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基于at89s51單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)-在線瀏覽

2024-10-28 17:35本頁面
  

【正文】 的一種基本類型。在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中,我們很容易發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的蹤跡,尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項(xiàng)指令動(dòng)作的靈活控制性場合步進(jìn)電機(jī)用得最多。 我國步進(jìn)電機(jī) 的 發(fā)展 我國開展步進(jìn)電機(jī)的研究工作相對(duì)較晚, 上 世紀(jì) 50 年代才開始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行研究和制造,到目前為止已有六十多年。 此時(shí) 我國在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)研究方面生機(jī)勃勃 , 這一階段是我國步進(jìn)電 機(jī)的研究和發(fā)展最為迅猛的階段。小型化、機(jī)電一體化、電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高電機(jī)效率、降低生產(chǎn)成本等是這一階段乃至今后步進(jìn)電機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。因此,開展混合式步進(jìn)電機(jī)的研究依然有其重要的意義。主要表現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)本身的改進(jìn)以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的多樣化和精密化等幾個(gè)方面。 ( 2) 改圓形電動(dòng)機(jī)為方形電動(dòng)機(jī)。 ( 3) 一體化設(shè)計(jì),即把轉(zhuǎn)子位置傳感器,減速齒輪等和電動(dòng)機(jī)本體綜合設(shè)計(jì)在一起,這樣使其能方便地組成一個(gè)閉環(huán)系 統(tǒng),因而具有更加優(yōu)越的控制性能。 ( 5) 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用。減少步距角, 減少步進(jìn)誤差, 即提高了分辨率和步距精度。 如果 將各種數(shù)控加工設(shè)備通過總線聯(lián)網(wǎng),構(gòu)成 DNC 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)集成化控制和管理,是 步進(jìn)電機(jī)很有前途的發(fā)展方向之一??梢灾苯佑脭?shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng),使用非常方便。步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟動(dòng)、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn),因而在數(shù)控機(jī)床 、 繪圖儀 、 打印機(jī)以及光學(xué)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。一方面步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)工業(yè)密 切相關(guān)。另一方面,微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展,又將為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電機(jī)推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。此步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)具有以下相關(guān)功能和性能指標(biāo)。步進(jìn)電機(jī)在 前進(jìn)過程中已走的行程數(shù)值和前進(jìn)的狀態(tài)也需通過顯示電路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。并可以隨時(shí)啟動(dòng)前進(jìn)、復(fù)位返回原點(diǎn)。 ( 3)前進(jìn)后退是步進(jìn)電機(jī)控制器所必須具備的基 本功能,設(shè)計(jì)中增加步進(jìn)電機(jī)加減速前進(jìn)以及復(fù)位功能,在步進(jìn)電機(jī) 啟動(dòng)前進(jìn)、復(fù)位時(shí)和行進(jìn)過程中都可以加速復(fù)位以及減速前進(jìn),并到達(dá)指定位置。 基于此上功能分析提出設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器。 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 5 步進(jìn)電機(jī) 工作 的 原理 步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由定子和轉(zhuǎn)子組成,可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。因此,控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定 的規(guī)律控制定子繞組的電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。根據(jù)脈沖的分配方式,步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換,在供給連續(xù)脈沖時(shí),就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 圖 四相步進(jìn)電機(jī) 該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī),采用 單極性直流電源供電。當(dāng)開關(guān) SC接通電源, SB、 SA、 SD 斷開時(shí),由于 C 相繞組的磁力線和 4 號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng), 4 號(hào)齒和 C 相繞組的磁極對(duì)齊。依次類推, A、B、 C、 D 四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著 A、 B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動(dòng)。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。單雙八拍工作方式: AABBBCCCDDDA (即一個(gè)脈沖 ,轉(zhuǎn) 度 )八拍運(yùn)行時(shí)步距角為 θ=360 度 /( 50*8) = 度(俗稱半步)。 脈沖A 相B 相C 相D 相 a 單四拍 b 雙四拍 c 八拍 圖 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序圖 通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)進(jìn)行控制,改變其頻率以及個(gè)數(shù)。