毕业设计论文-基于at89c51单片机的步进电机控制系统(编辑修改稿)

毕业设计论文-基于at89c51单片机的步进电机控制系统(编辑修改稿)内容摘要：

电机的工作情况 如图 所示 ， 图 (a)为 A 相通电时的情况，转子齿 3 磁轴与 A 相磁极轴线重合，当通电状态由 A 转为 AB 时， 步进 电机的状态如图 (b) 所示，转子齿 3磁极离开 A 相磁极轴线，即转子逆时针转过 15176。 通电方式由 AB 转为 B 时，步进 电机的状态如图 (c) 所示，转子齿 4 磁极轴线和 B 相磁极轴线相重合，或转子齿 3 磁极轴线离开 A 相磁极轴线 30176。 角，即转子又逆时针方向运行了一步，相应的角度为 15176。 如此 类推，可见 步进 电机每走一步，将转过15176。 ，恰好为三相 单 拍或 双三拍通电方式的一半。 六拍运行方式与双三拍相同，由一个通电状态转变为另一通电状态时，也总有一相 继续 保持通电， 同样 具有电磁阻尼作用，工作也比较平稳。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 (a) A 相通电 (b) AB 相通电 (c) B 相通电 (d) BC 相通电 图 三相六拍通电方式 通过分析可知一台步进电机可以有不同的通电方式， 即 可以有不同的拍数。 拍数不同时，其对应的步距角 大小也不同，拍数多则步距角小。 通电相数不同 也 会带来不同的工作性能。 此外，也可以看到同一种通电方式，对于转子磁极数不同的 步进 电机， 也 会 有不同的步距角。 步距角θ s 可由 式 (11)求得 【 3】 θ s=360176。 /mKZR (11) 式中 m — 控制绕组 相 数； 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 ZR — 转子齿数； K — 与通电方式有关的状态系数，当通电方式为单拍，即拍数与相数相同，K=1；为双拍时，即拍数为相数的两倍时， K=2。 环形脉冲分配器 要使步进电机正常工作，必须按照该种步进电机的励磁状态转换表所规定的状态和次序依次对各相绕组进行通电和断电控制。 环形分配器的主要功能是把单片 机发出的脉冲信号按一定的规律分配给步进电机的驱动电路，控制绕组的导通和截止。 同时步进电机有正反转的要求，所以环形脉冲分配器的输出既有周期性又有可逆性。 可以说环 形脉冲分配器是一种特殊的可逆循环计数器， 但 它输出的不是一般的编码，而是步进电机励磁状态所要求的特殊编码 【 4 】。 在 步进电机的驱动系统中，控制器与驱动器之间连接方式 可 分为串行控制和并行控制。 串行控制时，控制器输出脉冲信号和方向电平，环形脉冲分配器把它转换成并行的驱动信号，再控制绕组的导通和截止。 控制脉冲信号的有无就能控制步进电机运行和停止，脉冲信号的频率决定步进电机的运行速度，方向电平控制步进电机的运转方向。 并行控制时，控制器直接输出各相绕组的导通和截止信号，此时环形脉冲分配器在控制器中，由软件来代替环形脉 冲分配器的功能，不管是串行控制还是并行控制必须有环形 脉冲 分配器这个环节。 步进电机按类型、相数来划分种类繁多，不同种类、不同相数、不同分配方式都必须有不同的环形脉冲分配器，因此所需要的环形脉冲分配器的 类型 是很多的。 如果全部 用硬件来搭成，结构是相当复杂的，不能满足步进电机驱动系统的需要，为此提出一种用 EPROM 搭建的环形分配器 ，以满足不同的要求。 EPROM 存储器是一种紫外线擦除的可编程只读存储器，存储器的内容可内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 以由使用者自己编程，且可以用紫外线照射后重新使用。 用 EPROM 可以搭建成各种环形脉冲分配器。 其基本 思想是：首先确定步进电机励磁状态转换表，再以二进制码的形式存入 EPROM 存储器中，只要按照地址的正向或反向顺序依次取出地址的内容，那么存储器输出的就是各相绕组的励磁状态，用 EPROM搭建的环形脉冲分配器的原理框图如图 所示，它由两部分组成。 前面是一个可逆的循环计数器，计数脉冲 的 有无 控制步进电机的运行 与 停止，计数器加减控制端控制步进电机的正反转，如果 低 电平时计数器加计数，步进电机正转，如果 高 电平时计数器减计数，步进电机反转。 计数器的计数长度应等于步进电机运行一个周期的拍数或拍数的整数倍，计数器的输出端接 到 EPROM 的地址线上，并且使 EPROM 总是处于读出的状态，这样计数器的每个计数状态都对应存储器的一个地址，存储器的输出端就对应步进电机的一种励磁状态。 简单的说存储器存入的是一个环形 脉冲 分配器的状态输出表，计数器每输入一个脉冲，计数器计一个数，这个数值就会选通存储器的一 个 地址，存储器 就 输出一个数据，即步进电机的一个励磁状态。 