兩相混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文（設 計）</p><p>　　2010屆 電氣工程及其自動化 專業(yè) 班級</p><p>　　題 目 兩相混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)設計</p><p>　　二О一二 年 五 月 二十五 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><

2、;p>　　本文源于解決步進電動機的失步問題。論文在了解步進電動機的特點及工作原理的基礎上，重點研究兩相步進電動機的單片機控制技術。</p><p>　　根據兩相混合式步進電動機的驅動控制特點，本文采用了雙極性驅動方式，通過脈沖分配合理控制繞組中的電流保證步進電動機內部合成磁場的幅值恒定，合成磁場的角度均勻，并在此基礎上設計了一種兩相混合式步進電動機驅動器。</p><p>　　該驅動

3、器以單片機8098為控制核心，選用PBL3717、H橋驅動器件等構成驅動電路，論文從驅動技術方案、硬件電路、控制軟件設計方面進行了詳細地描述。在反饋檢測電路設計時，采用光電編碼器來進行步進電動機的轉速。通過8279擴展鍵盤顯示電路來顯示電動機的轉速和給定速度；另外利用ISD1420語音芯片實現語音報速功能。</p><p>　　最后對所設計的兩相混合式步進電動機驅動器進行了性能測試分析，結果表明：該驅動器達到了系

4、統(tǒng)設計前所提出的各項指標。系統(tǒng)運行安全、可靠、穩(wěn)定。整個系統(tǒng)電路簡單實用、性能優(yōu)良、通用性強。設計原則適用于各種步進電動機，有一定的實用價值。</p><p><b>　　關鍵詞：</b></p><p>　　2相混合式步進電動機，非線性動態(tài)模型，單片機，細分控制</p><p><b>　　Abstract</b><

5、;/p><p>　　This dissertation is about a fundamental research that solve the problem of desynchronizing, Based on the characteristics and the work principle of stepping motor, the paper emphasizes the control tec

6、hnology of stepping motor which controlled by the 8098 SCM.</p><p>　　According to the character, the paper uses dual bridge driving control technology. Through analyzing and establishing the subdivision mode

7、l, this paper controls the winding current reasonably, and guarantees constant magnetic field value, even angle. A new driver for 2-phase stepping motor is designed.</p><p>　　The driver takes single chip 809

8、8 as the control core, selects BPL3717 and H-bridge as the driver circuit. The paper discusses the technology of driver, the hardware and software designing in detail .In order to design the feedback of the current and s

9、peed of 2-phase hybrid stepping motor, using speed monitor to detect the speed of stepping motor. At the same time, using key- board to input the speed and output by LED, which is taken by chip 8279.In the other way, we

10、use pronunciation chip ISD14</p><p>　　At last, a whole test for driver is made. The experiment result indicates that this driver reaches the qualities required. The system runs smoothly and safety. The circu

11、it is simple, and has a good performance. The design principle fits many kinds of stepping motor, and has a good practical value.</p><p>　　Key Words: 2-phase hybrid stepping motor, Nonlinear dynamic model S

12、ingle chip，Subdivision control</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景及主要內容1</p><p>　　1.2.2系統(tǒng)硬件電路2</p><p>　　

13、1.2.3系統(tǒng)控制軟件2</p><p>　　1.3課題關鍵技術2</p><p>　　2 混合式步進電動機工作原理3</p><p>　　2.1步進電動機的分類及特點3</p><p>　　2.1.2性能分析3</p><p>　　2.2混合式步進電動機結構及其工作原理3</p><p

14、>　　2.2.1混合式步進電動機結構3</p><p>　　2.2.2混合式步進電動機工作原理4</p><p>　　3.1步進電動機的驅動概述5</p><p>　　3.1.1一般驅動系統(tǒng)的組成結構5</p><p>　　3.1.2驅動器的特點6</p><p>　　3.2步進電動機驅動技術分析7&

15、lt;/p><p>　　3.2.1單電壓驅動7</p><p>　　3.2.2雙電壓驅動8</p><p>　　3.2.3斬波恒流驅動9</p><p>　　3.2.4細分驅動10</p><p>　　3.2.5雙極性驅動11</p><p>　　4步進電動機控制系統(tǒng)設計11</p

16、><p>　　4.1系統(tǒng)總體概述12</p><p>　　4.2系統(tǒng)硬件13</p><p>　　4.2.1單片機主控制單元電路設計13</p><p>　　4.2.2速度檢測反饋電路15</p><p>　　4.2.3功率驅動電路15</p><p>　　4.2.4系統(tǒng)供電電源17&l

17、t;/p><p>　　4.3.1系統(tǒng)軟件設計的基本原則18</p><p>　　4.3.2主程序設計19</p><p>　　4.3.3步進電動機的速度控制20</p><p>　　4.3.4 8279接口芯片擴展鍵盤、顯示器21</p><p><b>　　結 論28</b></

18、p><p>　　附錄A系統(tǒng)控制總電路圖29</p><p>　　參 考 文 獻31</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景及主要內容</p><p>　　我國步進電動機的研究及制造起始于二十世紀50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校

19、和科研機構為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產品。這些產品以多段結構三相反應式步進電動機為主。70年代初期，步進電動機的生產和研究有所突破。除反映在驅動器設計方面的長足進步外，對反應式步進電動機本體的設計研究也發(fā)展到了一個較高水平。70年代中期至80年代中期成為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動機不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對步進電動機精確模型作了大量研究工作，各種混合式步進電動機及驅動器作為產品廣泛應用。</p><

