步进电机驱动电路范例6篇

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步进电机驱动电路

步进电机驱动电路范文1

PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP16封装,适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1相励磁,2相励磁,1-2相励磁三种励磁方式之一),每相最小的拉电流和灌电流为20mA,它不但可满足后级功率放大器的要求,而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路,抗干扰能力很强,其原理框图如图1所示。

在PMM8713的内部电路中,时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法:双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式如图2(a)所示,其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时,其连线方式如图2(b)所示,该图中的CK为时钟脉冲输入,步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。

片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测;而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号。

2 SI-7300A的结构及功率驱动原理

SI-7300A是日本三肯公司生产的高性能步进电机集成功率放大器。该器件为单极性四相驱动,采用SIP18封装,其结构框图如图3所示。

步进电机功率驱动级电路可分为电压和电流两种驱动方式,电压驱动方式有串联电阻驱动和双电压驱动两种,其中串联电阻驱动在相绕组中串联了一定阻值和功率的电阻。为了维持步进电机的相电流,通常要提高驱动绕组的相电压,因此绕组串联电阻驱动方式效率较低,但方法简单,成本低,故在实际驱动电路中使用较多。双电压驱动在每相绕组导通时,首先施加高电压VH使电流快速上升,当电压上升到规定幅值时,将高电压VH切断,此时,回路以低电压VL维持,电路驱动效率可大大提高,但因采用高低两种驱动电源,且电源切换的控制电路比较复杂,因而较少采用。电流驱动方式最常用的是PWM恒流斩波驱动电路,也是专用集成电路中最常用的能获得高性能的驱动方式,其中一相的等效电路图如图4所示。步进电机使用较高电压的电源时,绕组电流几乎可以近似直线地上升到预定值,此时由流过RS的检测电流去控制一个斩波控制电路即可关断T1,从而使绕组电流在续流回路(L、D1、T2、RS、)中续流并下降。当电流下降到规定时间后(达到某一电流)由脉冲电路产生脉冲至斩波控制电路可使T1接通,如此反复(由T1的反复开关)对绕组电流进行斩波控制,就可使电流平均值趋于恒定。外接稳压二极管D2、D3可用作嵌位保护和内部集成续流回路(外接检测电阻RS),从而避免T1开关所引起的尖峰感应电动势所造成的尖峰电压T1的危害。

3 在步进电机中应用

步进电机是常用的执行机构,它用脉冲频率控制转动速度,而用脉冲的数目来决定转动的角度。由于拖动负载大小不同,因此,仅仅接上电源是无法工作的,而必须接上相应的驱动器才能工作。驱动器的输出可为电机各相提供相应通电顺序的励磁电流。实际上,步进电机的工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和参数。步进电机可分为PM型、VR型和HB型三种。其相数有两相,三相、四相、五相、六相等,常用的有两相或四相混合式步进电机。

由SI—7300A、PMM8713和80C51构成的步进电机驱动电路如图5所示,图中,PD端为SI—7300A输出电流IO的控制端,可以悬空或接高电平,当接高电平时可以适当提高SI—7300A的输出电流IO。步进电机的旋转方向和旋转速度可通过80C51的键盘输入,同时通过软件可编程控制并行I/O 口P1.0和P1.1,以输出相应频率的脉冲来控制步进电机。步进电机采用42BYG009型时,驱动电压为24V,此时该功率驱动电路的矩频特性如图6所示。

图5

步进电机驱动电路范文2

关键词:单片机 控制电路 步进电机 驱动模块

中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2016)10-0019-02

1 前言

近年来,步进电机在多个领域得到了开发和应用,并取得了良好的使用效果。步进电机是一种常见的执行元件无论是结构还是操作方法,都比较简单,其性能也与工业生产控制要求相适应,在工业技术中对其进行应用,已是一种既定的趋势。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时挥着重大的用途。与此同时步进电机调控也发生了相应的升级和转变,本文对单片机和步进电机进行同步应用,以控制软、硬件,不断提高步进电机工作效率。

