畢業(yè)設計-基于at89c51單片機的混合式步進電機控制系統(tǒng)設計(編輯修改稿)
2025-09-03 14:53 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 期，電子技術發(fā)展水平有限，為了簡化驅動電路，采用單極性電路。將電機繞組采取雙線并繞，一相繞組分成二相，其中之二正向通電，另一則反向通電，這樣可單極性供電而達到正、反向勵磁的目的(圖1)。最簡單的兩相電機單極性驅動電路，只要用四個功率開關管，結構簡單，成本低，電機的繞組在同一時間只能有一半通電，因此繞組的電感小，有利于電機的高速性能；缺點是每次只使用了繞組的一半，中低速運行時轉矩不如整個繞組勵磁的電機。而且電機引線過多，兩相電機需要六個引出端，三相電機需要9個引出端，五相電機則需要15個引出端，使得單極性驅動器與三、五相電機之間連線太復雜，因此僅用于兩相混合式步進電機。 圖1 單極性驅動電路隨著電子技術的發(fā)展，電子元器件價格的降低，雙極性驅動電路的實現(xiàn)變得容易，成本也增加不多，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)混合式步進電機使用雙極性驅動。對電機繞組雙向供電的典型結構是H橋式電路，如圖2所示。當開關管T1，T4導通、T2，T3截止時，電流經(jīng)T電機繞組和T4到地；Tl，T4截止、T2，T3導通時，電流經(jīng)T電機繞組和T2到地；可見電流方向相反。Dl，D2，D3和D4四個二極管組成續(xù)流回路。電機每一相繞組需四只開關管驅動，驅動器成本比較高。電機的相數(shù)增多時，H橋式電路需要功率管數(shù)多的缺點較為突出，例如五相電機就需要20只功率管。圖2 H橋驅動電路多相橋式電路，也叫多相半橋電路，這種電路比H橋減少了一半的晶體管，降低了驅動器的成本、體積和發(fā)熱。采用多相橋式電路時，電機相繞組間通常為星形或多邊形聯(lián)接，圖3是三相混合式步進電機繞組二種聯(lián)接的例子。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)運行的高頻特性和動態(tài)性能，比用H橋式驅動電路時低。如果想要獲得與H橋驅動相近的性能，則繞組的匝數(shù)應減半或加倍相繞組的電壓。電機繞組為三角形聯(lián)接時，功放橋的電壓直接加到每一相繞組上，相繞組的電壓較高，高頻運行及動態(tài)響應比星形接法時好，與H橋驅動時相接近。但由于二相繞組的電流同時流經(jīng)一個功率管，每個開關管的電流最大時約為相電流的二倍，即為H橋驅動或星型接法驅動時的二倍。這兩種接法共同的特點在于，電機三相電流不是獨立可調(diào)的，根據(jù)基爾霍夫定理，電機三相電流必須滿足一個約束方程： 圖3 三相電機多相橋驅動的三角形和星形接法 單電壓驅動方式單電壓驅動方式是指步進電機繞組上加上恒定的電壓V，這種驅動方式的電路相當簡單，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，直到達到額定電流I=V/R。當電機高速運行時，流經(jīng)繞組的電流還未上升到額定電流就被關斷，相應的平均電流減少而導致輸出轉矩下降。為改善高速運行的電機轉矩特性，通常在連接電機繞組的線路中串聯(lián)一個無感電阻來減少電氣時間常數(shù)，同時成比例的增加電源電壓以保持額定電流不變(圖4)。單電壓驅動電路的優(yōu)點是電路結構簡單、元件少、成本低、可靠性高。缺點是串入電阻將加大功耗，降低功放電路的功率，必須具備相應的散熱條件才能保證電路穩(wěn)定可靠的工作。所以這種電路一般僅適合于驅動小功率步進電機或對步進電機運行性能要求不高的情況。圖4 單電壓驅動 高低壓驅動方式為了改善驅動器的高頻特性，就必須提高導通電流的前沿，即提高電源電壓，但是電壓提高的同時也會使相繞組電流增大，必須加限制電阻，加入電阻后又會引起發(fā)熱，加劇功率的損耗，降低效率。為了解決這些問題，又產(chǎn)生了高低壓驅動電路。高低壓驅動的設計思想是不論電動機的工作頻率如何，在導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。高低壓驅動的原理線路如圖5所示。圖5 高低壓驅動電路原理圖 圖6 斬波驅動電路原理圖1—整形電路 2—脈沖分配器 3—控制門4—高壓前置放大器 5—低壓前置放大器高低壓驅動可保證在很寬的頻段內(nèi)繞組都有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，能夠產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉矩。其優(yōu)點是：功耗小，啟動轉矩大，高頻性能較好。但是也存在著低頻振蕩加劇，波形呈凹形，驅動電源和大功率管數(shù)量加倍，成本上升的缺點。 斬波恒流驅動恒流斬波驅動控制技術是目前步進電機控制的主流技術之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補高低壓驅動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉矩的平均值基本恒定。同時電機的高頻響應得以提高，共振現(xiàn)象減弱。其電路結構如圖6所示。斬波驅動中，雖然電路較復雜，但是由于驅動電壓較高，電機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。當達到所需要的電流時，由于取樣電阻的反饋作用，使繞組電流基本恒定，從而保證在很大的頻率范圍內(nèi)電動機的輸出轉矩基本恒定。而輸出轉矩是步進電機的一個重要性能指標，當我們使電機的繞組電流恒定在一個較高的數(shù)值時，就可提升電機的輸出轉矩。因此，為克服步進電機在高頻時牽出轉矩下降的問題，很多文獻提出了一些新的恒流斬波驅動設計。但是，恒流斬波技術不能解決步進電機本身所固有的低頻振動問題，無法克服步進電機因受步距角限制而不能實現(xiàn)多種步距角控制的缺陷。只有與單拍和雙拍運行時相對應的兩種步距角。 方案的確定對比上面的各種方案方案，各有各自的優(yōu)缺點。電流滯環(huán)型由于不需要三角載波環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較簡單。而固定開關頻率型在電磁噪聲和輸出電流諧波方面具有優(yōu)勢。在實際的步進電機驅動電路中考慮到成本和驅動電路精度要求的問題，雙極性步進電機采用H橋驅動，單極性步進電機采用分立元件構成的驅動電路驅動。 3 混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)硬件設計本章在以上章節(jié)的理論分析基礎上，充分從實踐的角度出發(fā)，主要介紹了該混合式步進電機驅動器的硬件設計部分，對硬件電路的總體設計方案及每個主要組成部分的功能及實現(xiàn)方法進行了詳細的論述和分析。系統(tǒng)的框圖如圖7所示：圖7 系統(tǒng)框圖單片機集成度高，具有豐富的內(nèi)部資源，再加上少量的外圍擴展電路就可以構成體積小、可靠性高、控制功能強且性價比高的控制系統(tǒng)。Intel公司一直致力于單片機的開發(fā)研究，不斷推出了許多功能更多，使用更方便的單片機系列，1980年在MCS48的基礎之上推出了完善的、典型的單片機系列MCS51。與MCS48系列相比，MCS51系列單片機有更高的集成度，更豐富的指令系統(tǒng)，更好的可擴展性，以后好
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