行的高頻特性和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于H橋驅(qū)動(dòng)。電路低。如果要獲得與 H 橋驅(qū)動(dòng)器相似的性能，繞組的匝數(shù)應(yīng)減半或相繞組的電壓應(yīng)加倍。電機(jī)繞組三角形接法時(shí)，功放電橋電壓直接加在各相繞組上，相繞組電壓較高，高頻工作和動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)于星形接法, 和 H 橋驅(qū)動(dòng)的類似。但由于兩相繞組的電流同時(shí)流過一個(gè)功率管，每個(gè)開關(guān)管的最大電流約為相電流的兩倍，是H橋驅(qū)動(dòng)或星形接法的兩倍駕駛。這兩種接法的共同特點(diǎn)是電機(jī)的三相電流不能獨(dú)立調(diào)節(jié)。根據(jù)基爾霍夫定理，電機(jī)的三相

25、電流必須滿足一個(gè)約束方程：圖3 三相電機(jī)多相橋式驅(qū)動(dòng)的三角形和星形連接2.3.2單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)方式是指在步進(jìn)電機(jī)的繞組上加一個(gè)恒壓V。這種驅(qū)動(dòng)方式的電路非常簡(jiǎn)單。流過繞組的電流由時(shí)間常數(shù)L/R決定（L為繞組的電感，R為電阻）上升，直到達(dá)到額定電流I=V/R。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流過繞組的電流在達(dá)到額定電流之前就被關(guān)斷，相應(yīng)的平均電流減小，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。為了改善電機(jī)高速運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性，通常在電機(jī)繞組上串聯(lián)一個(gè)無感電阻，以減小電氣時(shí)間常數(shù)，同時(shí)按比例增加電源電壓，以保持額定電流不變（圖 4）。單電壓驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件少、成本低、可靠性高。缺點(diǎn)是串聯(lián)電阻會(huì)增加功耗，降低功放

26、電路的功率。必須滿足相應(yīng)的散熱條件，才能保證電路穩(wěn)定可靠工作。因此，該電路一般只適用于驅(qū)動(dòng)小功率步進(jìn)電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)性能要求不高的場(chǎng)合。圖 4 單電壓驅(qū)動(dòng)2.3.3高低壓驅(qū)動(dòng)方式為了改善驅(qū)動(dòng)器的高頻特性，需要增加導(dǎo)通電流的前沿，即增加電源電壓，但電壓的增加也會(huì)增加驅(qū)動(dòng)器的電流。相繞組，必須加限流電阻。功率損失和效率降低。為了解決這些問題，已經(jīng)產(chǎn)生了高低壓驅(qū)動(dòng)電路。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是在導(dǎo)通相的前沿使用高壓電源來提高前沿電流的上升率，在導(dǎo)通后用低壓來維持繞組的電流。前沿，與電機(jī)的工作頻率無關(guān)。高低壓驅(qū)動(dòng)原理電路如圖5所示。Fig.5 高低壓驅(qū)動(dòng)電路原理圖 Fig.6 斬波驅(qū)動(dòng)電路原理圖1整形電路

27、 2脈沖分配器 3控制門4高壓前置放大器 5低壓前置放大器高低壓驅(qū)動(dòng)能保證繞組在寬頻帶內(nèi)有較大的平均電流，切斷時(shí)能迅速釋放，能產(chǎn)生大而穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。其優(yōu)點(diǎn)是：功耗低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、高頻性能好。但也存在低頻振蕩加劇、波形凹、驅(qū)動(dòng)功率和大功率管數(shù)增加一倍、成本增加等缺點(diǎn)。2.3.4斬波器恒流驅(qū)動(dòng)恒流斬波驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制的主流技術(shù)之一。斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補(bǔ)高低壓驅(qū)動(dòng)電路波形凹凸的缺陷，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時(shí)改善了電機(jī)的高頻響應(yīng)，減弱了共振現(xiàn)象。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。在斬波驅(qū)動(dòng)中，雖然電路比較復(fù)雜，但由于驅(qū)動(dòng)電壓高，電機(jī)繞組回路中沒有串聯(lián)電阻，整個(gè)系統(tǒng)的功耗大大降低，所以電