2 单片机的应用意义及原则

2.1 单片机的应用意义

单片机与步进电机进行同步应用,既能够满足工业生产要求,又是步进电机电路设计过程中的基本诉求。单片机的性质是集成电路芯片,以具体技术为依托,对中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统和定时器等子系统功能进行实现。它能够对数据信息进行收集、分析和处理,在步进电机控制系统中极具应用优势,达到良好的应用效果。

首先,提高步进电机性能。依据实际情况,对反应式、永磁式和混合式等步进电机类型进行合理选择,充分发挥它的设计功能,适应社会需要。如果对该三种反应原理进行单一应用,步进机将丧失其整体性能,也会对步进电机的工作质量产生不同程度的影响,使它的应用效果大打折扣。单片机能够依据步进电机的工作环境、运动特性、控制性能和实际功用等,对它进行局部性的优化和升级,以补强步进电机控制系统整体,实现步进电机结构层面上的一体化,充分发挥它的使用性能,为工业生产提供物质及技术支持。

其次,降低步进电机维护及保养成本,节省资金。步进电机的材质一般比较昂贵。接收电信号脉冲之后,长期工作周期背景下,运动轨迹会发生明显变动。对步进电机的使用效果和结构产生直接性影响,产生裂纹或在记录过程中出现失误,使步进电机维护更加困难。在实际应用中需要在特定周期内,对步进电机进行维护和保养,确保其具备良好的应用效果及安全性。单片机能够从结构和功能上对步进电机进行协调,使电机不再受局部区域干扰,避免出现运动差错,对步进电机的维护和保养成本进行有效控制,实现资源节约。

2.2 单片机在步进电机电路中的实用性原则

设计单片机步进电机控制系统的时候,需要考虑资金要素,要依实际情况,对设计成本进行有效控制,减少不必要的资金浪费,使单片机在步进电机电路中得到充分应用。

3 步进电机概述

3.1 步进电机发展

步进电机别名阶跃电动机或脉冲电动机,它能够对脉冲信号进行转换,使其成为角位移或直线位移电机,也使它的分析过程更加便利。该种步进电机发展较早,无论是位移量与脉冲数,还是位移速度与脉冲频率都呈现正相关。

步进电机的最初研发时间是上世纪二十年代,距今已有很长年限。上世纪五十年代,人们开始在步进电机上对晶体管技术进行应用,实现了对步进电机的数字化控制,使其控制过程更加快捷便利。此后,研究人员再次对步进电机性能进行升级和改善,使其具备分解性、响应性、精度性和可依赖性等多方面优势。加之,微电子技术和计算机技术的发展,自动化控制系统中开始对步进电机进行频繁应用,使其逐渐成为机电一体化中的重要执行元素。步进电机的优势非常明显,它既能够提升工作效率,实现自动化,也能够使位置控制更加快捷、准确,不断提高生产效率,实现经济效益最大化[1]。

步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中,因为步进电机不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小,无法满足需要,在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展,步进电动机已经能够单独在系统上进行使用,成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机,在这个应用中,步进电动机可以同时完成两个工作,其一是传递转矩,其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用,步进电机也可以并用在其他的机械上,比如作为自动送料机中的马达,作为通用的软盘驱动器的马达,也可以应用在打印机和绘图仪中等等。

3.2 步进电机的工作原理

定子和转子是步进电机的主要元件。正常工作状态下,如果有电流经过,定子绕组会产生一个矢量磁场,继而对转子产生带动,使其在具体作用下旋转,转子和定子的磁极磁场方向会发生偏差,形成相应的角度。步进电机主要对通过定子绕组的电流进行支配,实现转子旋转角度控制。一旦输入脉冲信号,转子即发生偏转,即步距角。完成脉冲信号给出规律设定之后,电流的通过将会更具规律性,而转子也会有规律的进行持续转动,对电机进行带动,使步进电机实现工作。如图1所示,步进电机结构。