如果计数器做加计数，则存储器按地址递增的方向依次读取状态表的内容，相反，计数器做减计数，则存储器按地址递减方向依次取出状态表的内容，从而控制步进电机的正反转。 图 含有 EPROM 环形脉冲分配器 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 用 EPROM 设计环形脉冲分配器，具有如下的特点： 线路简单。 由可逆循环计数器和存储器两部分组成，计数器可以用现有的器件实现，计数长度可以用简单的外围电路实现。 对 EPROM 存储器 的 主要 工作 是编程，存储状态表，所以工作量小。 一种线路可以实现多种励磁状态方式的分配，只要在不同的地址区域存储不同的状态表，除软件工作之外，硬件无需改动。 可排除非法状态。 驱动电路输入非法状态可能 会 损坏驱动电路。 存储器中存储的内容，除了在选通的地址存储所需的状态表之外，其他没用的地址都存储各相截止的信 号。 因此即使有非法的地址输入，输出端输出的都是截止的信号，可以保护驱动器不受损坏。 由于励磁状态是按运行拍数循环的，所以存储器 输出的状态也必须按拍数循环出现，这就要求计数器是可逆计数器，同时计数长度是运行循环拍数的整数倍。 实际上，使用 RPROM 设计 的 环形脉冲器是一种软 硬 件结合的技术，通过软件的编程可以实现不同励磁方式的输出。 由上可见，这种方法适用于控制任意类型的步进电机。 对于不同的步进电机及不同的励磁方式，只需改变存储的状态表，硬件不需要做任何的变化。 跟软件的方法相比，需要增加硬件的成本，但软件简单，速度 快，少占用 CPU的时间，提高了 系统的 响应速度。 软件方法 的优点是节省硬件，降低系统的成本，且更改灵活，有利于系统的小型化，其主要的缺点是占用 CPU 时间较多，降低 系统的响应 速度。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 图 环形脉冲分配器电路 由 EPROM 与可逆计数器构成的环形脉冲分配器如图 所示， 计数器选用 74LS191， 74LS191 是四位二进制进制可逆计数器，时钟脉冲从 CP 端输入，计数器的输出 QA~QD 直接接到 EPROM 的 低 四位地址线 A0~A3，这样可以选通 2716 的十六个地址（ 00H~0FH）。 74LS191 第五脚为加减法输入 控制端，该输入端作为方向输入的控制信号，当低电平时做加法计数，为正转状态。 当为高电平时做减法计数，为反转状态。 74LS191 数据输入端 A、 B、 C、 D 各管脚接地， 11 脚是置数端，当它为高电平时 74LS191 为计数状态，当它为低电平时，计数器停止计数，把数据端的内容（ ABCD）装入计数器。 2716 的管脚 OE 和 CE 分别为输出允许和片选端，使它接地让它一直处于选通状态。 四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 单四拍与双四拍的步距角相等，八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因 此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。 因此本文 选择步进电机八拍的工作方式。 EPROM 的存储内容如表 所示。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 表 四相步进电机 八拍工作方式 存储状态表 地址 内容 D C B A 励磁状态 00H 01H 0001 A 01H 03H 0011 AB 02H 02H 0010 B 03H 06H 0110 BC 04H 04H 0100 C 05H 0CH 1100 CD 06H 08H 1000 D 07H 09H 1001 DA 08H 01H 0001 A 续流电路 步进电机的控制性能，与各相绕组 导通和截止时电流的增加和衰减 速度有关，对于加速度 大 、或者运行速度高的步进电机，当转换速度增加时，由于绕组电感的作用，电流经常不能立即升到额定值，同样在绕组断电时，电流也不能立即衰减到零。 当步进电机下一相导通时，断电相绕组中的衰减电流对步进电机起制动作用。 如图 所示 为一相励磁时的 等效 电路。 L 为绕组电感， R 为 串联回路的总电阻， E 为反电动势。 当步进电机为锁定状态时，忽略 T 管的压降，则绕组的电流为 U/R。 如果 T 断电，绕组中磁场能量将极力保持原有电流的方向。 晶体管上的管压降将随 Ldi/dt 正比的增加，这个峰值电压的大小可能会超过一个晶体管的最大耐压 U，造成晶体管损坏。 