【正文】 優(yōu)點。但是步進電機在應用中存在一些制約性的因素，步進電機及其系統(tǒng)表現出諸如低速平穩(wěn)性差、高速快速響應能力差、效率低和能耗等。因此，研究開發(fā)出高性能的步進電機驅動控制器不僅有著重大的現實意義，而且具有極大的經濟價值。輸入脈沖的頻率越高，電機的轉速就越快。步進電機具有自身的特點，歸納起來有 ： 。 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量和頻率構成具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。 。有多種情況會產生失步，比如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，所帶負載轉矩超過了起動轉矩，共振等。如果阻尼較小，這種運動是一個衰減的振蕩過程，轉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。 步進電機驅動系統(tǒng)概述 步進電機的工作必須使用專用設備 —— 步進電機驅動器。當電機和負載己經確定之后，整個驅動系統(tǒng)的性能就完全取決于驅動控制方法。這樣，繞組中的電流經過若干個階梯上升到額定值，或以同樣的方式從額定值下降 。 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 目前在數控生產和經濟型定位系統(tǒng)改造及機器人等定位系統(tǒng)的應用領域，有三分之二以上采用的是步進電機作為伺服控制系統(tǒng)的 .因此，如何改善電機的控制方法以提高定位系統(tǒng)的定位精 度，成為提高系統(tǒng)性能的關鍵所在。這些驅動器多數采用單片機為控制芯片，受單片機計算速度和計算精度的限制，當采用細分驅動時，細分數最大可以達到 256。美國國防部高等研究計劃 局 (DARPA)投資 1300 萬美元，由 LINL 試驗室與 1983年 7 月研制成功的 LODATM 大型超精密機床利用激光干涉測量系統(tǒng)，采用壓電晶體誤差補償技術，使定位精度可以達到 ，是世界公認最高水平的機床。有關精密加工的高新技術和產品還對中國實行禁運。另一方面在電路設計方面，驅動器電路普遍采用單片機加上外圍電路，或專用 SPWM 芯片甚至 DSP 來產生 SPWM 波來控制功放電路上開關管的通斷，從而控制各相繞組細分電流的大小 .功率開關管目前采用的功率場效應管（ MOSFET）與早先采用的大功率晶體管 (GTR)相比有很多優(yōu)點 。 ，減小驅動器的體積和重量，提高電源效率。 8279鍵盤、顯示器接口器件是實現人機對話的主要部件，該接口電路能大大節(jié)省 CPU的開銷，提高了可靠性和 CPU工作效率。 按相數的多少分為不同結構的步進電機，常見的是 2 相、 3相和 5 相步進電機。當 A 相通電時，轉子的平衡位置是轉子齒的軸線與 A 相磁極上定子齒的軸線相重合的位置，簡單的說就是 A 相極下定轉子 6 齒對齒，如圖 21 所示的情況?？臻g角。而 轉子則每次轉過 13齒距。每一個脈沖信號對應于繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應于轉子轉過一個步距角。 除了三相單六拍運行方式外，三相混合式步進電機還可以在不同的通電方式下運行，如三相雙六拍方式，其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： 7 A C C B B A A C C B B A A C? ? ? ? ? ? 還有三相六拍通電方式， 其繞組通電 狀態(tài)變化規(guī)律為： A A B B B C C C A A? ? ? ? ? ? 步距角的控制 在不同的通電方式 運行下，步進電機的步距角是不一樣的，其大小為齒距角除以拍數，若用 1m 表示運行拍數， rZ 表示轉子齒數，則每改變一次通電狀態(tài)時轉子轉過角度稱為步距角，用 b? 表示，則： 1360brZm? ? （ 2— 1） 從 (2— l) 式可以看出，拍數和轉子齒數 不同時，步距角不同，且步距角與拍數或轉子齒數成反比。 。典型的步進電機驅動系統(tǒng)是由步進電機控制器、步進電機驅動器和步進電機本體三部分組成。通常，步進電機驅動器由邏輯控制電路、功率驅動電路、保護電路和電源組成。保護電路在出現短路、過載、過熱等故障時迅速停止驅動器和電機的運行。 是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組導通和截止過程都會產生較大的反電勢，而截止時的反電勢將對驅動器功率器件的安全產生十分有害的影響，使整個系統(tǒng)的使用受到影響。