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到 調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。在正常情況下,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比。 由于微機(jī)控制系統(tǒng)的輸出脈沖電流往往都是 毫安級(jí)的,而步進(jìn)電機(jī)的電子繞組需要很大的電流步進(jìn)電機(jī)控制脈沖電流才可以驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn),所以步進(jìn)電機(jī)不能直接接到直流電源或者微機(jī)上工作,必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。每來一個(gè) CP 脈沖,環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。 同時(shí)環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào),從而決定其輸出的狀態(tài)是按正序或者按逆序轉(zhuǎn)換,進(jìn)而決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。信號(hào)放大的作用是將環(huán)分輸出信號(hào)加以放大,變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí),這中間一般既需電壓放大,也需電流放大。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起,形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。 有時(shí),推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。 驅(qū)動(dòng)級(jí) 直接與步進(jìn)電機(jī)各相繞組連接,它接受來自推動(dòng)級(jí)的信號(hào),控制電動(dòng)機(jī)各相繞組的導(dǎo)通與截止,同時(shí)也繞組承受的電壓和電流進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)級(jí)常見的驅(qū)動(dòng) 方式有單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)等。這兩種驅(qū)動(dòng)電路分別應(yīng)用于不同的步進(jìn)電機(jī)。 ( 1)單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路:對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),繞組電流只要求向一個(gè)方 流動(dòng),因此其驅(qū)動(dòng)電路采用單極性驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電 機(jī)使用脈沖電源工作,脈沖電源的獲得可通過下圖說明, 單電壓功率驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。 RS 還能緩解電動(dòng)機(jī)的低頻共振現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)角t21 圖 步進(jìn)電機(jī)單步響應(yīng)曲線 圖中 1 不串電阻 RS的響應(yīng)曲線, 2 是串電阻 RS并調(diào)高電源電壓以保持繞組靜態(tài)電流相同的響應(yīng)曲線,顯然曲線 2 比曲線 1 好。 ( 2)高低壓 功率 驅(qū)動(dòng)電路 : 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。 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法,由于這種驅(qū)動(dòng)在低頻時(shí)電流有較大的上沖,電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大,低頻共振現(xiàn)象 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 9 存在,使用時(shí)要注意。 VDVDVTHUhUlVTlA+ Uh+ Ul 圖 高低壓功率驅(qū)動(dòng)電 路 ( 3)雙極性驅(qū)動(dòng)電路:永磁式或混合式步進(jìn)電機(jī),由于 工作時(shí)要求定子磁極的極性交變,所以通常要求其繞組由雙極性驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng),即繞組電流能正、反向流動(dòng)。近年來出現(xiàn)了集成化的雙極性驅(qū)動(dòng)芯片,它能方便地對(duì)采用雙極性 驅(qū)動(dòng)電路的步進(jìn)電機(jī)極性控制。 步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 要使步進(jìn)電機(jī)正常工作,必須按照該種電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換表所規(guī)定的狀態(tài)和順序一次對(duì)各相進(jìn)行通電或斷電控制。同時(shí),由于電機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求,所以這種環(huán)形分配器的輸出既是周期性的,又是可逆的。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種形式。集成元器件的使用,使環(huán)形分配器的體積大大縮小,可靠性和抗干擾能里提高,并具有較好的響應(yīng)速度,而且顯示直觀、維護(hù)方便。 ( 1)專用集成電路芯片型環(huán)形分 配器:集成觸發(fā)器型環(huán)形分配器的硬件電路復(fù)雜,使用較少。其中, CH250 專用于三相步進(jìn)電機(jī)有 A、 B、 C 三個(gè)輸出端,當(dāng)輸入端 CL或 EN 加上時(shí)鐘脈沖后,其輸出電流能力為 ,經(jīng)推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 10 放大后即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組 。 CH 250ABCV111213814 15616JalJbl JarJbrCLRRVVDD E1097121+ 12 V走步脈沖方向信號(hào) 圖 CH250 ( 2)軟件環(huán)形分配器:出了采用硬件環(huán)形分配器外,在微機(jī)系統(tǒng)資源及任務(wù)允許的情況下,還可以采用軟件環(huán)形分配器脈沖的方法。 一次循環(huán)輸出驅(qū)動(dòng)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所需的六個(gè)狀態(tài): AABBBCCCA,這樣,三相步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)入了三相六拍的運(yùn)行狀態(tài)。 圖 軟件環(huán)形分配器 采用這種純軟件方法,需要在微機(jī)的程序存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)存儲(chǔ)空間以存放這 6 種狀態(tài),形成一張狀態(tài)表。 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)調(diào)速, 實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出 CP 脈沖的頻率或者換相的 周期。 ( 1)軟件延時(shí)法:這種方法是在每次換相之后,調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序,延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換相??梢杂?jì)算得出,延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與 8051 A 功率驅(qū)動(dòng) B 接口電路 C 步進(jìn)電機(jī) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 11 換相子程序所用時(shí)間的和即是 CP 脈沖的周期,也是步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率的倒數(shù)。缺點(diǎn)是占用 CPU 時(shí)間太多,不能在運(yùn)行中處 理其他的工作,顯然,這種方法雖然簡單,但也只能在較的控制過程中采用。在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中,可利用其中某個(gè)定時(shí)器加載適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)值,經(jīng)過一定的時(shí)間,定時(shí)器溢出,產(chǎn)生中斷信號(hào),暫停主程序的執(zhí)行,轉(zhuǎn)而執(zhí)行定時(shí)器中斷服務(wù)程序,于是產(chǎn)生硬件延時(shí)效果。當(dāng)然,對(duì)于高精度要求的轉(zhuǎn)速控制場合,只考慮定時(shí)器的定時(shí) 值是不夠的,還要考慮諸如加載定時(shí)器、開關(guān)定時(shí)器、中斷響應(yīng)等待時(shí)間、中斷響應(yīng)進(jìn)出時(shí)間等對(duì)轉(zhuǎn)速的影響,從而對(duì)定時(shí)器的定時(shí)值進(jìn)行合理的修正。開環(huán)控制時(shí)沒有位置檢測反饋,不需要光電編碼器之類的位置傳感器,因此控制系統(tǒng)的價(jià)格比較便宜。這就是說,電動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)載不能太重。 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制如圖 所示。 步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)主要在于步進(jìn)電機(jī)微機(jī) 功率驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 工作臺(tái) 基于 AT89S51 單片機(jī)的單軸步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 12 驅(qū)動(dòng)電路以及調(diào)速的設(shè)計(jì),輔以相關(guān)的按鍵和顯示電路。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有兩種方法,一種是通過 CPU 直接來驅(qū)動(dòng),這種方法一般不宜采用,因?yàn)?CPU 的輸出電流脈沖是特別小的它不能足以讓步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)。單極性驅(qū)動(dòng)適用于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),雙極性驅(qū)動(dòng)適用于永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩種形式。再者步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)有響應(yīng)的顯示電路進(jìn)行顯示,且可以通過不同的按鍵控制步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的改變。簡述三種設(shè)計(jì)方案并從中選擇出適合的方案,再進(jìn)行硬件以及軟件的設(shè)計(jì)。 步進(jìn)電機(jī)的脈沖使用軟件環(huán)形分配的形式。通過改變控制系統(tǒng)發(fā)出CP 脈沖的頻率或者換相的周期就可以改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的速度。 ( 2) 方案二:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 L298N 集成驅(qū)動(dòng)芯片,顯示電路選擇液晶 LCD1602,加上相應(yīng)的按鍵電路。 LCD1602 是指顯示的內(nèi)容為 16*2,即可以顯示兩行,每行16 個(gè)字符液晶模塊 。脈沖分配仍舊通過軟件環(huán)形分配的形式實(shí)現(xiàn)??捎糜谖C(jī)控制的兩相雙極和四相單極步進(jìn)電機(jī)。顯示電路選用 LCD1602,實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)。 由于設(shè)計(jì)是針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制器設(shè)計(jì),在顯示電路實(shí)時(shí)顯示的是步進(jìn)電機(jī)所走的直線位移,即把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 通過計(jì)算轉(zhuǎn)變成直線位移量進(jìn)行顯示。 通過對(duì)比上面三種設(shè)計(jì)方案,方案一中選用軟件環(huán)形分配器的形式, 但由于這種方法占用了微機(jī)控制系統(tǒng)的大部分時(shí)間及 精力 ,所以只能用于微機(jī)系統(tǒng)資源比較寬松且微機(jī)控制任務(wù)不是很 繁重 的系統(tǒng)中。方案二選用了 LCD1602 液晶顯示,可是顯示較多的內(nèi)容,比較直觀,但是仍舊是軟件環(huán)形分配器的形式。顯示電路則選用了 LCD1602 使顯示內(nèi)容更加豐富。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案畫出整體設(shè)計(jì)的框圖 ,整體框圖 如圖 所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、電源電路。在最小系統(tǒng)中 EA/VPP 引腳接高電平, CPU 訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器的指令。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U4AT89S51GNDVCC12Y130pFC1030pFC1110uFC122KR75VS3SWPBT1100pfC52200ufC3100pfC4VinVoutGNDVR1LM7805D1Bridge1VCC220V/9VS1SWSPST 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路 設(shè)計(jì)中采用 L298N 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片, 其為步進(jìn)電機(jī)專用的驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部采用雙極性驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特點(diǎn) 是:工作電壓高,最高工作電壓可達(dá) 46V;輸出電流大,瞬間峰值電流可達(dá) 3A,持續(xù)工作電流為 2A;額定功率 25W。使用 L298
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