【正文】 6 所示。其優(yōu)點(diǎn)是：功耗小，啟動轉(zhuǎn)矩大，高頻性能較好。為了解決這些問題，又產(chǎn)生了高低壓驅(qū)動電路。單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、元件少、成本低、可靠性 高。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。采用多相橋式電路時，電機(jī)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(jìn)電機(jī)繞組二種聯(lián)接的例子。 Dl， D2， D3 和 D4 四個二極管組成續(xù)流回路。而且電機(jī)引線過多，兩相電機(jī)需要六個引出端，三相電機(jī)需要 9 個引出端，五相電機(jī)則需要 15 個引出端，使得單極性驅(qū)動器與三、五相電機(jī)之間連線太復(fù)雜，因此僅用于 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。 雙極性驅(qū)動器與單極性驅(qū)動器 混合式步進(jìn)電機(jī)要求雙極性供電，也就是要求電機(jī)勵磁繞組有時通正向電流，有時通反向電流。 所以，根據(jù)以上的特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器必須要保證步進(jìn)電機(jī)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)動器功率放大器件安全運(yùn)行，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗、較低的成本，這就要求選用合適的功率器件合理設(shè)計(jì)線路。 (5) 電機(jī)繞組中有電感電勢、互感電勢 、旋轉(zhuǎn)電勢。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回路。多數(shù)電機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或直流供電，而步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是斷續(xù)的?？刂齐娐份敵龅男盘柟β屎艿停荒芴峁┎竭M(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動器的功率驅(qū)動部分。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、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高低。 5 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的方案論證 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)簡介 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。 (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(jìn)電機(jī)用 H 橋驅(qū)動雙極性步進(jìn)電機(jī)，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡化。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(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高勻速性，減輕甚至消除振蕩。因而系統(tǒng)效率、運(yùn)行特性等都有了明顯改善。這種方式由于電 3 流波形得到了很大改善，電機(jī)的矩頻特性較好，起動和運(yùn)行頻率得到了較大提高。當(dāng)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(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)動器。如果阻尼較小，這種運(yùn)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。有多種情況會產(chǎn)生失步，比如起動或停止頻率超過突跳頻率，電機(jī)高速運(yùn)行的脈沖頻率超過了最大運(yùn)行頻率，所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過了起動轉(zhuǎn)矩，共振等。 ○ 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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。 （ 3）高可靠性： 不使用電刷， 電機(jī)的壽命長，僅取決于軸承的壽命。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)，它的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (即步距角 )。本文采用控制電路主要由 AT89C51單片機(jī)、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、液晶顯示電路組成，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)都做了詳細(xì)的介紹。脈沖輸入越多，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就越多；輸入脈沖的頻率越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越快。 步進(jìn)電機(jī)的特征 步進(jìn)電機(jī)具有自身的特點(diǎn)，歸納起來有： （ 1）位置及速度控制簡便： 步進(jìn)電機(jī)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 )。 （ 4）具定位保持力矩： 永磁式、混合式步進(jìn)電機(jī)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(jī)械式的剎車，也能做到停止位置的保持。 ○ 3 輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。通過改善驅(qū)動器的性能，可以減小運(yùn)行中失步的可能。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(bǔ)充，這種能量越大，振蕩越厲害。驅(qū)動器針對每一個步進(jìn)脈沖，按一定 的規(guī)律向電機(jī)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(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展先后有單電壓驅(qū)動、高低壓驅(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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，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(jī)的高頻特性。但由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢、相間互感等因素的影響易使電流波形的頂部呈凹形，致使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所下降且需要雙電源供電。 (5) 細(xì)分驅(qū)動：它是將電機(jī)繞組中的電流細(xì)分，由常規(guī)的矩形波供電改為階梯波供電。