基于单片机的步进电动机驱动控制器设计论文

基于单片机的步进电动机驱动控制器设计论文内容摘要：

所以绕组电流不是连续的 2．电动机各 相绕组都是绕在铁心上的线圈所以都有较大的电感绕组通电时电流上升率受到限制因此影响电动机绕组电流的大小 3．绕组断点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电流截止的相不能立即截止为使电流尽快截止必须设计适当的续流回落绕组导通和截止都会产生较大的反电势而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响 4．电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势这些电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势基本上与电动机转速成正比转速越高电势越大绕组电流越小从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降驱动级 线路既要保证绕组有足够的电流电压及正确的波形同时要保证功率放大器件的安全运行另外还应有较高的效率较小的功耗较低的成本这就必须要设计合理的线路选用合适的功率器件 驱动级的功率放大器件有中功率晶体管大功率晶体管大功率达林顿晶体管可控硅可关断可控硅场效应功率管双极型晶体管与场效应功率管的复合管以及各种功率模块等 目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动 包括单电压串电阻驱动 双电压驱动 包括高低压驱动 斩波恒流驱动和细分驱动等以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点将在后面详细介绍细分驱动方式 24 步进电 动机驱动技术分析 241 单电压驱动 单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中只用一个方向电压对绕组供电其原理图如图 26所示前面推动级输出信号 In作用于三极管的基级其集电极接电动机的一相绕组绕组另一端直接与电源电压连接因此当三极管导通时电源电压全部作用在电动机绕组上归结起来单电压驱动器有如下特点线路简单成本低低频时响应较好有共振区高频时带载能力迅速下降 单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数较大致使导通时绕组电流上升较慢使电机在导通脉宽 T 接近时绕组电流迅速下降由于故要减小电气时间常数的方法是减小绕组的 电感或增加绕组回路的电阻 R 对于确定的步进电动机绕组电感已经确定因此在电路中只有用增加回路电阻的方法即单电压串电阻驱动其原理图如图 27 所示单电压串电阻驱动的主要缺点是损耗大效率低对比前述单电压驱动其导通时铜损为而串电阻后的导通铜损为所以电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上 242 双电压驱动 双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动而在高频段用较高电压驱动原理线路见图 27 所示电源直接接到由大功率管和二极管组成的电源转换开关上当关断时低压电源通过给电路提供驱动电压当导通时高压电源通过给电路提供驱动电压处 于反向截止状态低压电源自动停止供电 高低压驱动的原理线路如图 29 所示初看起来与双电压驱动电路似乎差别不大但实际上工作过程截然不同图中所示为每相的单元线路主回路由高压管电动机绕组低压管串联而成加高压加低电压电动机绕组回路不串电阻在每相导通期间低压管输入信号与高压管输入信号见图 210 所示当为高电平时该相导通当为低电平时该相截止高压管的输入信号是由信号的前沿信号获得的前沿与同步但脉冲宽度要比小得多高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流在截止时又能迅速释放因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩因此驱动系统可得到较高的响应 25 本章小结 [12]图 31 中表示单片机的典型结构图由于单片机的高度集成化缩短了系统内的信号传送距离优化了结构配置大大地提高了系统的可靠性及运行速度同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用 [1314] 图 31 典型单片机结构图 312 单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时需要与外界交换信息人们需要通过人机对话了解系统的工作情况和进行控制单片机芯片与其它 CPU 比较功能虽然要强得多但由于芯片结构引脚数目的限制片 内 ROMRAMIO 口等不能很多在构成实际的应用系统时需要加以扩展以适应不同的工作情况单片机应用系统的构成基本上如图 32 所示 图 32 单片机的应用系统 单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况可以分为最小应用系统最小功耗系统典型应用系统本设计是设计一款最小应用系统最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统这种系统成本低廉结构简单常用来构成简单的控制系统如开关量的输入输出控制时序控制等对于片内有 ROMEPROM 的芯片来说最小应用系统即为配有晶体振荡器复位电路和电源的单个芯片对与片内没有 ROMEPROM 芯片来说其最小应用系统除了应配置上述的晶振复位电路和电源外还应配备 EPROM 或 EEPROM 作为程序存储器使用 [1516] 313 AT89C52 简介 AT89C52 的主要参数如表 31 所示 表 31 AT89C52 的主要参数 型号 存储器 定时器 I0 串行口 中断 速度 MH 其它特点 E2PROM ROM RAM 89C52 8K 128 2 32 1 6 24 低电压 AT89C52 含 E2PROM 电可编闪速存储器有两级或三级程序存储器保密系统防止 E2PROM 中的程序被非法 复制不用紫外线擦除提高了编程效率程序存储器E2PROM 容量可达 20K 字节 AT89C52 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压高性能 CMOS8 位微处理器俗称单片机该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C5 是一种高效微控制器为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价 廉的方案 [1718] 图 33 单片机的引脚排列 1 主要特性与 MCS51 兼容 K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写擦循环全静态工作 0Hz24Hz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 RAM 32 可编程 IO 线 两个 16 位定时器计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 IO 口每脚可吸收 8TTL 门电流当 P1 口的管脚第一次写 1 时被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据地址的第八位在 FIASH编程时 P0 口作为原码输入口当 FIASH进行校验时 P0 输出原码此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 IO 口 P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后被内部上拉为高可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时将输出电流这是由于内部上拉的缘故在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2口 P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向 IO 口 P2 口缓冲器可接收输出 4个 TTL门电流当 P2 口被写 1 时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入并因此作为输入时 P2口的管脚被外部拉低将输出电流这是由于内部上拉的缘故 P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时 P2。