這些電勢與外加電壓共同作用于功率器件。 步進電機細分驅動原理及特點 步進電機細分驅動技術是 70 年代中期發(fā)展起來的一種可以顯著改善步進電機綜合性能的驅動控制技術。應用細分驅動技術的步進電機，通過選擇不同的細分就可使步進電機具有常用的兩相 、五相和反應式電機的步距角，從而簡化了生產品種，節(jié)省了用戶投資。 細分驅動不僅減小了步進電機的步距角，還帶來了電機性能的全面提高 [2][3][4]： 量過剩。 ，步進信號的脈沖頻率提高了 N 倍 (N 細分時 )，故電機運行時可盡量遠離電機的自然振蕩頻率 (80200Hz)，這樣就減小了低頻共振的發(fā)生幾率。 本章小結 本章 首先 介紹了步進電機的結構特點、工作原理、繞組通電方式及其控制特性。目前單片機己成功地運用在智能儀表、機電設備、過程控制、數據 處理、自動檢測和家用電器等各個方面。 ，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。 ：電子玩具、高級游戲機、錄像機，激光唱機。 ：點火控制、變速器控制、防滑剎車、排氣控制。因為細分后步進脈沖信號頻率也相應升高，因此還要求單片機的運算速度快。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇提供了很大的余地。 程序存儲器 EEPROM，可進行 100 次寫 /擦除操作 。 個 8 位并行 I/0 口，共 32 根 I/0 線， 1 個雙工串行口 。 AT89C51 可提供以下標準功能： 4KB FLASH 閃速存儲器， 128 B 內部RAM， 32 個 I/O 口線 ，兩個 16 位定時 /計數器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。 AT89C51 中還有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。 整個 EPROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并 12 保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。但 RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 TTL 門電流。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口， P3 口管腳備選功能 如下： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） 0INT （外部中斷 0） 1INT （外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） WR （外部數據存儲器寫選通） RD （外部數據存儲器讀選通） P3 口 同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號 。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。 PSEN ：外部程序存儲器的選通信號。注意加密方式 1 時， EA 將內部鎖定為RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。 圖 31 AT89C51 引腳圖 8 位 數模 轉換器 DAC0832 簡介 DAC0832 是雙列直插式 8 位 D/A 轉換器。1LSB，參考電壓為 (+10～ 10)V，供電電源為 (+5～ +15)V，邏輯電平輸入與 TTL 兼容。有時，微機控制系統(tǒng)要求同時輸出多個模擬量參數，此時對應于每一種參數需要一片 DAC0832，每片DAC0832 的轉換時間相同，就可采用 DAC 寄存器對 CPU 分時輸入到輸入寄存器的各參數在同一時刻開始鎖存，進而同時產生各模擬信號。 圖 32 DAC0832 引腳圖 圖 32 中其余各引腳的功能定義如下： ～ DI0 ： 8 位的數據輸入端， DI7為最高位。 ：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定 0 至 255 的數字量轉化出來的模擬量電壓值的幅度， VREF 范圍為 (+10～ 10)V。 