传统电动机的转动具有持续性特征,控制难度相对较大。当前的步进电动的驱动方式是数字信号,能够依据实际情况,对它的定位和运转等使用状态进行有效调节。我们对输入脉冲的电机绕组通电顺序、频率和数量等进行合理调整,对步进电机接受脉冲信号而旋转指定的角度进行科学合理的指挥,使其满足最初诉求。如今,步进电机的正常运行得益于脉冲信号。如果没有输入脉冲信号,步进电机将处于定位状态。单片机能够对步进电机这一特性进行有效控制。对单片机和步进电机进行同步应用,有助于提高其生产效率。传统电动机的主要功用是能量转换,而步进电机则作为电路控制元件存在,极具精确性,对人们日常生产和生活具有正向性影响。

4 基于单片机控制步进电机电路的设计

步进电机可以以硬件系统实现控制。但是,基于市场因素考虑,硬件系统不具备经济性,而它的各项功能也不具备适用性。一旦发生设计变更,则需要对硬件电路进行整体性修改,加大了工作负担,很难实现便利性。单片机具备可直接编程优势,能够对运算功能进行有效执行,在具体应用过程中,可对步进电机进行适应性控制,对具体的转向、步数和速度等进行合理调节。借助软件的更改,能够满足不同设计诉求。设计人员对显示电路和键盘电路进行有效结合,能够进行人机交换,最大程度降低外部干扰,使其更加可靠、高效。

4.1 系统硬件设计

4.1.1 单片机最小系统

电路设计中离不开单片机最小系统设计,它是步进电机电路的起始部分。主要功能是生成步进电机转动需要的脉冲,并对其加以控制。我们可以借助单片机的软件编程功能,对步进电机所需要的信号进行输出,使单片机输出脉冲数与步进电机旋转角度呈现正相关,单片机输出脉冲频率与步进电机转动速度也呈现正相关。同时,单片机也能够对电流值进行有效处理,并借助数码管明确显示电机的转速和方向。

单片机的主要模块有复位电路和晶体振荡电路。如图2所示,单片机最小系统线路图。

P0口主要对数码管显示情况进行控制,使其显示结果更加明确,且极具准确度;P1口着重控制步进电机中单片机的编程,使芯片处于良好的读写状态;P2口作为数码管位选,对公共端工作进行有效控制。同时,它也能够对扫描电路键盘工作情况进行合理控制。P3口着力于模数转化成芯片的工作控制[2]。

4.1.2 数码管显示电路

数码管显示模块的主要显示内容有步进电机选择速度、旋转方向、步进电机电流通过情况。该设计中,借助数码管对设计进行显示,直接点亮数码管,实现位选部分,对单片机控制端的地输出电压问题进行有效控制。因而,需要将辅助三极管添加到位选和单片机控制端。

4.1.3 串口通信模块

串口通信模块的应用原理是对计算机和单片机进行连接,实现二者之间的信息交互和流通。它的应用原理是借助计算机对程序进行编程,然后对程序进行复制,在单片机芯片中对其进行应用。

4.1.4 电机驱动模块

步进电机的信号功率比较小,很难对电机进行驱动,使其运行。因此要添加电机驱动模块,使步进电机信功率不断放大。集成的驱动芯片价格比较低,控制难度相对较小,可以将其作为核心元件应用到电机驱动电路设计中。

如图3所示,该电机驱动电路中,电机驱动核心由驱动芯片L298和其周围的电路组成,L298N的管脚IN1,IN2,IN3,IN4和ENA,ENB与单片机的I/O端口P1口的六个管脚依次连接相连,接收脉冲信号。L298N的OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机的一相。其中IN1,IN2,IN3,IN4管脚接输入控制电平,控制电机的正反转。ENA,ENB控制使能端,控制电机的停转。而控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期,即在升速过程中,使脉冲的输出频率逐渐增加;在减速过程中,使脉冲的输出频率逐渐减少。该种连接模式和驱动芯片与单片机和步进电机之间的串联模式相符合,使电路控制和操作更加简单和便利。

4.1.5 独立按键电路

内部电路中的按键是独立的,在单片机端口上对其进行连接。将其作为外部性按键,使内部各项模块具有较好的中断功能,以对步进电机旋转方向进行科学合理的选择,并对它的速度进行科学调控,使其电流呈现良好的现实状态,对步进电机进行合理控制。它属于步进电机电路设计中的辅装置,具有不可或缺的重要作用。

