【文章內容簡介】 、啟動或停止都取決于 CP 脈沖的有無或頻率。 同時環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)是按正序或者按逆序轉換，進而決定步進電機的轉向。 從環(huán)形分配器輸出的各相導通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級，這中間一般既需電壓放大，也需電流放大。信號處理是 指實現(xiàn)信號的某些轉換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊 功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅動。本級還經(jīng)常與各種保護電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅動輸出。推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅動級輸入的較大信號。 有時，推動級還承擔電平轉換的作用。保護級的作用是保護驅動級的安全。一般可根據(jù)需要設置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入異常時也可以提供保護動作。 驅動級 直接與步進電機各相繞組連接，它接受來自推動級的信號，控制電動機各相繞組的導通與截止，同時也繞組承受的電壓和電流進行控制驅動級常見的驅動 方式有單極性驅動和雙極性驅動等。 單極性驅動電路包括有單電壓功率驅動電路、高低電壓功率驅動電路。這兩種驅動電路分別應用于不同的步進電機。 下面介紹兩種驅動電路的原理以及工作方式。 （ 1）單電壓功率驅動電路：對于反應式步進電機，繞組電流只要求向一個方 流動，因此其驅動電路采用單極性驅動。單電壓驅動是指電動機繞組在工作 時， 環(huán)形分配器 信號放大與處理級 推動級 驅動級 保護級 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 8 只用一個電壓電源對繞組供電，它的特點是電路最簡單。步進電 機使用脈沖電源工作，脈沖電源的獲得可通過下圖說明， 單電壓功率驅動電路如圖 所示。 VDARRsVT 2VT 1+ 12 v 圖 單電壓功率驅動電路 電動機繞組串有電阻 RS，使繞組回路的時間常數(shù)減少，縮短了繞組中電流上升的過渡時間。 RS 還能緩解電動機的低頻共振現(xiàn)象。 在單電壓驅動電路情況下 ， 步進電機 單步 相應曲線如圖 所示。 轉角t21 圖 步進電機單步響應曲線 圖中 1 不串電阻 RS的響應曲線， 2 是串電阻 RS并調高電源電壓以保持繞組靜態(tài)電流相同的響應曲線，顯然曲線 2 比曲線 1 好。但由于 RS引起了附加的損耗，故一般這種方法只適用 于小功率步進電機。 （ 2）高低壓 功率 驅動電路 ： 高低壓驅動的設計思想是，不論電機工作頻率如何，均利用高電壓 Uh 供電來提高導通相繞組的電流前沿，而在前沿過后，用低電壓 Ul 來維持繞組的電流。這一作用同樣改善了驅動器的高頻性能，而且不必再串聯(lián)電阻 RS，消除了附加損耗。 高低壓驅動法是目前普遍應用的一種方法，由于這種驅動在低頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 9 存在，使用時要注意。高低壓功率驅動電路如圖 所示。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 圖 高低壓功率驅動電 路 （ 3）雙極性驅動電路：永磁式或混合式步進電機，由于 工作時要求定子磁極的極性交變，所以通常要求其繞組由雙極性驅動電路驅動，即繞組電流能正、反向流動。由于雙極性橋式驅動電路較為復雜，所以過去僅用于大功率步進電機。近年來出現(xiàn)了集成化的雙極性驅動芯片，它能方便地對采用雙極性 驅動電路的步進電機極性控制。 如 L298N 雙 H 橋驅動器 ，是一款集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電動機驅動芯片。 步進電機的調速 要使步進電機正常工作，必須按照該種電機的勵磁狀態(tài)轉換表所規(guī)定的狀態(tài)和順序一次對各相進行通電或斷電控制。各相 驅動信號來源于環(huán)形分配器。同時，由于電機有正反轉要求，所以這種環(huán)形分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的。因此，環(huán)形分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計數(shù)器 。 步進電機驅動電源的環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種形式。硬件環(huán)形分配器可分為集成觸發(fā)器型、專用集成電路芯片型等。集成元器件的使用，使環(huán)形分配器的體積大大縮小，可靠性和抗干擾能里提高，并具有較好的響應速度，而且顯示直觀、維護方便。