28、流上升很快。當(dāng)達(dá)到所需電流時(shí)，由于采樣電阻的反饋?zhàn)饔?，繞組電流基本恒定，從而保證電機(jī)在大頻率下輸出轉(zhuǎn)矩基本恒定。輸出轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。當(dāng)我們使電機(jī)的繞組電流恒定在一個(gè)較高的值時(shí)，可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。因此，為了克服步進(jìn)電機(jī)在高頻下拉出轉(zhuǎn)矩下降的問題，許多文獻(xiàn)提出了一些新的恒流斬波驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。然而，恒流斬波技術(shù)并不能解決步進(jìn)電機(jī)本身固有的低頻振動(dòng)問題，也無法克服步進(jìn)電機(jī)由于步距角的限制而無法實(shí)現(xiàn)各種步距角控制的缺陷。單拍和雙拍操作對(duì)應(yīng)的步距角只有兩個(gè)。2.4 計(jì)劃的確定比較上述解決方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于目前的磁滯式不需要三角載波鏈路，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單。固定開關(guān)頻率型在電磁

29、噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，考慮到驅(qū)動(dòng)電路的成本和精度要求，雙極步進(jìn)電機(jī)采用H橋驅(qū)動(dòng)，單極步進(jìn)電機(jī)采用分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。3 混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章在對(duì)以上章節(jié)的理論分析的基礎(chǔ)上，主要從實(shí)用的角度介紹了混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)部分、硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案以及各主要部件的功能和實(shí)現(xiàn)方法。 .進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析。系統(tǒng)框圖如圖7所示：圖 7 系統(tǒng)框圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)集成度高，資源豐富，少量外圍擴(kuò)展電路即可組成體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、性價(jià)比高的控制系統(tǒng)。英特爾一直致力于單片機(jī)的開發(fā)和研究，推出了多款功能更多、使用更方

30、便的單片機(jī)系列。與MCS-48系列相比，MCS-51系列單片機(jī)集成度更高，指令系統(tǒng)更豐富，擴(kuò)展性更好。未來很多系列的單片機(jī)都是基于51核的。 8051單片機(jī)是MCS-51系列單片機(jī)中最基本的單片機(jī)型號(hào)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用了該單片機(jī)。圖 8 顯示了其最小系統(tǒng)電路圖。圖 8 微控制器最小系統(tǒng)3.2 紅外遙控電路紅外線是不可見光。與可見光不同，它的波長為850-11000nm，人眼不可見。紅外遙控器已廣泛應(yīng)用于各類家電，它的出現(xiàn)為電器的使用提供了很多便利。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置兩部分組成。3.2.1紅外線發(fā)射電路紅外發(fā)射裝置可以由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅

31、外發(fā)射電路組成。電路采用調(diào)幅方式，載波信號(hào)頻率采用最常用的38KHZ。當(dāng)編碼調(diào)制信號(hào)為高電平時(shí)，輸出載波信號(hào)；但當(dāng)編碼調(diào)制信號(hào)為低電平時(shí)，不輸出載波信號(hào)。調(diào)制信號(hào)為間斷恒幅信號(hào)（調(diào)制載波信號(hào)），信號(hào)波形如圖9所示。圖 9 信號(hào)波形圖調(diào)制信號(hào)時(shí)，對(duì)指令進(jìn)行編碼，輸出輸出信號(hào)。使用 MC145026 作為編碼器。電路原理圖如圖10所示：圖10 遙控發(fā)射電路圖中的74LS147為優(yōu)先級(jí)編碼器。從8條數(shù)據(jù)線（2SW1-2SW8）輸入的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)經(jīng)74LS147編碼成4行BCD碼（ 8-4-2-1），再送至MC145026形成串行編碼信號(hào)輸出給NE555產(chǎn)生調(diào)制和載波輸出。圖中R1、C2和電位器D1配

32、合NE555產(chǎn)生38KHZ載波信號(hào)。 MC145026 致串行編碼脈沖。 MC145026的A1-A5引腳為地址輸入端，每位可設(shè)置0、1、“開路”3種狀態(tài)。圖中只用到了0和“開”兩種狀態(tài)。 MC145026的地址設(shè)置要與解碼器MC145027配對(duì)使用，否則無法解碼。紅外發(fā)射電路板由 4 節(jié) AA 電池供電。紅外發(fā)射電路板到接收器（主板上）的距離應(yīng)在10m保證可靠信號(hào)接收/傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)。3.2.2紅外線接收電路紅外接收裝置可由紅外接收電路、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)射振蕩頻率相同?？紤]使用集成電路（HS 0038A2）作為紅外接收器，其載頻為38KHZ。與 MC1450