20、;p>　　步進電動機是一種新型增量式電機，是數字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電動機。步進電動機有多種不同的結構。主要以混合式和反應式為主。混合式步進電動機是在同步電動機的基礎上發(fā)展起來的。既有反應式步進電動機基于氣隙磁導變化的特征，又有軸向恒定磁場的永磁式步進電動機的特征。</p><p>　　步進電動機不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專

21、用的步進電動機驅動器；步進電動機系統(tǒng)的性能，除與電動機自身的性能有關外，還與驅動器性能有關。</p><p>　　步進電動機在低頻運行時的振蕩及過沖問題，嚴重限制了步進電動機的應用范圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外，還可以在驅動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細分驅動等辦法來解決。課題以兩相混合式步進電動機為代表作為研究對象，以先進的驅動技術為研究目的，開發(fā)高性能，高可靠性的驅動器

22、，與兩相混合式步進電動機合理搭配使用，其技術指標如下:</p><p>　　額定電壓：15V一50V</p><p>　　額定電流: 5A以下</p><p><b>　　工作方式: 連續(xù)</b></p><p>　　轉矩輸出: 在一定頻率范圍內恒定</p><p>　　鑒于上述原因，本課題對步進

23、電動機的驅動電源及其驅動控制方式進行應用性研究，做出適合步進電動機運行特性的驅動控制方式及電路，對提高兩相混合式步進電動機系統(tǒng)的性能，推動步進電動機的廣泛應用，發(fā)展新一代高性能混合式步進電動機驅動系統(tǒng)，不僅具有較高的現實意義，而且具有一定的經濟價值。</p><p>　　1.2課題完成的主要工作</p><p>　　1.2.1系統(tǒng)總體方案論證

24、 本文研究了基于單片機的步進電動機控制系統(tǒng)控制技術、控制策略及其實現方法，確定了基于單片機的兩相混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)的總體設計方案。該階段的工作主要包括:</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的論證:廣泛查閱國內外相關技術資料，研究了步進電動機驅動控制系統(tǒng)控制技術、控制策略，并對基于單片機的兩相混合式步進電動機驅動控制系統(tǒng)的各種實現方案進行了論

25、證;</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的設計:從控制器芯片即單片機芯片的選擇，系統(tǒng)硬件控制電路、驅動電路基本框架以到系統(tǒng)基本控制策略的確定等各方面，確定系統(tǒng)的總體設計方案。</p><p>　　1.2.2系統(tǒng)硬件電路</p><p>　　根據已確定的基于單片機的兩相混合式步進電動機控制系統(tǒng)總體設計方案，完成了系統(tǒng)硬件電路的設計、實現以及硬件電路的性能測試工作。該階段

26、的工作主要包括：</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路設計：根據確定的控制系統(tǒng)總體設計方案完成系統(tǒng)硬件電路的設計，如單片機芯片的選擇、驅動集成電路的選擇、系統(tǒng)原理電路的繪制等；</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路性能測試：主要完成系統(tǒng)硬件的電器測試，系統(tǒng)各功能模塊的測試等。</p><p>　　1.2.3系統(tǒng)控制軟件</p><p>　　按照系統(tǒng)技

27、術標準要求和確定的系統(tǒng)控制策略，對系統(tǒng)控制軟件進行合理的分析、規(guī)劃及設計，確定軟件流程，并對系統(tǒng)軟件進行調試運行。該階段的工作主要包括：</p><p>　　系統(tǒng)軟件分析：根據系統(tǒng)的要求以及主控制器的特點對系統(tǒng)控制軟件進行整體的分析和規(guī)劃；</p><p>　　系統(tǒng)軟件與實現：根據系統(tǒng)軟件整體的分析和規(guī)劃，編寫流程圖，逐個實現各功能模塊程序；</p><p><

28、;b>　　1.3課題關鍵技術</b></p><p>　　課題在設計過程中主要解決如下難點和關鍵技術：</p><p>　　1、兩相混合式步進電動機的動態(tài)模型</p><p>　　混合式步進電動機繞組供電情況及運行狀態(tài)較為復雜，難以用解析法來分析其運行性能。近年來仿真模型逐漸成熟，但是由于對混合式步進電動機運行性能指標要求的進一步提高，其對仿真模型

29、的精度的要求也相應提高;所以對繞組電感、電磁轉矩、旋轉電勢等的非線性特性要求有更精確的描述。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)抗干擾技術</b></p><p>　　步進電動機在工作過程中，會產生較大的電磁干擾，引起步進電動機工作狀態(tài)不穩(wěn)，直接影響系統(tǒng)的可靠性。分析單片機控制步進電動機驅動系統(tǒng)中電磁干擾產生原因，在設計初將驅動器的電磁兼容設計與整個系統(tǒng)電磁兼容性緊

30、密聯系起來考慮，采取光電隔離、系統(tǒng)有效監(jiān)控、軟件濾波等方法和措施有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)抗干擾特性。</p><p><b>　　3、控制電路的設計</b></p><p>　　控制電路的好壞直接影響電機的運行效果?？紤]到兩相混合式步進電機驅動器在A、B兩相電路的對稱性，在反饋放大電路設計時，采用光電編碼器檢測速度來實現速度閉環(huán)控制;此外，驅動電路中采用雙極性工作，

31、減少了驅動電源的數量。</p><p>　　2 混合式步進電動機工作原理</p><p>　　2.1步進電動機的分類及特點</p><p>　　步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移的機電元件。步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機。步進電動機的輸入是脈沖信號，它繞組內的電流既不是通常的交流電，也不是恒定的直流電，而是脈沖電流。</p><

