步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-17 06:43 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ；兩者相比，后者的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，安全可靠，污染少。固一般采用后者，用光電騙碼器作為反饋元件。 驅(qū)動(dòng)電路的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分控制驅(qū)動(dòng)等。單電壓驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)控制中最為簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路，它在本質(zhì)上是一個(gè)單間的反相器。它的最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因它的工作效率低，特別是在高頻下更顯的突出。它的外接電阻R要消耗相當(dāng)一部分的熱量，這樣就會(huì)影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅(qū)動(dòng)方式一般只用在小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中。雙電壓驅(qū)動(dòng)是電路一般采用兩種電源電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，因這兩個(gè)電源分別是一個(gè)為高壓一個(gè)為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動(dòng)電路。雙電壓驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點(diǎn)，這樣必然引起力矩在谷點(diǎn)處下降。不宜于電機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)于斬波電路驅(qū)動(dòng)則可以克服這種缺點(diǎn)，并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。所以從提高效率來(lái)看這是一種很好的驅(qū)動(dòng)電路，它可以用較高的電源電壓，同時(shí)無(wú)需外接電阻來(lái)限定期額定電流和減少時(shí)間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動(dòng)是用脈沖電壓來(lái)供電的，對(duì)于一個(gè)電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動(dòng)一步，一般會(huì)根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞阻會(huì)輪流切換，固可以使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。細(xì)分控制的電路一般分為兩類，一類是采用線性模擬功率放大器的方法獲得階梯形電流，這種方法簡(jiǎn)單，但效率低。別一種是用單片機(jī)采用數(shù)子脈寬調(diào)制的方法獲得階梯電流，這種方法需要復(fù)雜的計(jì)算可使細(xì)分后的步距角一致。但因本次設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精度要求比較高轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍比較廣，固應(yīng)選用驅(qū)動(dòng)芯片8713來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。 基本方案的確定因本次設(shè)計(jì)的要求，選用三相三拍步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)選用89C51作為控制器。選取用8279來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示和鍵盤。選用8713作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片并通過(guò)光電耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。然后由于步進(jìn)電機(jī)同軸的光電編碼器作為反饋元件，并把反饋回的信號(hào)經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來(lái)。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過(guò)顯示器來(lái)顯示，固本次設(shè)計(jì)要兩排顯示，一排來(lái)顯示給定的轉(zhuǎn)速一排來(lái)顯示實(shí)際的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)原理框圖如31所示： 8279AT89C51鍵盤顯示器8713光電耦合三相步進(jìn)電機(jī)光電編碼器圖31 系統(tǒng)原理框圖第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇 本次設(shè)計(jì)以CPU選用89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89C51的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上．使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS5l系列單片機(jī)的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FALsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案: 1）VCC（40）：電源+5V?！?）VSS（20）：接地，也就是GND。 3）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。 單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在XTL2上加外部時(shí)鐘信號(hào)（詳細(xì)的內(nèi)容將在以后的課程中專門介紹）?！?）PSEN（29）：片外ROM選通信號(hào)，低電平有效?！?）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號(hào)輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端/備用電源輸入端。7）EA/VPP（31）：內(nèi)/外部ROM選擇端8）P0口（3932）：雙向I/O口。9．P1口（18）：準(zhǔn)雙向通用I/0口。 9）P2口（2128）：準(zhǔn)雙向I/0口。原理圖如41所示：圖31 AT89C51的引腳圖 主要特性： 與MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 1) 振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2) 芯片擦除： 整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止?！ ?步進(jìn)電機(jī)的選擇 因本次設(shè)計(jì)的要求，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)選用三相三拍的步進(jìn)電機(jī)，關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的具體說(shuō)明如下；反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用凸極轉(zhuǎn)子交軸磁阻與直軸磁阻之差所產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動(dòng)的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)現(xiàn)以一個(gè)最簡(jiǎn)單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明其工作原理.圖42是一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對(duì)六個(gè)磁極每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組轉(zhuǎn)子用軟磁性材料制成也是凸極結(jié)構(gòu)只有四個(gè)齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過(guò)幾種基本的控制方式來(lái)說(shuō)明其工作原理. 圖32 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 三相單三拍通電方式當(dāng)A 相控制繞組通電,其余兩相均不通電,電機(jī)內(nèi)建立以定子A ,使轉(zhuǎn)子齒1, 3 的軸線與定子A 相極軸線對(duì)齊,如圖44 (A) 相控制繞組斷電,B 相控制繞組通電時(shí),轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30,176。使轉(zhuǎn)子齒2,4 的軸線與定子B 相極軸線對(duì)齊,即轉(zhuǎn)子走了一步,如圖44(B)所示, 若再斷開(kāi)B相,使C相控制繞組通電,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò)30176。 使轉(zhuǎn)子齒1,3 的軸線與定子C相極軸線對(duì)齊,如圖44(C)–CA 的順序輪流通電,轉(zhuǎn)子就會(huì)一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),其轉(zhuǎn)速取決于各相控制繞組通電與斷電的頻率,旋轉(zhuǎn)方向取決于控制繞組輪流通電的順序若按ACBA 的順序通電,則電機(jī)按順時(shí)針?lè)捶较蜣D(zhuǎn)動(dòng).上述通電方式稱為三相單三拍運(yùn)行,”三相”是指三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),”單”是指每次只有一相控制繞組通電,控制繞組每改變一次通電方式稱為一拍,三拍是指經(jīng)過(guò)三次改變通電方式為一個(gè)循環(huán),:圖321定轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖（A相繞組通電） 三相雙三拍通電方式1
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