軟件環(huán)形分配器采用微機的軟件實現(xiàn)脈沖分配，因此它往往受到微機運算速度的限制，有時難以滿足高速實時控制的要求。 （ 1）專用集成電路芯片型環(huán)形分 配器：集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的硬件電路復雜，使用較少。目前使用廣泛的是專用集成電路芯片環(huán)形分配器，如 CH250和 L297 等。其中， CH250 專用于三相步進電機有 A、 B、 C 三個輸出端，當輸入端 CL或 EN 加上時鐘脈沖后，其輸出電流能力為 ，經(jīng)推動級、驅動級基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 10 放大后即可驅動電機繞組 。 CH250 如圖 所示。 CH 250ABCV111213814 15616JalJbl JarJbrCLRRVVDD E1097121+ 12 V走步脈沖方向信號 圖 CH250 （ 2）軟件環(huán)形分配器：出了采用硬件環(huán)形分配器外，在微機系統(tǒng)資源及任務允許的情況下，還可以采用軟件環(huán)形分配器脈沖的方法。 在這種方法中，脈沖分配器的功能全部由軟件來完成。 一次循環(huán)輸出驅動三相反應式步進電機所需的六個狀態(tài)： AABBBCCCA,這樣，三相步進電機就進入了三相六拍的運行狀態(tài)。軟件環(huán)形分配器 如圖 所示。 圖 軟件環(huán)形分配器 采用這種純軟件方法，需要在微機的程序存儲器中開辟一個存儲空間以存放這 6 種狀態(tài)，形成一張狀態(tài)表。控制系統(tǒng)的應用軟件按照電動機正、反轉的要求，順序將狀態(tài)表的內容取出來送至 8051 的 P1 口。 對于步進電機調速， 實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出 CP 脈沖的頻率或者換相的 周期?？刂葡到y(tǒng)可用兩種方法確定 CP 脈沖的周期，一種是軟件延時法，另一種是定時器延時法。 （ 1）軟件延時法：這種方法是在每次換相之后，調用一個延時子程序，延時結束后再次執(zhí)行換相。這樣周而復始，即可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖，從而控制步進電機按照某一確定的轉速運轉?？梢杂嬎愕贸觯訒r子程序的延時時間與 8051 A 功率驅動 B 接口電路 C 步進電機 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 11 換相子程序所用時間的和即是 CP 脈沖的周期，也是步進電機的步進頻率的倒數(shù)。這種方法的有點是程序簡單，占用片內資源少，全部由軟件實現(xiàn)，且調用不同的延時子程序就可以實現(xiàn)不同的速度運行。缺點是占用 CPU 時間太多，不能在運行中處 理其他的工作，顯然，這種方法雖然簡單，但也只能在較的控制過程中采用。 （ 2）定時器延時法：微機系統(tǒng)一般均帶有幾個定時器、計數(shù)器。在步進電機的轉速控制中，可利用其中某個定時器加載適當?shù)亩〞r值，經(jīng)過一定的時間，定時器溢出，產(chǎn)生中斷信號，暫停主程序的執(zhí)行，轉而執(zhí)行定時器中斷服務程序，于是產(chǎn)生硬件延時效果。若將步進電機換相子程序放在定時器中斷服務程序之中，則定時器每中斷一次，電動機就換相一次，定時器定時的大小就決定了電動機換相的頻率，從而可實現(xiàn)電動機的速度控制。當然，對于高精度要求的轉速控制場合，只考慮定時器的定時 值是不夠的，還要考慮諸如加載定時器、開關定時器、中斷響應等待時間、中斷響應進出時間等對轉速的影響，從而對定時器的定時值進行合理的修正。 步進電機的開環(huán)控制 對步進電機進行微機定位控制，有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類。開環(huán)控制時沒有位置檢測反饋，不需要光電編碼器之類的位置傳感器，因此控制系統(tǒng)的價格比較便宜。但是為了保證定位不出錯，設計系統(tǒng)時要留出足夠的裕度。這就是說，電動機的機械負載不能太重。因為一旦負載短時超重而導致步進電機失步 ，則整個機電傳動系統(tǒng)的定給就會出錯。 步進電機開環(huán)控制如圖 所示。 指令 圖 步進電機開環(huán)控制 確定設計方案 由前面對與步進電機的工作原理、驅動、調速、開環(huán)控制等的介紹，針對所提出的設計問題，確定相關的設計方案。 步進電機控制器設計主要在于步進電機微機 功率驅動器 步進電機 工作臺 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 12 驅動電路以及調速的設計，輔以相關的按鍵和顯示電路。 