33、26 編碼器匹配的解碼器是 MC145027。接收電路原理圖如圖11所示：圖11 遙控接收電路HS 0038A2 是一個(gè)集成的紅外接收器。由于其輸出信號(hào)與譯碼器的輸入信號(hào)相反，因此增加了晶體管Q1作為反相器。當(dāng)MC145027接收到信號(hào)并解碼成功后，其VT端出現(xiàn)高電平，輸出解碼后的4位數(shù)據(jù)（HD0-HD3）。將 VT 信號(hào)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生中斷信號(hào)（INT0），向 CPU 申請(qǐng)中斷。安排在中斷服務(wù)程序中，從輸入端口讀取這 4 位數(shù)據(jù)（HD0-HD3）。3.3 LCD顯示電路ST7920是矽創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的中文圖形控制芯片，是12864-12漢字點(diǎn)陣液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字和圖形。該芯片共有8

34、192個(gè)漢字（1616點(diǎn)陣）、128個(gè)字符的ASCII字符庫（816點(diǎn)陣）和64256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。為了簡(jiǎn)單有效地顯示漢字和圖形，模塊設(shè)計(jì)有2MB中文字體CGROM和64256點(diǎn)陣GDRAM繪圖區(qū)；同時(shí)模塊還提供4組可編程控制1616點(diǎn)此外，為滿足各種微處理器和單片機(jī)接口的需要，模塊還提供4位并行、8位并行、 2 線串行和 3 線串行接口。方法。使用以上功能，可以輕松實(shí)現(xiàn)同屏顯示漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形和自制字體。所有這些功能（包括顯示 RAM、字符發(fā)生器、LCD 驅(qū)動(dòng)電路和控制器）都包含在集成電路芯片中。因此，只要一個(gè)基本的微處理器系統(tǒng)就可以通過ST7920芯片控制其他芯

35、片。 ST7920的主要技術(shù)參數(shù)和顯示特點(diǎn)如下：電源：VDD（-2.7+5.5V）+5V（帶升壓電路，一般不需要負(fù)壓）；功耗：正常模式：450A，睡眠模式：3A，低功耗模式：30A；顯示容量：128列64行；顯示顏色：黃綠色；顯示角度：6:00直視；液晶類型：STN；與MCU接口：8位并行/3位串行；配備LED背光顯示功能；帶自動(dòng)啟動(dòng)復(fù)位按鈕（reset）；軟件功能設(shè)置：屏幕清屏、光標(biāo)顯示/隱藏、光標(biāo)返回、顯示開/關(guān)、顯示字符閃爍、光標(biāo)移位、顯示移位、豎屏旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)顯示、LCD休眠/喚醒、關(guān)閉顯示、自動(dòng)定義字符、休眠模式等示意圖如圖12所示：圖 12 顯示電路原理圖3.4 雙機(jī)通訊在計(jì)算機(jī)冗余

36、控制和分布式測(cè)控系統(tǒng)中，串行通信主要用于數(shù)據(jù)傳輸。 8051單片機(jī)自帶串行接口，為機(jī)器間通信提供了極其便利的條件。雙擊通信又稱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，用于雙機(jī)冗余控制單片機(jī)與單片機(jī)之間的信息交換，也用于單片機(jī)之間的信息交換。 - 單片機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。在本設(shè)計(jì)中，由于液晶顯示器占用了80C51的大量資源，考慮到端口擴(kuò)展和內(nèi)存擴(kuò)展的成本，使用雙機(jī)通訊方便又實(shí)惠。硬件電路原理圖如圖13所示：圖13 雙機(jī)通訊電路示意圖3.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分3.5.1單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單極步進(jìn)電機(jī)的單相驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖14所示：圖 14 單極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路AT 89C2051從P1口的P1.4P1.7輸出控制脈沖，經(jīng)74LS1

37、4反相后進(jìn)入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)。光電隔離后，脈沖信號(hào)經(jīng)電壓放大后功率管TIP122的電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)各相繞組。用不同的脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止。圖中L1為步進(jìn)電機(jī)的單相繞組。 AT2051選用89C頻率為12MHz的晶振。選擇更高晶振的目的是為了盡量減少89CAT2051對(duì)模式2上位機(jī)脈沖信號(hào)周期的影響。圖3中RL1RL4為繞組電阻，50電阻為外接電阻，起到限流作用，也是提高環(huán)路時(shí)間常數(shù)的元件。 D1D4為續(xù)流二極管，使電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)被續(xù)流二極管（D1D4）衰減，從而保護(hù)功率管TIP122不受損壞。在50外接電阻上并聯(lián)一個(gè)200F的電容，可以