常用的步进电机可以很容易产生数值内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 比 步进电机外加电压 大 的峰值电感电动势。 这个电感电动势必须控制在晶体管安全运行区域内。 所以驱动电路除了对步进电机绕组提供导通回路外，还必须提供一个绕组断电时的续流回路，其作用 是 既要保证电流的泄放的速度，同时又要抑制电感电势，保护晶体管不受感应电 动 势峰值的冲击。 图 一相励磁电路 二极管续流 抑制电势的最简单的形式是用二极管跨接步进电机绕组的两端，如 图 所示。 在绕组导通期间，二极管处于反向截止状态。 当绕组断电时，绕组电势极性反向，二极管处于正向导通的状态，为电流提供一个续流回路，二极管把功放管的集射极电压钳位到电源电压 +U。 当一相绕组断电时，存储在绕组中的能量必须消耗在电路的电阻 R 中，该电阻包括绕组电阻，串联电阻和二极管正向导通电阻，衰减时间常数为 L/R。 在低速时，断电相电流衰减缓慢是允许的 ，但高速时，就会影响步进电机的控制性能。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 图 二极管泄放电路 图 负载曲线 二极管 — 电阻续流 要求高速或变速运行时，断电绕组的能量必须尽快消耗，这可以通过增加一个与二极管串联的电阻 Rs，以减少泄放回路的时间常数，此时断电回路的时间常数为 L/(R+Rs)。 Rs 的最大值取决于集 — 射极间的击穿电压 Ucer。 当步进电机截止时，若通过二极管的初始电流为额定电流 In，即 In=U/R 则晶体管集 — 射极间的压降为 Uce=U+RsIn=U（ 1+Rs/R） 这样为使 UceUcer 则 RsR(Ucer/U－ 1) 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 图 二极管 — 电阻续流回路 图 负载曲线 由以上分析可知 续流电路的特点 如下： (1) 断电相的磁场能量总是消耗在回路的电阻上，其中包括电动机绕组自身的电阻。 (2) 续流串联电阻 的大小因需要保护功放管的安全而受到限制。 (3) 衰减时间常数大，在步进电机高速运行时产生阻转矩，影响系统的特性。 步进电机驱动电路 步进电机不能直接接 到交、直流电源上工作，而必须使用专用设备 — 步进电机驱动器。 步进电机驱动系统的性能，除与 步进 电机的自身性能有关外，在很大程度上也取决于驱动器的优劣。 步进电机的驱动电路应该既要保证绕组有足够的电压电流，同时又要保证驱动 级功率器件的安全运行，另外还应有较高的效率、较小的功耗 和 较低的成本。 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管、大功率的晶体管、达林顿管 、可内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 控硅以及各种功率模块。 对于小功率的步进电机，可用中小功率晶体管进行驱动，晶体管具有放大倍数大、线路简单等优点，用于驱动小功率的步进电机（绕组电流在数百毫安）。 对于功率较大的步进电机，由于绕组所需要的电流较大、电压高、反电动势也大，因此需要用大功率的的晶体管驱动。 步进电机驱动电路与一般 电气 设备驱动的不同 点 主要有： (1) 各相绕组都是 工作在 开关 状态 ，多数电动机的绕组都是连续的 交流或者直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是离散的。 (2) 电动机的各相绕组是绕在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。 绕组通电时电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。 (3) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该截止的相不能立即截止。 为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。 绕组导通和截止过程中都会产生较大的反向电动势，而截止时的反电动势将对驱动级器件的安全产生十分有害的影响。 (4) 电动机运转时在各相绕组中将产生旋转电动势， 这些电动势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。 由于旋转电动势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电动势越大，绕组电流越小，从而使电动机输出转矩也随着转速升高而下降。 (5) 电动机绕组中有电感电动势、互感电动。