步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-17 06:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ；兩者相比，后者的設(shè)計比較簡單，價格便宜，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)動電路的選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電機(jī)有多種，但最為常用的就是單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、細(xì)分控制驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動是步進(jìn)電機(jī)控制中最為簡單的一種驅(qū)動電路，它在本質(zhì)上是一個單間的反相器。它的最大特點是結(jié)構(gòu)簡單，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，這樣就會影響電路的穩(wěn)定性所以此種驅(qū)動方式一般只用在小功率的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路中。雙電壓驅(qū)動是電路一般采用兩種電源電壓來驅(qū)動，因這兩個電源分別是一個為高壓一個為低壓，因此也稱為高低壓驅(qū)動電路。雙電壓驅(qū)動電路的缺點是在高低壓連接處電流出現(xiàn)谷點，這樣必然引起力矩在谷點處下降。不宜于電機(jī)的正常運(yùn)行。對于斬波電路驅(qū)動則可以克服這種缺點，并且還可以提高步進(jìn)電機(jī)的效率。所以從提高效率來看這是一種很好的驅(qū)動電路，它可以用較高的電源電壓，同時無需外接電阻來限定期額定電流和減少時間常數(shù)。但由于其波形頂部呈現(xiàn)鋸齒形波動，所以會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。細(xì)分驅(qū)動是用脈沖電壓來供電的，對于一個電壓脈沖，轉(zhuǎn)子就可以轉(zhuǎn)動一步，一般會根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞阻會輪流切換，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)雜的計算可使細(xì)分后的步距角一致。但因本次設(shè)計對步進(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)動芯片8713來驅(qū)動，并通過軟件來實現(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來驅(qū)動顯示和鍵盤。選用8713作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片并通過光電耦合來驅(qū)動步進(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，并把反饋回的信號經(jīng)CPU處理后再由顯示器顯示出來。但由鍵盤輸入的速度數(shù)值了得通過顯示器來顯示，固本次設(shè)計要兩排顯示，一排來顯示給定的轉(zhuǎn)速一排來顯示實際的轉(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 單片機(jī)的選擇 本次設(shè)計以CPU選用89C5l作為步進(jìn)電機(jī)的控制芯片．89C51的結(jié)構(gòu)簡單并可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上．使用方便等優(yōu)點，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和閃爍存儲器組合在單個芯片中，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廉的方案: 1）VCC（40）：電源+5V?！?）VSS（20）：接地，也就是GND?！?）XTL1（19）和XTL2（18）：振蕩電路。 單片機(jī)是一種時序電路，必須有脈沖信號才能工作，在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個電容和一個晶振即可；另一種是外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時，需在XTL2上加外部時鐘信號（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，低電平有效?！?）ALE/PROG（30）：地址鎖存信號輸出端/EPROM編程脈沖輸入端。6）RST/VPD（9）：復(fù)位信號輸入端/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?！?）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)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。2) 芯片擦除： 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。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定時器，計數(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，直到下一個硬件復(fù)位為止。 步進(jìn)電機(jī)的選擇 因本次設(shè)計的要求，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)的具體說明如下；反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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)動的所以也稱為磁阻式步進(jìn)電動機(jī)現(xiàn)以一個最簡單的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例說明其工作原理.圖42是一臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的原理圖定子鐵芯為凸極式共有三對六個磁極每兩個相對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)只有四個齒齒寬等于定子的極靴寬下面通過幾種基本的控制方式來說明其工作原理. 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 相極軸線對齊,如圖44 (A) 相控制繞組斷電,B 相控制繞組通電時,轉(zhuǎn)子在反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的作用下,逆時針方向轉(zhuǎn)過30,176。使轉(zhuǎn)子齒2,4 的軸線與定子B 相極軸線對齊,即轉(zhuǎn)子走了一步,如圖44(B)所示, 若再斷開B相,使C相控制繞組通電,轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過30176。 使轉(zhuǎn)子齒1,3 的軸線與定子C相極軸線對齊,如圖44(C)–CA 的順序輪流通電,轉(zhuǎn)子就會一步一步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動,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)按順時針反方向轉(zhuǎn)動.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)過三次改變通電方式為一個循環(huán),:圖321定轉(zhuǎn)子展開圖（A相繞組通電） 三相雙三拍通電方式1
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