5V 電源供電、 40 管腳封裝的可編程設置型鍵盤 /顯示器芯片，其有如下功能 ： ； (Scanned Keyboard Mode)； (Scanned Sensor Mode)； (Strobe Input Entry Mode)； 乘 8 鍵盤 FIFO(先進先出 )； ， 2 鍵鎖定及 N 鍵依此讀出模式； 8 位數或雙排 16 位數的顯示器； 。在 CPU與 8279 間做數據與命令傳送。 ：芯片選擇信號線。 ：讀取控制線。 ：中斷請求。無按鍵被按時，返回線為 HI；有按 16 鍵被按時，該按鍵的返回線為 LO。在激發(fā)輸入模式時，作為返回線 8 位數據的使能引腳。 圖 33 8279 引腳結構圖 IR2130 驅動電路簡介 IR2130 結構及 功能 IR2130 是美國國際整流器公司生產的功率 MOS 器件 (或 IGBT)柵極驅動集成電路，它能輸出六路驅動信號，并且由于內部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設計極為簡化。其特點簡述如下 :工作電源電壓為 320V，可用于驅動工作在母線電壓不超過 600V 電路中的 MOS 器件，最大輸出正向峰值驅動電流為 25OmA，而反向峰值驅動電流為 500mA。一旦外電路發(fā)生過電流或橋臂直通，即電流檢測單元送出的信號高于 時，內部比較器 CC 迅速翻轉，使故障邏輯處理單元 FL 輸出低電平，一則封鎖 ISG 的輸出，使 IR2130 的輸出全為低電平，保證六個被驅動的 MOS 關斷 。 IR2130 的 另一重要保護功能是邏輯保護，即當同一橋臂上、下功率開關器件對應的輸入信號都為高電平時，封鎖該兩路柵極驅動信號，防止直通現象發(fā)生。VS1—VS3 是其對應的懸浮電源地端 。 H01—H0 L01—L03:逆變器上下橋臂功率開關器件驅動器信號輸出端。 IR2130 的逆變器電路結構 采用 IR2130 芯片驅動逆變器功率管時，其基本主電路結構不需要改變，仍可用典型的三相電壓型逆變器電路，為便于表示，圖 35 畫出了 IR2130 驅動其中 1 個橋臂的 電路示意圖， 圖 35 IR2130 與 A相 功率管的連接方式 圖中 C1 是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量， Dl 的作用防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓到 IR2130 的電源上而使器件損壞，因此 D1 應有足夠的反向耐壓，當然由于 D1 與 C1 串聯，為了滿足主電路功率管開關頻率的要求， Dl 應選快速恢復二極管。其容量取決于被驅動功率器件的開關頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅動的開關頻率大于 5kHz 時，該電容值應不小于 ，且以瓷片電容為好。整流濾波電路構成直流電壓源，完成 220V， 50Hz 交流電源到直流電源的變換，為三相步進電機的定子繞組提供電流。 P 2A T 8 9 C 5 1單 片 機T X D / R X D鍵 盤 參數 輸 入串 行 通信 接 口D / A轉 換 器I R 2 1 3 0 驅 動 器整流濾波步 進 電 機基 準 電 壓功 率 電 路D / A轉 換 器D / A轉 換 器P 0 圖 41 系統(tǒng)的整體硬件結構 21 系統(tǒng)硬件電路設計 單片機控制電路 單片機控制器輸入信號包括步進脈沖信號 CP、方向控制信號、 IR2130 的 故障信號、脫機信號等，這幾種信號均通過光藕連接到單片機的引腳上。 通過 ATMEL89C51 和 8 位數模轉換器 (DAC0832)輸出模擬信號。如果需要增大細分數目，則需要級聯擴展計數器。 2764 的高三位地址線控制每周期的細分數，最低 6拍，最高 120 拍，共有 32 =8 種，即可以在同一臺步進電機驅動器上實現整步、半步及細分驅動等多種工作模式。 電機驅動 電路 功率電路由兩部分組成： 功率晶體管 T1T6 以及二極管 D1D6。 D1D6 的功能就是在這交替導通和截止的換相過程中 ,為各橋臂提供續(xù)流通路。將 DAC0832 的 8 個數據輸入端與單片機的 P0 口相連， 由 單片機向轉換器 DAC0832 提供數據， 為了更簡便， ILE 引腳直接接高電平，從而使 DAC0832 的工作方式只由 片選信號 CS 和寫信號 1WR 控制。 圖 43 D/A轉換電路 開關電 源電路 圖 44 所示為采用 UC3845 電流控制芯片構成的反激式開關電源的實用電路圖。 當⑦腳電壓在 之間時， UC3845 開始工作，此時⑧腳有了 5V 的基準電壓，⑥腳輸出脈沖，使 MOSFET 開關管 Q1 導 通 。如。在⑧腳有 5V