步進電機控制是一個比較精確的控制，步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點，在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進電機的速度控制。一種是延時，一 種是定時。 步進電機的驅動一般有兩種方法，一種是通過 CPU 直接來驅動，這種方法一般不宜采用，因為 CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進電機的轉 動。另 一種是通過 專用的驅動電路進行驅動，由前面的介紹可知步進電機的驅動方式有單極性驅動和雙極性驅動。單極性驅動適用于反應式步進電機，雙極性驅動適用于永磁式和混合式步進電機。常用的 集成化驅動芯片有 L298N、ULN2020 等。 步進電機的脈沖分配有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩種形式。 軟件環(huán)形分配器是通過單片機內部的定時器改變 CP 脈沖的頻率從而實現(xiàn)對步 進電機的轉速控制，實現(xiàn)調速、快速起停、正反轉控制等。再者步進電機的運行狀態(tài)應有響應的顯示電路進行顯示，且可以通過不同的按鍵控制步進電機狀態(tài)的改變。由上述闡述可知步進電機控制設計有多種不同的設計思路和不同的方案可供選擇。簡述三種設計方案并從中選擇出適合的方案，再進行硬件以及軟件的設計。 （ 1） 方案一： 單片機選擇 AT89S51 型單片機，步進電機 的驅動 選擇 L298N集成 驅動芯片， 顯示電路選擇七段數(shù)碼管，再輔以相應的按鍵電路。 步進電機的脈沖使用軟件環(huán)形分配的形式。此設計方案通過單片機內部的定時器改變 CP 脈沖 輸入各相的順序從而改變步進電機的正反轉、起停。通過改變控制系統(tǒng)發(fā)出CP 脈沖的頻率或者換相的周期就可以改變步進電機運行的速度。外部的按鍵可以控制步進電機狀態(tài)的改變，并通過數(shù)碼管顯示出來。 （ 2） 方案二：步進電機驅動芯片選擇 L298N 集成驅動芯片，顯示電路選擇液晶 LCD1602，加上相應的按鍵電路。此設計方案中顯示換成了 LCD1602, LCD1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。 LCD1602 是指顯示的內容為 16*2,即可以顯示兩行，每行16 個字符液晶模塊 。 LCD1602 可以顯示更多的內容，而且比較直觀。脈沖分配仍舊通過軟件環(huán)形分配的形式實現(xiàn)。 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 13 （ 3） 方案三：此設計方案選擇硬件環(huán)形分配的形式， 硬件環(huán)形分配器選擇L297 集成芯片， L297 是步進電機專用控制器，能產(chǎn)生 4 相控制信號?？捎糜谖C控制的兩相雙極和四相單極步進電機。能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。顯示電路選用 LCD1602，實時顯示步進電機的工作狀態(tài)。并輔以相關的按鍵電路對步進電機進行實時控制。 由于設計是針對步進電機的控制器設計，在顯示電路實時顯示的是步進電機所走的直線位移，即把回轉運動 通過計算轉變成直線位移量進行顯示。這樣更加方便直觀。 通過對比上面三種設計方案，方案一中選用軟件環(huán)形分配器的形式， 但由于這種方法占用了微機控制系統(tǒng)的大部分時間及 精力 ，所以只能用于微機系統(tǒng)資源比較寬松且微機控制任務不是很 繁重 的系統(tǒng)中。而且數(shù)碼管顯示電路所能顯示的內容比較單一。方案二選用了 LCD1602 液晶顯示，可是顯示較多的內容，比較直觀，但是仍舊是軟件環(huán)形分配器的形式。方案三中選用了 L297 硬件集成環(huán)形分配器，可以產(chǎn)生四相驅動信號控制步進電機。顯示電路則選用了 LCD1602 使顯示內容更加豐富。比較上面三種設 計方案不難發(fā)現(xiàn) 方案三更加簡單合理，方案三的硬件環(huán)形分配器減少了占用微機系統(tǒng)資源，液晶顯示也能顯示更豐富的內容，于是選擇方案三作為本次課題的方案設計。 根據(jù)設計方案畫出整體設計的框圖 ，整體框圖 如圖 所示。 圖 整體框圖 單 片 機 電源電路 時鐘電路 復位電路 顯示電路 鍵盤電路 驅動電路 步進電機 基于 AT89S51 單片機的單軸步進電機控制器設計 14 第三章 硬件設計 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)作為基于單片機設計所必須的，也是整個控制系統(tǒng)的核心。單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路、復位電路、電源電路。其中晶振電路為單片機工作提供時鐘信號；復位電路是單片機復位程序重新開始執(zhí)行；電 源電路為單片機提供電源。在最小系統(tǒng)中 EA/VPP 引腳接高電平， CPU 訪問內部