32、p>　　從結構特點進行分類，一般常使用的電磁式步進電動機主要類型有旋轉電機——反應式電機、永磁式電機、混合式電機，直線電機——VR型、PM型、HB型。</p><p><b>　　2.1.2性能分析</b></p><p>　　反應式步進電動機在結構上來說，定子上有多相繞組，定子磁極和轉子上開有小齒，定、轉子鐵心可做成單段式或多段式。其齒距角可以做得很小，起動和

33、運行頻率較高。斷電時無定位 力矩，需用帶電定位，消耗功率大。永磁式步進電動機在結構上來說，定子上有多相繞組，但定子磁極上不開齒。轉子用永久磁鋼制成，轉子極數與定子每相的極數相同。其步距角較小，起動和運行頻率較低，斷電時有定位力矩，消耗功率小。</p><p>　　2.2混合式步進電動機結構及其工作原理</p><p>　　2.2.1混合式步進電動機結構</p><p

34、>　　混合步進電動機結構復雜。圖2.1為定子是四相八極，轉子上有50個小齒的典型二相混合式步進電動機的結構圖。轉子由轉子鐵心、永磁材料和軸組成。轉子被分成完全對稱的兩段，一段轉子的磁力線沿轉子表面呈放射形進入定子鐵心稱為N極轉子，另一段轉子的磁力線從定子沿定子表面穿過氣隙回歸到轉子去，稱為S極轉子。為了滿足控制上的需要，從軸向看，N極轉子和S極轉子的齒中心線并不一致，而是彼此錯開半個齒距。除此之外，N極轉子和S極轉子在結構上完全相

35、同。定子上有均勻分布的8個磁極，每個磁極下有5個梳齒。在定子相鄰大極齒的槽內放置繞組。為了和轉子配合，定子也分為兩段，但實際上作為一段處理，裝有兩相對稱繞組，沿定子軸向安裝一塊永久磁鐵，形成N極轉子和S極轉子。兩段定子鐵心使用同一套兩相繞組，實際上相當于一段，從軸向看磁極中心線應嚴格對齊，不允許產生任何錯位。永磁材料為軸向充磁的圓環(huán)形，位于轉子的中部。從它的磁路內含有永久磁鋼這點看，應該說它也是永磁式步進電動機。磁鋼在電動機工作中的作用

36、反映了永磁電動機的特點，另一方面又像反應式一樣，定、轉子表面開有齒槽使步距角做得很小。它是反應式和永磁式步進電動機的結合，可以做成像</p><p>　　圖2.1 兩相混合式步進電動機的結構圖</p><p>　　2.2.2混合式步進電動機工作原理</p><p>　　混合式步進電動機的氣隙磁動勢由兩部分組成:一是由永久磁鐵產生的磁動勢;二是由定子繞組產生的磁動勢

37、。在每一個具體的磁極下，這兩種磁動勢有時相加，有時相減，隨交流繞組中通電的電流方向變化。轉子上均勻分布著50個齒，按角度計算，定轉子的齒寬和齒距應嚴格相等。從電動機的某一端看，當定子的一個極上的小齒與轉子的小齒軸線重合時，相鄰極上的定轉子的齒就錯開1/4齒距。從另一端II來看，如果1極下定轉子齒軸重合，則2極下錯開1/4齒距，3極下則定子齒與轉子槽軸線重合。當轉子上沒有磁鋼或定子繞組不通電時，電動機基本上不產生轉矩，只有轉子磁鋼與定子磁

38、勢相互作用下，才產生電磁轉矩。</p><p>　　兩相混合式步進電動機常見的通電方式有單四拍(A—B———A—)、雙四拍(AB—B——A—AB—)和八拍(AB—B—B————A—A—AB—)等。當定子各相繞組按A—B———A順序通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉子沿方向轉過1/4齒距，即360°/(50×4)=1.8°。轉子的平衡位置為通電相定子磁極從繞組首端，沿繞組前進方向，第1、3磁

39、極與轉子II端齒軸線重合，第2、4磁極與轉子II端槽軸線重合的位置。當定子繞組按雙四拍和八拍通電時，每改變一次通電狀態(tài)，轉子分別轉過1.8°和0.9°。單相通電時，轉子的平衡位置與單四拍運行相同通電狀態(tài)下相同，兩相通電時轉子平衡位置為相鄰二同極性定子磁極分別和與之極性相反的一端轉子齒錯開±1/8齒距的位置。</p><p>　　混合式步進電動機線圈電流產生的異極磁場作用子磁鋼產生的單

40、極磁場，改變了每極磁場的分布，使極間產生了磁位差，該磁位差隨定子通電相序同步變化，它作用于氣隙基波磁導產生轉矩，實現電動機的步進運動。它以軸向磁場為基礎，又受徑向磁場的作用，是基于反應式的工作原理。由于混合式步進電動機是基于反應轉矩工作的，因此可把它看作一臺等效的反應式步進電動機，與反應式步進電動機的差別只是極齒下的磁勢是異性磁勢和單極磁勢的合成。</p><p>　　3步進電動機驅動控制技術</p>

41、<p>　　在混合式步進電動機特點和工作原理的基礎上，本章就步進電動機的驅動控制技術進行了詳細的分析和比較。首先介紹了傳統(tǒng)的驅動方式:單電壓驅動(包括單電壓串電阻驅動)、雙電壓驅動(包括高低壓驅動)和恒流斬波驅動的工作原理及優(yōu)缺點，然后重點介紹了細分驅動方式的原理及其模型。</p><p>　　3.1步進電動機的驅動概述</p><p>　　3.1.1一般驅動系統(tǒng)的組成結構&