38、改善注入步進(jìn)電機(jī)繞組的電流脈沖前沿，提高步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200電阻可以減小環(huán)路的放電時(shí)間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，減少電流下降時(shí)間，也提高了高頻性能。3.5.2雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單相驅(qū)動(dòng)電路如圖15所示：圖 15 雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖中A0.A3為一對(duì)控制線圈電流的一個(gè)方向，A2.A4為一對(duì)控制線圈電流的另一個(gè)方向。3.6 電源電路LM257 5系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電流輸出降壓開關(guān)集成穩(wěn)壓電路3A。它包含一個(gè)固定頻率振蕩器（52kHz）和一個(gè)參考電壓調(diào)節(jié)器（1.23V），并具有完整的保護(hù)電路，包括電流限制。配合熱關(guān)斷電路等，可以用很少的外圍器件組成高效的

39、穩(wěn)壓電路。LM257 5系列開關(guān)穩(wěn)壓IC如下：最大輸出電流： 3A；最高輸入電壓：LM257 5為40V，LM257 5 HV為60V；輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V、ADJ（可調(diào)）可選； 振動(dòng)頻率：52kHz；轉(zhuǎn)換效率：75%88%（輸出電壓不同時(shí)效率不同）；控制方式：PWM；工作溫度范圍： -40+工作模式：可外控低功耗和正常兩種模式；工作模式控制：兼容TTL電平；所需外接元件：只需四個(gè)（不可調(diào)）或六個(gè)（可調(diào)）； 器件保護(hù)：熱關(guān)斷和電流限制； 封裝形式：TO-220 或 TO-263。的5個(gè)部分包括52kHz振蕩器、1.23V參考電壓調(diào)節(jié)電路、熱關(guān)斷電路、限流電路、放大器、比較器

40、和穩(wěn)壓電路。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓，比較器的負(fù)端通常接參考電壓（1.23V），正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以根據(jù)不同的情況選擇不同的阻值。輸出電壓，其中R1=1k（調(diào)節(jié)-ADJ時(shí)可開路），R2為1.7k（3.3V）、3.1k（5V）、8.84k（12V）、11.3k（15V）和0（-ADJ） ，上面的電阻已經(jīng)在芯片部分根據(jù)不同的型號(hào)進(jìn)行了精確的調(diào)整，讓用戶無需考慮。輸出分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出與參考電壓調(diào)節(jié)值 1.23V 進(jìn)行比較。如果電壓有偏差，可以利用放大器控制部分振蕩器的輸出占空比來保持輸出電壓穩(wěn)定。硬件電路如圖16所示：圖 16 電源電路4 軟件設(shè)計(jì)4.1 主機(jī)液晶顯示菜單程序圖 17 主機(jī)

41、 LCD 顯示菜單程序4.2 雙機(jī)通訊程序圖 18 致程序圖 19 接收程序4.3 下位機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器圖 20 從機(jī)程序圖 21 從機(jī)中斷程序5 路測(cè)結(jié)果本章主要列出了幾組經(jīng)過測(cè)試的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)波形圖，并附有一些主要的分析結(jié)果。介紹驅(qū)動(dòng)器的控制面板，并用圖片展示驅(qū)動(dòng)器的外殼和電路板結(jié)構(gòu)?？傊瑥母鱾€(gè)方面詳細(xì)描述了所開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的性能特點(diǎn)。5.1 概述這部分主要是測(cè)試兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能，檢查它是否能完成一些設(shè)定的任務(wù)，是否能達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。主要測(cè)試內(nèi)容包括：工作電壓范圍檢測(cè)；工作電流范圍檢測(cè)；電機(jī)正反轉(zhuǎn)經(jīng)過測(cè)試論證，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)器基本滿足設(shè)定的功能要求，性能良好。實(shí)驗(yàn)室儀器：(1)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)本體實(shí)物圖如下圖22所示。圖 22 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)本體(2) 高性能兩相混合式步進(jìn)電機(jī)