近幾年來，由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)在驅(qū)動器中獲得了廣泛應(yīng)用。 (4) 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 4 存儲器及液晶顯示芯片 ST7920，單片機(jī)是控制系統(tǒng)的核心 。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機(jī)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?？刂破鞯姆较蛐盘枦Q定步進(jìn)電機(jī)的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。功率驅(qū)動電路向步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動。 (2) 步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。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)動器功率器件的安全產(chǎn)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。 混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路分類和性能比較 與反應(yīng)式和永磁 式相比，混合式步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性具有很多優(yōu)點(diǎn)，在國外已是步進(jìn)電機(jī)系列的主流。在步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的初期，電子技術(shù)發(fā)展水平有限，為了簡化驅(qū)動電路 ，采用單極性電路。 7 圖 1 單極性驅(qū)動電路 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件價(jià)格的降低，雙極性驅(qū)動電路的實(shí)現(xiàn)變得容易，成本也增加不多，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)混合式步進(jìn)電機(jī)使用雙極性驅(qū)動。電機(jī)每一相繞組需四只開關(guān)管驅(qū)動，驅(qū)動器成本比較高。星形接法時，二相繞組串聯(lián)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(yùn)行的高頻特性和動態(tài)性能，比用 H 橋式驅(qū)動電路時低。這兩種接法共同的特點(diǎn)在于，電機(jī)三相電流不是獨(dú)立可調(diào)的，根據(jù)基爾霍夫定理，電機(jī)三相電流必須滿足一個約束方程： 0??? cba III 圖 3 三相電機(jī)多相橋驅(qū)動的三角形和星形接 法 單電壓驅(qū)動方式 單電壓驅(qū)動方式是指步進(jìn)電機(jī)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，直到達(dá)到額定電流 I=V/R。缺點(diǎn)是串入電阻將加大功耗，降低功放電路的功率， 9 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。 高低壓驅(qū)動的設(shè)計(jì)思想是不論電動機(jī)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。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，成本上升的 缺點(diǎn)。 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(jī)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。但是，恒流斬波技術(shù)不能解決步進(jìn)電機(jī)本身所固有的低頻振動問題，無法克服步進(jìn)電機(jī)因受步距角限制而不能實(shí)現(xiàn)多種步距角控制的缺陷。而固定開關(guān)頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。 Intel 公司一直致力于單片機(jī)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(jī)系列， 1980 年在 MCS48的基礎(chǔ)之上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列 MCS51。圖 8 給 出了它的最小系統(tǒng)電路圖。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩大部分組成。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。從 8 條數(shù)據(jù)線（ 2SW12SW8）輸入的開關(guān)狀態(tài)信號被 74LS147 編碼為 4 線 BCD 碼（ 8421），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，否則不能解碼。接收振蕩頻率應(yīng)與發(fā)射振蕩頻率相同。因?yàn)樗妮敵鲂盘柵c解碼器的輸入信號反向，故加三極管 Q1 作為反相器。 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 12864－12 漢字圖形點(diǎn)陣的液晶顯示控制模塊，用于顯示漢字及圖形。 ST7920 的主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下： 電源： VDD (－ ～＋ )＋ 5V(內(nèi)置升壓電路，一般無需負(fù)壓 )； 功耗：正常模式： 450μＡ，睡眠模式： 3μA，低功耗模式： 30μA； 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：畫面清除、光標(biāo)顯示／隱藏、光標(biāo)歸位、顯示打開／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／喚醒、關(guān)閉顯示、自定義字符、睡眠模式等。 在本設(shè)計(jì)中由于液晶顯示占用了 80C51 的大量資源，考慮到端口擴(kuò)展與存儲器擴(kuò)展的成本問題，采用雙機(jī)通信既方便又實(shí)惠。 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(jī)脈沖信號周期的影響。與續(xù)流二極管串聯(lián)的 200Ω 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。 LM2575 內(nèi)部包含 52kHz 振 蕩器、 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。R u n p a t h = 0 。選 擇 4 加速 ：選 擇 5 減 速 ：R u n f l a g 是 否 為0 ？R u n f l a g 是 否 為0 ？與 從 機(jī) 通 訊否 否取 消取 消D e l a y t i m e減 小 5 0D e l a y t i m e增 加 5 0 圖 17 主機(jī) LCD 顯示菜單程序 22 雙機(jī)通訊程序 設(shè) 置 波 特 率啟 動 定 時 器 1設(shè) 串 行 口 工 作 模 式發(fā) 送 請 求“ A A ”B 機(jī) 允 許發(fā) 送 ？指 針 初 始 化校 驗(yàn) 清 零發(fā) 送 一 個 數(shù) 據(jù)字 節(jié) 并 求 校 驗(yàn)和數(shù) 據(jù) 塊 已發(fā) 送 完 ？發(fā) 送 檢 查 和B 站 接 收 正確 ？返 回NNN 圖 18 發(fā)送程序 23