42、lt;/p><p>　　步進電動機不像直流電動機、交流電動機一樣，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備——步進電動機驅動器。步進電動機驅動器系統(tǒng)的性能，除與電動機木身的性能有關外，也在很大程度上取決于驅動器的優(yōu)劣。因此，對步進電動機驅動器的研究幾乎是對步進電動機的研究同步進行的。</p><p>　　步進電動機驅動器的主要構成如圖3.1所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、

43、驅動級等各部分組成，用于功率步進電動機的驅動器還需要有多種保護電路。</p><p>　　圖3.1 步進電動機驅動器構成</p><p>　　環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進電動機狀態(tài)轉換表要求的狀態(tài)順序產生各相導通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉換一次。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉換是按正序或者反序轉換，決定了步進電

44、動機的轉向。因此，步進電動機轉速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率的高低。</p><p>　　信號放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級。</p><p>　　信號處理是實現某些轉換、合成等功能，產生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產生特殊功能的驅動。本級還經常與各種保護電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅動輸出。<

45、;/p><p>　　推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅動級的較大的信號。有時推動級還承擔電平轉換的作用。</p><p>　　保護級的作用是保護驅動級的安全。一般可根據需要設置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。</p><p>　　3.1.2驅動器的特點</p><p>　　1．各相繞組都是開關工作，多數電動機繞組都是連

46、續(xù)的交或直流而步進電動機各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的。</p><p>　　2．電動機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以有較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因此影響電動機繞組電流的大小。</p><p>　　3．繞組斷點時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結果使應該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止，必須設計適當的續(xù)流回落。繞組導通和截止都

47、會產生較大的反電勢，而截止時反電勢將對驅動級器件的安全產生有害的影響。</p><p>　　4．電動機運轉時在各相繞組中產生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向將對繞組電流產生很大的影響。由于旋轉電勢基本上與電動機轉速成正比，轉速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉矩也隨著轉速升高而下降。驅動級線路，既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形，同時要保證功率放大器件的安全運行，另外，還應有較高的效率、較小的功耗

48、、較低的成本。這就必須要設計合理的線路，選用合適的功率器件。</p><p>　　目前步進電機常用的驅動方式有單電壓驅動(包括單電壓串電阻驅動)、雙電壓驅動(包括高低壓驅動)、斬波恒流驅動和細分驅動等。以下分別簡單介紹前二種驅動方式的工作原理和優(yōu)缺點。將在后面詳細介紹細分驅動方式。</p><p>　　3.2步進電動機驅動技術分析</p><p>　　3.2.1單電

49、壓驅動</p><p>　　單電壓驅動是指在電動機繞組工作過程中，只用一個方向電壓對繞組供電。其原理圖如圖3.2所示，前面推動級輸出信號In作用于三極管的基級，其集電極接電動機的一相繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。因此，當三極管導通時，電源電壓全部作用在電動機繞組上。歸結起來，單電壓驅動器有如下特點：線路簡單，成本低，低頻時響應較好；有共振區(qū)，高頻時，帶載能力迅速下降。</p><p>

50、;　　圖3.2 單電壓驅動的原理圖</p><p>　　單電壓驅動的致命弱點是繞組導通的回路電氣時間常數較大，致使導通時繞組電流上升較慢、使電機在導通脈寬T接近時繞組電流迅速下降。由于，故要減小電氣時間常數的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對于確定的步進電動機，繞組電感已經確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅動，其原理圖如圖3.3所示。單電壓串電阻驅動的主要缺點是損耗大，效率低

51、。對比前述單電壓驅動，其導通時銅損為，而串電阻后的導通銅損為，所以電源提供的功率大部分都消耗在串聯電阻上。</p><p>　　3.2.2雙電壓驅動</p><p>　　雙電壓驅動的基本思想是在較低頻段用較低的電壓驅動，而在高頻段用較高電壓驅動，原理線路見圖3.4所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉換開關上。當關斷時，低壓電源通過給電路提供驅動電壓，當導通時，高壓電源通過給電路

52、提供驅動電壓，處于反向截止狀態(tài)，低壓電源自動停止供電。</p><p>　　圖3.4 雙電壓驅動的原理圖</p><p>　　高低壓驅動的原理線路如圖3.5所示，初看起來，與雙電壓驅動電路似乎差別不大，但實際上工作過程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動機繞組、低壓管串聯而成。加高壓，加低電壓，電動機繞組回路不串電阻。在每相導通期間，低壓管輸入信號與高壓管輸入信號見圖3

53、.6所示。當為高電平時，該相導通；當為低電平時，該相截止。高壓管的輸入信號是由信號的前沿信號獲得的，前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多，高低壓驅動可保證在很寬的頻段內都能保證相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速釋放，因此能產生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉矩，因此驅動系統(tǒng)可得到較高的響應。</p><p>　　圖3.5 高低壓驅動的原理圖</p><p>　　圖3.6 高低壓管輸入信號<

54、/p><p>　　3.2.3斬波恒流驅動</p><p>　　斬波恒流驅動的電路圖如圖3.7所示。其工作原理為：當環(huán)形分配器輸出導通信號時，輸出高電平使和兩管導通，高電壓經向電動機繞組供電。當電流超過所設定值時，比較器輸入的電流取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉，輸出變低電平，關斷高壓管。此時磁場能量將使繞組電流按原方向繼續(xù)流動，經由低壓管、取樣電阻、地線、二極管Dl構成的續(xù)流回路消耗磁場的能量

