【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高低壓功率驅(qū)動(dòng)接口如圖 34所示。高低壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，不論電機(jī)工作頻率如何，均利用高電壓 UH 供電來提高導(dǎo)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)功率接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào) Uh和 Ul，它們應(yīng)保持同步，且前沿在同一時(shí)刻跳變，如圖 34所示。圖中，高壓管 VTH的導(dǎo)通時(shí)間 tl不能太大，也不能太小，太大時(shí)，電機(jī)電流過載；太小時(shí)，動(dòng)態(tài)性能改善不明顯。一般可 取 13ms。（當(dāng)這個(gè)數(shù)值與電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)比較合適）。 8 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口 恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思想是，設(shè)法使導(dǎo)通相繞組的電流不論在鎖定、低頻、高頻工作時(shí)均保持固定數(shù)值。使電機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性。這是目前使用較多、效果較好的一種功率接口。圖 35是斬波恒流功率接口原理圖。圖中 R是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時(shí)， VT1和 VT2同時(shí)受控于走步脈沖，當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值， VT2被封鎖，電源 U被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管 VD續(xù)流，維持繞組電流，電機(jī)靠消耗電 感中的磁場(chǎng)能量產(chǎn)生出力。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值， VT2 導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，如圖35 所示。 圖 35 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口 斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號(hào)，其中 u1是數(shù)字脈沖， u2是模擬信號(hào)。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用。 集成功率驅(qū)動(dòng)接口 及驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 目前已有多種用于 小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的集成功率驅(qū)動(dòng)接口電路可供選用。 例如集成H橋式驅(qū)動(dòng)器 L298芯片 ，集成達(dá)林頓管 ULN2021A極電極開路驅(qū)動(dòng)芯片 等。由于 ULN2021A具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng) ，而且集成有續(xù)流二極管 等特點(diǎn) ，以及其對(duì)思想單片機(jī)的專用性。本課題選擇 ULN2021A 驅(qū)動(dòng)芯片。 9 圖 36 ULN2021邏輯圖 圖 37 ULN2021內(nèi)部電路圖 由圖 3 圖 37 可知， ULN2021A 其本質(zhì)是一個(gè)基于三極管的非門電路芯片。在驅(qū)動(dòng)過程中， ULN2021 起到將控制信號(hào)功率放大 和信 號(hào)反相 的作用。 進(jìn)而穩(wěn)定地將步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)平穩(wěn)有效地送給步進(jìn)電機(jī)，確保步進(jìn)電機(jī) 的 正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 10 第 4 章 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件組成 及具體驅(qū)動(dòng) 方案 分析 關(guān)于 80C51 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)以其體積小、功能齊全、價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)，近幾年單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用特別是在工業(yè)控制、智能儀表等方面。而其中 MCS51 系列單 片機(jī)更是以抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、靈活性強(qiáng)等別的系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。即使非電子計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，通過學(xué)習(xí)一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以后也能依靠自己的技術(shù)力量，來開發(fā)所希望的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。故在本次設(shè)計(jì)中采用了其中的低功耗型 80C51 單片機(jī)。 80C51 是 MCS51 系列單片機(jī)中 CHMOS 工藝的一個(gè)典型品種。其它廠商以 8051 為基核開發(fā)出的 CMOS 工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為 80C51 系列。當(dāng)前常用的 80C51 系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有： ? Intel 的： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等； ? ATMEL 的： 89C5 89C5 89C2051 等； ? Philips、華邦、 Dallas、 Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品 。 該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài) 80C51 設(shè)計(jì)，由先進(jìn) CMOS 工藝制造，并帶有非易失性 Flash 程序存儲(chǔ)器 ，全部支持 12 時(shí)鐘和 6 時(shí)鐘操作， P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分別包含 128 字節(jié)和 256 字節(jié) RAM、 32 條 I/O 口線、 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 6 輸入 4 優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、 1 個(gè)串行 I/O 口、可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART 以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍，頻率可降至 0 ?