4.2 系统软件设计

软件系统主要为硬件系统电路设计提供依托和支持。依据单片机本身的性质和特点,对系统软件进行合理编程和读写,以充分体现出设计功能,并对其进行合理更改,实现电路控制。系统软件设计与硬件系统电路设计具有紧密相关性。软、硬件中的任一设计模块都直接关乎最终设计效果和步进电机电路的整体运行状态。因而,需对系统软件设计进行合理把控,以提升其整体性能。

4.2.1 红外线编码

遥控器编码形式是32位二进制码组,前16位是用户识别码,能够对不同的电器设备进行有效区分,避免不同机种遥控编码相互干扰。该芯片用户识别码固定高8位地址和低8位地址分别为OBFH和40H,后16位则是8位操作码和它的反码。单片机接收红外线之后,可按以下方式开展解码工作:中断信号产生-EA清零-延时短-等待高电平-延时不足4.5ms-再次等待高电平-延时0.84ms-P3.2脚电平值读取,对32位代码进行依次读取,前16位是识别码,后18位中,数据码和数据反码均为8位[3]。

4.2.2 步进电机程序

步进电机程序设计的基本诉求是对旋转方向进行判断,再依据正确的顺序,将其传送给控制脉冲,继而对所需控制步数进行判定,观察其具体传动情况,直至将要求控制步数传送完毕。分别将步进电机和单片机作为具体执行元件和控制器,并将检测元件定义为光敏电阻传感元件背景下的传感器。而手动输入信号则是手动按钮,以红外遥控装置开展遥控操作,对时钟控制和状态显示的步进电机控制系统进行综合限定辅助,使步进电机的手动、自动和遥控多功能操作更加便利,保障其可靠性。

5 程序原理分析

5.1 程序设计思路

依据电路设计,单片机的输入和输出分别为P1口的前6个管脚和P1口的后2个管脚及P2口的前4个管脚。首先,主程序部分向驱动电路输出4路高电平,停转电机。继而对定时器T0的具体工作模式和允许中断位置高电平进行合理设置,将“停转”状态显示点亮,然后进行按键扫描,按下按键之后,实现程序段跳转。如果没有按下按键,即会回归到程序的初始部分。正转部分需对正转状态指示进行点亮,然后执行起始脉冲输出,继而对按键进行扫描,并对不同状态下的执行情况进行合理判断,调配到定时器T0赋初始值子程序,对累加器A中的数值进行累加。几经循环,使步进电机处于正转状态。反转部分的设计过程亦是如此。加速和减速中,对定时时间进行改变,即可实现定时器定时初始值更改。

5.2 设定定时器计数初始值

程序设计中对定时器T0的定时中断进行选用,以实现步进电机细部性时间控制。对T0的定时时间进行更改,即可改变步进电机转速。假定步进电机的步距角为7.5°,转一圈耗费的脉冲数量为48。将转速假设为N(r/min),而每一分钟脉冲数据输送数量为48N,每送一个脉冲信号需要花费的时间为s。

定时器T0的技术初值为。将步进电机最低转速假定为20r/min,最高转速为100r/min,速度级的界定为5r,共17级。

6 结语

步进电机在应用层面极具优越性,在工业设备中已经得到了广泛应用,有助于提高生产质量及效率。我们要结合具体操作背景,对单片机的优越性进行重点分析,在步进电机电路控制系统中对它进行全面应用,使步进电机工作性能得到充分提升。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。

参考文献

[1]洪新华,陈建锋,等.基于单片机的步进电机控制系统的设计[J].湛江师范学院学报,2010,(06):84-87.

[2]令朝霞.基于单片机的遥控步进电机控制的设计[J].自动化技术与应用,2012,(04):78-80+91.

[3]刘建南.基于单片机的步进电机控制系统的设计研究[J].科技广场,2016,(03):61-63.