55、。此時電流將按指數曲線衰減，逐漸下降。當取樣電阻上得到的電壓小于給定電壓時，比較器又翻轉回去，輸出高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會上升。如此反復，電動機繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數值上，形成小小的鋸齒波。</p><p>　　斬波恒流驅動方式的優(yōu)點是導通相電流不論在鎖定、低頻或高頻工作時都保持額定值。而且低頻共振現象基本消除，在任何頻率下，電動機都可穩(wěn)定運行。</p>&

56、lt;p>　　圖3.7斬波恒流驅動的原理圖</p><p><b>　　3.2.4細分驅動</b></p><p>　　步進電動機各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過程非常簡單，即通電—斷電反復進行。</p><p>　　眾所周知，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。當通電相的電流并不馬上上升到位，而斷電相的電流也

57、并不立即降為0時，它們所產生的磁場合力，會使轉子有一個新的平衡位置，這個平衡位置是在原來的步距角范圍內。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階梯時，轉子轉動一小步。當轉子按照這樣的規(guī)律轉過N小步時，實際上相當于它轉過一個步距角。這種將一個步距角細分成若干小步的驅動方法，就稱為細分驅動。</p><p>　　采用細分驅動的步進電動機具有如下特點：&l

58、t;/p><p>　　1、避免了電機工作時的共振點。步進電動機由其自身原因，導致其電器機械特性在某個頻率下，會產生丟步或跳步現象。采用細分電路后，改善了電器特性，消除了共振點，解決了低頻振蕩問題。細分后，驅動電流的變化幅度減小，故轉子達到平衡位置時的過剩能量也減少。另一方面，控制信號的頻率提高了N倍(細分數)，可遠離轉子的低頻諧振頻率。</p><p>　　2、低頻、低轉速工作穩(wěn)定，轉矩增大，

59、噪聲降低。由于采用了細分電路，在低速工作時電機的加速力矩明顯減小，因為工作力矩=(輸出力矩—加速力矩)，輸出力矩為步進電機靜止時可產生的最大力矩，它的值一般大于工作輸出力矩。由于加速力矩的減小，可以使輸出工作力矩增加，所以細分后電機變得有勁，帶負載能力提高，尤其在啟動和低速狀態(tài)。由于加速度的減小，步進電動機低速運行噪聲也大大減小，改善了工作環(huán)境。</p><p>　　3、在不改變電機內部參數的情況下，減小步距角、

60、減小步進誤差，即提高了分辨率和步距精度。</p><p>　　3.2.5雙極性驅動</p><p>　　雙極性驅動是指對繞組正向和反向通電。兩相混合式步進電動機必須實現雙極性驅動。</p><p>　　為了是兩相混合式步進電動機實現雙極性驅動，最常用的方法是使用H驅動橋。如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 兩相混合式步進電動機的雙

61、極性驅動</p><p>　　4步進電動機控制系統(tǒng)設計</p><p>　　本部分將主要介紹步進電動機的單片機控制系統(tǒng)的硬件及軟件設計，對系統(tǒng)硬件電路的每個主要組成部分的設計進行詳細的分析介紹；對系統(tǒng)軟件的設計思想及各部分軟件的流程作了詳細論述。</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)總體概述</b></p><p>　

62、　本課題所要做的工作是基于單片機的兩相混合式步進電動機控制系統(tǒng)的設計，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設計和系統(tǒng)軟件設計。硬件電路構成原理框圖參見如圖4.1所示。驅動器作為外部信號與兩相步進電動機的接口，接受外部的控制信號，然后驅動步進電機按給定的方式轉動。此驅動器接受外部信號如:正反轉信號、速度改變信號、及脈沖信號后。當接受到這些信號后，執(zhí)行相應的動作。整個系統(tǒng)以8098單片機為控制核心，8098單片機通過對輸入信號判斷比較，輸出存儲器中給

63、定電流波形的控制信號，信號經過PBL3717驅動器驅動兩相步進電動機，該信號和電機繞組中反饋回來的電流信號進行比較，若電流信號大于控制電壓，電路將功放管截止，反之使功放管導通來驅動步進電機。輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。</p><p>　　由圖4.1中可看出，系統(tǒng)按功能可分為以下幾個部分：</p><p>　　圖 4.1 控制系統(tǒng)結構框圖</p><p&

64、gt;　　1.以8098單片機為核心的電路單片機在外部脈沖到來后，輸出控制脈沖信號到DPBL3717以驅動內部H橋電路來驅動步進電動機。通過單片機擴展芯片8279實現鍵盤顯示功能。</p><p>　　2.功率與驅動電路驅動部分采用專用集成驅動芯片PBL3717。一片PBL3717可驅動一個橋臂的上下IGBT管，功率電路設計為H橋式功率驅動電路，所以一相繞組需一片PBL3717?？偣残枰獌善琍BL3717驅動八只

65、IGBT管。</p><p>　　3.保護電路主要是對主功率電路進行保護，當主回路電流高過一定值之后，保護電路輸出信號，該信號電平被送至單片機進行判斷處理。當保護信號為高電平時，驅動芯片PBL3717被封鎖，電動機停止運行，實現保護的目的。</p><p>　　4.給定顯示功能通過單片機的擴展應用電路實現，利用8279實現鍵盤的給定和LED的顯示功能。</p><p&g