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式，空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié) CPU 但 RAM 定時(shí)器，串口和中斷系統(tǒng)仍然工作掉電模式保存 RAM 的內(nèi)容 但是凍結(jié)振蕩器 導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的時(shí)鐘可停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)，運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。 其主要結(jié)構(gòu)組成如下： 1． 中央處理器（ CPU） 2． 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部 RAM） 3． 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部 ROM） 4． 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5． 并行 I/O 口 11 6． 串行口 7． 時(shí)鐘電路 8． 中斷系統(tǒng) 9． 外接晶體引腳 圖 41 80C51單片機(jī)管腳圖 圖 42 80C51單片機(jī)工作系統(tǒng)圖 外中斷 控制 并行口 外時(shí)事件計(jì)數(shù) 外時(shí)鐘源 振蕩器和時(shí)序 程序存儲(chǔ)器 8KB ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 256B RAM/SFR 2 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 TMP87P809N 64KB總線 擴(kuò)展控制線 可編程 I/O 可編程全 雙工串行口 串行通信 12 單片機(jī)管腳如 圖 41所示，下面對(duì)其各個(gè)管腳進(jìn)行必要的說明。 P0、 P P P3 口的電平與 CMOS 和 TTL 電平兼容。 P0 口的每一位口線可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。在作為通用 I/O 口時(shí)，由于輸出驅(qū)動(dòng)電路是開漏方式，由集電極開路（ OC 門）電路或漏極開路電路驅(qū)動(dòng)時(shí)需外接上拉電阻；當(dāng)作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，口線輸出不是開漏的，無(wú)須外接上拉電阻。 P P P3 口的每一位能驅(qū) 動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。它們的輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有內(nèi)部上拉電阻，所以可以方便地由集電極開路（ OC 門）電路或漏極開路電路所驅(qū)動(dòng)，而無(wú)須外接上拉電阻。 當(dāng) CPU 不對(duì) P3 口進(jìn)行字節(jié)或位尋址時(shí)，內(nèi)部硬件自動(dòng)將口鎖存器的 Q 端置 1。這時(shí)， P3 口作為第二功能使用。 ： RXD（串行口輸入）； ： TXD（串行口輸出）； ：外部中斷 0輸入； ：外部中斷 1輸入； ： T0（定時(shí)器 0 的外部輸入）； ： T1（定時(shí)器 1 的外部輸出）； ：（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “ 寫 ” 選通控制輸出）； ：（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 “ 讀 ” 選通控制輸出）。 EA/VPP : 訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，當(dāng)其為低電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作限定在外部的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)其為高電平時(shí)，對(duì) ROM 的讀操作是從內(nèi)部存儲(chǔ)器開始的，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。 ALE/PROG : 編程脈沖 PSEN : 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，在讀外部 ROM 時(shí) PSEN 是低電平有效，以實(shí)現(xiàn)對(duì) ROM 的讀操作。 RST/VPD : 復(fù)位信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)延續(xù) 2 個(gè)周期以上的高電平有效，用以完成單片機(jī)復(fù)位初始化操作。 XTAL : 時(shí)鐘晶振輸入端。 13 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 圖 43 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 由圖 43可知，本系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向和速度，以及變速變向的控制，并且將這些參數(shù)和控制程序通過數(shù)據(jù)串口燒錄到單片機(jī)中。按鈕和單片機(jī)的控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路，輸入至步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的速度和方向。電源和變壓整流電路為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片 的正常工作 提供安全穩(wěn)定的直流高電平。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理 為了方便闡述，本節(jié)按照 步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào) 要求 ，控制信號(hào)功率的放大， 單 片機(jī) 控制信號(hào) 的輸出和編程 的順序分析其工作過程。 步進(jìn)電機(jī)的 控制信號(hào) 圖 44 28YBJ48型步進(jìn)電機(jī) 接線指示圖 橙 4 黃 3 粉 2 藍(lán) 1 紅 5 M 實(shí)時(shí)控制 錄入程序 方向設(shè)定 電源 驅(qū)動(dòng)電路 及有關(guān)芯片 M 供電 供電 供電 計(jì)算機(jī) 單片機(jī) 按鈕 驅(qū)動(dòng) 速度設(shè)定 14 表 41 步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)分布表 連線序號(hào) 導(dǎo)線顏色 分配順序 1 2 3 4 5 紅 +