畢業(yè)設(shè)計-基于at89c51單片機的混合式步進電機控制系統(tǒng)設(shè)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(shù)發(fā)展水平有限，為了簡化驅(qū)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(dá)到正、反向勵磁的目的(圖1)。最簡單的兩相電機單極性驅(qū)動電路，只要用四個功率開關(guān)管，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(qū)動器與三、五相電機之間連線太復(fù)雜，因此僅用于兩相混合式步進電機。 圖1 單極性驅(qū)動電路隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件價格的降低，雙極性驅(qū)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(qū)動。對電機繞組雙向供電的典型結(jié)構(gòu)是H橋式電路，如圖2所示。當(dāng)開關(guān)管T1，T4導(dǎo)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(dǎo)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(guān)管驅(qū)動，驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)動電路時低。如果想要獲得與H橋驅(qū)動相近的性能，則繞組的匝數(shù)應(yīng)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(yīng)比星形接法時好，與H橋驅(qū)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(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。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(qū)動的三角形和星形接法 單電壓驅(qū)動方式單電壓驅(qū)動方式是指步進電機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。當(dāng)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(guān)斷，相應(yīng)的平均電流減少而導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩下降。為改善高速運行的電機轉(zhuǎn)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(qū)動電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)動小功率步進電機或?qū)Σ竭M電機運行性能要求不高的情況。圖4 單電壓驅(qū)動 高低壓驅(qū)動方式為了改善驅(qū)動器的高頻特性，就必須提高導(dǎo)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(qū)動電路。高低壓驅(qū)動的設(shè)計思想是不論電動機的工作頻率如何，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。高低壓驅(qū)動的原理線路如圖5所示。圖5 高低壓驅(qū)動電路原理圖 圖6 斬波驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)矩。其優(yōu)點是：功耗小，啟動轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動恒流斬波驅(qū)動控制技術(shù)是目前步進電機控制的主流技術(shù)之一，斬波電路的出現(xiàn)是為了彌補高低壓驅(qū)動電路波形呈凹形的缺陷，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定。同時電機的高頻響應(yīng)得以提高，共振現(xiàn)象減弱。其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。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(dāng)達(dá)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(zhuǎn)矩基本恒定。而輸出轉(zhuǎn)矩是步進電機的一個重要性能指標(biāo)，當(dāng)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(zhuǎn)矩。因此，為克服步進電機在高頻時牽出轉(zhuǎn)矩下降的問題，很多文獻提出了一些新的恒流斬波驅(qū)動設(shè)計。但是，恒流斬波技術(shù)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(yīng)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(guān)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(qū)動電路中考慮到成本和驅(qū)動電路精度要求的問題，雙極性步進電機采用H橋驅(qū)動，單極性步進電機采用分立元件構(gòu)成的驅(qū)動電路驅(qū)動。 3 混合式步進電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計本章在以上章節(jié)的理論分析基礎(chǔ)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(qū)動器的硬件設(shè)計部分，對硬件電路的總體設(shè)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(xì)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(gòu)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(chǔ)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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