66、t;　　5.串行通信電路，采用MAX-232芯片，利用單片機的串行口實現RS-232的串行通信方式。</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　4.2.1單片機主控制單元電路設計</p><p>　　本系統(tǒng)中，通過分析系統(tǒng)的功能和要求，比較各種單片機性能，最終采用8098單片機為控制核心，系統(tǒng)主控制電路圖詳見附錄&

67、lt;/p><p>　　1.8098單片機簡介</p><p>　　8098是Intel公司于1988年推出的96系列準16位單片機，所謂準16位是指片內數據總線采用16位，外部數據總線采用8位。8098單片機具有16位機性能，8位機的價格，并解決了與8位 I/O口接口芯片的匹配問題，因而易于應用和推廣，具有廣闊的前景。</p><p>　　8098單片機的主要性能、特

68、點如下：</p><p>　　★. 16位的中央處理單元CPU；</p><p>　　★. 可直接提供一路脈沖寬度調制輸出PWM;</p><p>　　★. 自帶波特率發(fā)生器的全雙工串行口；</p><p>　　★. 高速輸入、輸出部件（HIS/HSO）；</p><p>　　★. 多用途的并行接口P0、P2、P3和P

69、4；</p><p>　　★. 中斷系統(tǒng)功能；</p><p>　　★. 16位監(jiān)視定時器（WDT）俗稱看門狗；</p><p>　　★. 兩個16位硬件定時器T1、T2；</p><p>　　★. 4個16位軟件定時器；</p><p>　　★. 256個字節(jié)的寄存器陣列和特殊功能寄存器SFR；</p>

70、<p>　　★. 存儲器統(tǒng)一的編址方式。</p><p>　　由上所述，可見8098單片機特別適合用于要求很高的高精度、快速的實時控制場合，8098單片機常常是現場微控制器的理想機種。</p><p><b>　　2. I/O口電路</b></p><p>　　在8098單片機I/O口中，P0口作為輸入口，有ACH7(P0.7)～A

71、CH4(P0.4)共4個引腳。</p><p>　　P2口有4個引腳：TXD(P2.0),串行口輸出；RXD(P2.1)，串行口輸入；EXTINT(P2.2),外部中斷源輸入信號；PWM(P2.5)，脈沖寬度調制輸出（或D/A轉換）。其中，P2.0與P2.1連接MAX-232的輸入和輸出口進行RS-232串行通信方式。</p><p>　　P3口作為地址總線低8位和8位數據總線；接8279

72、的數據端，實現8279擴展鍵盤顯示功能。通過P3.0、P3.1、P3.2連接ISD1420的錄音、放音控制口達到語音報速功能。</p><p>　　P4口作為地址總線高8位。</p><p>　　3. 高速輸入、輸出器（HIS/HSO）</p><p>　　HIS有4個輸入端：HIS.～HIS.3，可同時接收4個引腳的脈沖變化信號；HSO有6個輸出端：HSO.0～H

73、SO.5，可由用戶程序設定在規(guī)定的時刻輸出觸發(fā)信號。通過HSO口連接PBL3717的輸入端以輸入驅動信號，即步進電動機的方向、轉速控制信號。</p><p><b>　　4. 輸入隔離電路</b></p><p>　　光電隔離電路為了是防止步進電動機和驅動電路產生的干擾信號通過輸入輸出接口進入單片機系統(tǒng)而燒毀器件，影響它的正常工作。因此，在輸入輸出口與單片機之間加上以

74、TLP521為主要元件的光電隔離電路，從而提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。TLP521的輸入端信號是單片機控制信號，經TLP521隔離后輸出CP脈沖信號進入PBL3717驅動芯片驅動步進電動機按要求運行，輸入與輸出電平是同相的。TLP521的輸出端用+5V電壓作為提拉，該電壓與單片機控制電路的供電電壓相同。這樣可提高了工作的可靠性。</p><p><b>　　5.晶體振蕩電路</b><

75、/p><p>　　晶體振蕩電路主要給單片機提供時鐘信號。在單片機芯片內部有一個高增益的反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體振蕩器CRYS和微調電容C1、C2形成反饋電路，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。其中CRYS為6M晶體，C1、C2取20pF。</p><p>　　4.2.2速度檢測反饋電路</p><p

76、>　　圖4.2 光電速度檢測電路原理圖</p><p>　　光電編碼盤角度檢測傳感器是一種廣泛應用的編碼式數字傳感器，它將測得的角度位移轉換為脈沖形式的數字信號輸出。其電路原理圖見圖4.2所示。</p><p>　　4.2.3功率驅動電路</p><p>　　驅動電路如圖4.3所示，在本驅動電路中，開關管選用絕緣柵型功率管IGBT。驅動功率IGBT管方面，傳統(tǒng)

77、上采用由分離元件組成的TTL電路、功率管MOSFET、線性運放電路或者混合電路來實現，但這些電路存在的問題是工作頻率上不去，開啟和關斷時間較長，而且元器件多、電路復雜，可靠性也不高，鑒于此，本系統(tǒng)選用了美國SGS公司生產的專用集成驅動芯片PBL3717。</p><p><b>　　圖4.3 驅動電路</b></p><p>　　1. PBL3717功能原理簡介<

