步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡維慶顏建軍

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310053)

摘要：設(shè)計(jì)了一種步進(jìn)電機(jī)斬波細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括輸入電路、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等。以單片機(jī)AT89S52為控制核心，采用步距角的細(xì)分控制策略。該系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)

收稿日期:2015-05-08

作者簡(jiǎn)介：胡維慶(1978—)，男，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。

0引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的執(zhí)行元件，它與其他類型電機(jī)相比具有控制方便、易于開環(huán)精確控制、無積累誤差、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。受制造工藝影響，步進(jìn)電機(jī)的步距角一般較大，并且存在低頻振動(dòng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)獲得了快速發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)首先是由美國學(xué)者T.R.Fredriksen在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠使步進(jìn)電機(jī)獲得很好的使用性能，因而得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹一種步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有步距角小、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，可減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行精度。

1原理

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠電磁力拉動(dòng)的，當(dāng)處于錯(cuò)齒狀態(tài)的某相通電時(shí)，則在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子將向?qū)X的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。再對(duì)處于錯(cuò)齒狀態(tài)的下一相通電，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)再轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)就是基于這樣的原理而不停轉(zhuǎn)動(dòng)的。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理：由控制電路發(fā)出連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，經(jīng)過功率放大電路后加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)輸出較小的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)典型控制電路如圖1所示。

圖1　典型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

本步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，步進(jìn)電機(jī)的控制指令輸入有鍵盤輸入和通訊輸入可選，單片機(jī)根據(jù)輸入指令要求經(jīng)過運(yùn)算由D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量到比較器。比較器的輸入量是D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量和步進(jìn)電機(jī)繞組上的電流采樣值，如果給定電流值低于步進(jìn)電機(jī)繞組電流值則斷開斬波驅(qū)動(dòng)回路；反之，如果給定電流值高于步進(jìn)電機(jī)繞組電流值則開通斬波驅(qū)動(dòng)回路。此系統(tǒng)由輸入電路部分、控制電路部分、D/A轉(zhuǎn)換電路部分、驅(qū)動(dòng)斬波電路部分等組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2硬件系統(tǒng)

2.1控制器選擇

控制器采用與8051兼容的AT89S52作為控制核心。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能的微處理器，芯片F(xiàn)lash系統(tǒng)內(nèi)可編程，操作靈活。其指令與引腳和MCS51系列單片機(jī)兼容，具有處理功能強(qiáng)、速度快、體積小、價(jià)格低、可靠性能高等特點(diǎn)。

2.2控制電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益的反向放大器，在引腳XTALl和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，晶振頻率選取11.059 2 MHz。單片機(jī)RESET引腳上保持高電平時(shí)間大于要求的時(shí)間就會(huì)自動(dòng)復(fù)位，復(fù)位電路采用按鍵式。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　AT89S52最小系統(tǒng)電路圖

2.3參數(shù)輸入電路設(shè)計(jì)

輸入信號(hào)可以由撥碼開關(guān)輸入，也可以由上位機(jī)輸入，根據(jù)輸入信號(hào)選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)程序。撥碼開關(guān)輸入信號(hào)經(jīng)過光電耦合器后輸入單片機(jī)，電路如圖4所示。

圖4　參數(shù)撥碼輸入電路圖

上位機(jī)以通訊方式發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過芯片MAX232向AT89S52輸入?yún)?shù)，電路如圖5所示。

圖5　上位機(jī)設(shè)定參數(shù)電路圖

2.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)AT89S52向D/A轉(zhuǎn)換器輸出對(duì)應(yīng)的細(xì)分控制數(shù)據(jù)，通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出電壓，電壓經(jīng)過放大調(diào)整后送給LM393比較器，作為斬波的基準(zhǔn)電壓。步進(jìn)電機(jī)線圈電流通過電阻采樣，當(dāng)基準(zhǔn)電壓小于取樣電阻電壓時(shí)，LM393輸出高電平；當(dāng)基準(zhǔn)電壓大于取樣電阻電壓時(shí)，LM393輸出低電平。在細(xì)分工作狀態(tài)時(shí)，比較器LM393不斷送出斬波信號(hào)，經(jīng)過D觸發(fā)器74LS74和光電耦合器6N137不斷控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流的通斷，這樣電機(jī)的狀態(tài)就會(huì)不斷改變。細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路如圖6所示。

圖6　細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路圖

3軟件設(shè)計(jì)

該步進(jìn)電機(jī)的控制采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，控制器根據(jù)鍵盤的輸入信號(hào)或上位機(jī)通訊來的信號(hào)選擇細(xì)分?jǐn)?shù)，輸出相應(yīng)數(shù)值，控制步進(jìn)電機(jī)每相繞組的電流。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)行初始化，然后根據(jù)撥碼輸入信號(hào)或者上位機(jī)送來的信號(hào)選擇不同細(xì)分程序，調(diào)用細(xì)分子程序，根據(jù)正反轉(zhuǎn)命令要求控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向。主程序流程圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)主程序流程圖

4結(jié)語

本文介紹了步進(jìn)電機(jī)可變細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方案，可以提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度，降低步進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。該驅(qū)動(dòng)器具有可靠性高、精度高、體積小、成本低、控制系統(tǒng)靈活等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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