78、;/p><p>　　PBL3717是SGS公司設計生產步進電動機單相繞組驅動電路，內部采用是H-橋脈寬調制電路。利用外部邏輯電路構成邏輯分配器或微處理器分配信號，由若干片這種電路和少量無源元件可組成一個完整多相步進電動機驅動程序，可實現整步（基本步距）、半步或微步距控制?？刂品绞绞请p極性、固定OFF（關斷）時間斬波電流控制。下面介紹一下PBL3717引腳功能。它采用16腳雙列直插塑料封裝。1腳和15腳為輸出端，分別接

79、一相繞組線圈兩端；2腳外接RC定時元件；3、14腳是繞組線圈供電電源，可在10～46V范圍內選擇；4、5、12、13腳接地端，可接至熱片；6腳是IC供電電源接 5V；7、9腳用于選擇繞組線圈電流；8腳（為相位輸入端，用于控制轉動方向；16腳外部繞組電流采樣電阻，采樣信號通過RC低通濾波器送至10腳，與內部電壓比較器基準電壓進行比較；11腳外接參考電壓。</p><p>　　PBL3717具有欠壓告警、欠壓封鎖、過

80、流保護之功能等比較完善的保護功能。所以驅動電路選用2片PBL3717驅動兩個H橋。</p><p>　　4.2.4系統(tǒng)供電電源</p><p>　　在一個控制系統(tǒng)內，往往需要不同的供電電壓，如數字TTL，CMOS</p><p><b>　　圖4.5 電源電路</b></p><p>　　器件需要+5V電壓，而執(zhí)行電動機

81、及其驅動電路的供電電壓、電流要求更是各有不同。此外還要求電源體積小、運行可靠、效率盡可能高。所以電源的設計就顯得非常重要。</p><p>　　本系統(tǒng)中要求驅動器的工作電壓范圍10V—50VDC，單片機及邏輯芯片采用5VDC。為了滿足系統(tǒng)要求，本文采用采用三端集成穩(wěn)壓芯片L7805CT及L7812CT設計了如圖4.5所示電路。該電源模塊能為該驅動器提供可靠的電源保證，滿足系統(tǒng)要求，且電路簡單實用。為了保證其能長時

82、間穩(wěn)定工作，安裝時應注意給，LM7805CT及LM7824CT添加大散熱片。</p><p>　　4.2.5語音報速電路</p><p>　　ISD1420為單片語音錄放電路，由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個最小的錄放系統(tǒng)僅由一個麥克風、一個喇叭、兩個按鈕、一個電源、少數電阻電容組成。錄音內容存入永久存儲單元，提供零功率信息存儲，這個

83、獨一無二的方法是借助于美國ISD公司的專利--直接模擬存儲技術（DAST TM）實現的。利用它，語音和音頻信號被直接存儲，以其原本的模擬形式進入EEPROM存儲器。直接模擬存儲允許使用一種單片固體電路方法完成其原本語音的再現。</p><p><b>　　圖4.6 語音電路</b></p><p>　　不僅語音質量優(yōu)勝，而且斷電語音保護。根據ISD1420的語音功能設

84、計如圖4.6所示語音電路。</p><p><b>　　4.3系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　4.3.1系統(tǒng)軟件設計的基本原則</p><p>　　系統(tǒng)中控制任務的實現最終是靠控制軟件來完成的，控制軟件的設計將直接決定整個系統(tǒng)的控制性能。</p><p><b>　　1. 實時性</b><

85、;/p><p>　　單片機必須在一定的時間內，完成一系列的軟件處理過程，如對系統(tǒng)的被控參數(如轉速、轉角等)的反饋信號進行采樣、計算、邏輯判斷和分析，按照規(guī)定的控制算法進行數值計算，輸出各種控制信號，以及對可能出現的故障進行處理。</p><p><b>　　2. 可靠性</b></p><p>　　軟件的可靠性是指軟件在運行過程中避免發(fā)生故障的能

86、力，以及一旦發(fā)生故障后的解脫和排除故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設計時要考慮系統(tǒng)運行過程中可能出現的非正常情況，系統(tǒng)一旦出現故障，要有一定的對策，以防止對系統(tǒng)造成嚴重損失。</p><p><b>　　3. 可維護性</b></p><p>　　一個完整的控制軟件，通常需要一個不斷地設計、調試、修改和完善的過程，才會最終滿足系統(tǒng)所需的功能要求。因此，在軟

87、件的總體設計時，必須要有良好的程序結構設計。</p><p>　　本系統(tǒng)控制軟件采用匯編語言編寫。匯編語言是用符號表示的指令，是對機器語言的改進。匯編語言是直接對硬件操作的語言，因此，每一條匯編語句對應一定的硬件操作，意義明確，調試時十分方便，它具有很高的編譯效率和執(zhí)行效率。本控制系統(tǒng)軟件的主要工作是大量的對硬件進行操作，程序相對短小，運算量也不大，所以建議使用匯編語言編寫程序。</p><p

88、>　　4.3.2主程序設計</p><p>　　系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設計，使程序流程清晰明了。系統(tǒng)主程序主要完成的內容:系統(tǒng)參數初始化、判斷保護信號、打開中斷啟動電機。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.7所示?？梢钥闯?，主程序是一個死循環(huán)，在系統(tǒng)上電初始化完畢后，系統(tǒng)一直在不斷的執(zhí)行這個循環(huán)程序。在循環(huán)過程中，若產生中斷，則程序就轉去執(zhí)行相應的中斷服務程序。在后面將逐一介紹中斷服務程序，功能子程序等的設計。<

89、/p><p>　　圖4.7 主程序流程圖</p><p>　　4.3.3步進電動機的速度控制</p><p>　　步進電動機的速度控制通過控制單片機發(fā)出的步進脈沖頻率來實現。對于用軟件實現脈沖分配，可以采用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現調速。根據調速原理，控制步進電動機速度的方法可有兩種：</p><p>　　1. 通過軟件延時的方法。改變延

90、時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時，因此沒有實用價值。</p><p>　　2. 通過定時器中斷的方法。在中斷服務子呈現中進行脈沖輸出操作，調整定時器的定時常數就可</p><p>　　本系統(tǒng)軟件延時的方法實現調速，從HSO.0通道輸出連續(xù)脈沖信號。在50H單元存放脈沖處于“1”電平時間值（單位為2），52H單元存放脈沖處于“0”電平時間值（單

91、位為2）。改變50H和52H單元的內容，就可以改變脈沖輸出的頻率及占空比。</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　??；主程序</b></p><p>　　ORG 2080H</p><p>　　OUPSS: LD SP,#00C0H

92、 ;設棧指針</p><p>　　DI ;關中斷</p><p>　　ORB INT-MASK,#8H ;允許HSO中斷</p><p>　　LD TEMP,#HSO-INT ;送HSO中斷服務程序入口地址</p><p>　　ST TEMP,2006H

93、[0]</p><p>　　ADD 54H,T1,52H ;計算上跳變時刻</p><p>　　SCALL LDCAM ;調CAM裝載子程序</p><p>　　EI ;開中斷</p><p>　　HERE: SJMP H

94、ERE ;等待中斷</p><p><b>　　；中斷服務程序</b></p><p>　　HSO-INT: PUSHF ;保護PSW，同時清PSW</p><p>　　SCALL LDCAM ;調CAM裝載子程序</p><p&g

95、t;　　POPF ;恢復PSW</p><p>　　RET ;返回主程序</p><p><b>　?。籆AM裝載子程序</b></p><p>　　LDCAM: LDB HSO-COMMAND,#20H ;1→HSO.0

96、</p><p>　　LD HSO-TIME,54H</p><p>　　ADD 54H,50H ;計算下跳變時刻</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　NOP ;空操作</p>

97、;<p>　　LDB HSO-COMMAND,#10H ;0→HSO.0并產生HSO中斷</p><p>　　LD HSO-TIME,54H</p><p>　　ADD 54H,52H ；計算上跳變時刻</p><p><b>　　RET</b></p>

98、<p>　　其它高速輸出口(HSO)的連續(xù)脈沖信號的產生程序可依據如上程序寫入。這樣可通過改變輸出脈沖的頻率達到控制步進電動機速度和方向</p><p>　　4.3.4 8279接口芯片擴展鍵盤、顯示器</p><p>　　8279是Intel公司生產的通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口芯片。利用8279，可實現對鍵盤/顯示器的自動掃描，并識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，這樣可以大大節(jié)省C

99、PU對鍵盤/顯示器的操作時間，從而減輕CPU的負擔，而且顯示穩(wěn)定，程序簡單，不會出現誤動作。主程序框圖如圖4.8所示。</p><p><b>　　圖4.8主程序框圖</b></p><p>　　圖4.9 中斷服務子程序框圖</p><p><b>　　;主程序</b></p><p>　　STAT

100、US EQU 7FFFH</p><p>　　DATA EQU 7FFEH</p><p>　　AX EQU 20H</p><p>　　AL EQU 20H</p><p>　　AH EQU 21H</p>

101、;<p>　　BX EQU 22H</p><p>　　BL EQU 22H</p><p>　　BH EQU 23H</p><p>　　CX EQU 24H</p><p>　　CL

102、EQU 24H</p><p>　　CH EQU 25H</p><p>　　DX EQU 26H</p><p>　　DL EQU 26H</p><p>　　DH EQU 27H</p><p

103、>　　EX EQU 28H</p><p>　　EL EQU 28H</p><p>　　EH EQU 29H</p><p>　　FX EQU 2AH</p><p>　　FL EQU

104、2AH</p><p>　　FH EQU 2BH </p><p>　　LD AX,#200EH</p><p>　　LD BX,#3000H</p><p>　　ST BX,[AX]</p><p>　　LDB BL,#0DEH</p>

105、<p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,#00H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,#34H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p&

106、gt;　　LDB AH,#00H</p><p>　　LDB AL,#00H</p><p>　　LDB AH,#00H</p><p><b>　　EI</b></p><p><b>　　;中斷服務程序</b></p><p>　　LDB

107、 BL,#40H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,DATA[R0]</p><p>　　STB BL,[EL]</p><p><b>　　CLRC</b></p><p>　　SUBB

108、 BL,#38H</p><p>　　JC L1</p><p>　　LDB BL,[AH]</p><p>　　SHRB BL,#01H</p><p>　　JNC L2</p><p>　　INCB AL</p

109、><p>　　LDB BL,[AL]</p><p>　　SHRB BL,#01H</p><p>　　JC L3</p><p>　　LDB BL,[EL]</p><p>　　STB BL,[EH]</p><

110、;p>　　INCB [FL]</p><p>　　L8: LJMP L4</p><p><b>　　EI</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　L3: LDB BL,[EL

111、]</p><p>　　STB BL,[DL]</p><p>　　LDB [FL],#80H</p><p>　　LJMP L8</p><p>　　L1: CLRC</p><p>　　SUBB BL,#38H</p&g

112、t;<p>　　JNZ L5</p><p>　　INCB AH</p><p>　　LDB BL,[DH]</p><p>　　SHRB BL,#04H</p><p>　　ANLB BL,#0FH</p><p&