步进电机驱动电路范文3

关键词 步进电机;单片机;速度控制

中图分类号 TM383.6 文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)17-0101-02

传统的步进电机控制方法是由触发器产生控制脉冲来进行控制的,难于实现人机交互,,而且传统的触发器构成的控制系统,控制电路复杂、控制精度低、生产成本高等。以微电子芯片为控制核心,以电力电子功率变换器为执行机构,在自动控制理论的框架下组成的控制系统,能通过控制电机转速或转矩进而控制生产机械或运动部件按照人们所希望的规律运动。克服了传统控制器的缺点,满足工业生产新的控制要求。如今各领域步进电机无处不在,应用领域涉及机器人,工业电子自动化设备、医疗器械、广告器材、计算机外部应用设备等。高精度,实时监控的步进电机控制系统具有重要意义和实用价值。

1 系统原理

步进电机控制系统主要由AT89S51单片机及单片机工作电路和放大电路组成。采用8155作为AT89S51单片机的扩展I/O口来连接键盘和LED显示器。单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别连到步进电机的A、B、C三相绕组,单片机的控制信号经信号放大驱动电路输出到步进电机绕组就可以驱动步进电机运转。系统在LED显示器的提示下,由键盘设置步进电机运行的转速和步数;由各个功能键控制系统的运行,按启动键后,步进电机按照输入的参数运行。

2 系统的硬件构成

2.1 步进电机的驱动电路设计

系统的输出通道也就是控制步进电机的通道,由于AT89S51的P1口作为输出通道的控制端口,采用三相六拍的步进电机进行并行控制需要单片机P1口中的三位P1.0、P1.1、P1.2,分别接三相步进电机的A、B、C三相。步进电机的脉冲分配由单片机通过软件控制构成环行分配器,功率放大器选用单电压功率放大电路。当单片机I/O口输出为1时,经反相器74LS14后变成低电平,发光二极管不发光,光敏三极管截止,从而使三极管截止,电机绕组不通电,反之单片机I/O口输出为0时,经反相器后变成高电平,三极管导通,电机绕组通电。循环使三个绕组通电就可以驱动电机,只要按照一定的顺序改变三位I/O口的通电的顺序就可以控制步进电机按照一定的方向转动。单片机与电机驱动电路之间加入光电隔离,使驱动步进电机的电压和单片机控制系统的电压之间不会互相影响,具有更好的抗干扰能力,而且更好保护单片机。电阻起限流作用。续流二极管使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管而衰减掉,从而保护了步进电机,也保护了功率管不受损坏。外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。与续流二极管串联的200Ω电阻可减少回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。

2.2 键盘电路设计

键盘分为参数设定、正/反转和启动、停止等功能操作。在开始运行之前要求输入步进电机匀速的运行速度和运行的总步数,所以要进行按键输入数值以传入参数。为了实现系统的启动、停止和正、反转,要设置相应的按键和开关进行功能键处理。

2.3 显示电路设计

采用发光二极管 LED作为显示器件,通过单片机I/O扩展芯片8155来点亮LED数码管的。点亮LED数码管之前,需将数字码转换为笔划信息。系统选用动态显示方式。8155A的PB0~PB7作为段选码口,经驱动器与LED的段相连。8155的PA4~PA7和PC4作为位选码口,经驱动器与LED的位相连。在扫描过程中,在某一瞬间,只让某一位的字位线处于选通状态,其它各位的字位线处于断开状态。同时,字段线上输出相应位要显示字符的段选码。这样在每一瞬时,5位LED中只有选通的那一位LED显示出字符,而其它4位则是熄灭的。同样,在下一瞬时,只显示下一位LED。如此继续,等5位LED都依次显示完毕后,循环进行。

3 系统的软件设计

系统的软件设计包括:主程序、中断子程序、键盘子程序、显示子程序、报警子程序、步进电机控制子程度。在系统上电后,首先对系统进行初始化,然后扫描键盘,使最低位LED显示器显示“0”,以提示输入数据。如果按下输入参数键,可以输入参数,则显示该输入的数值并对连续的输入的数值进行处理,直到输入“确认”键确认后表明参数值设定完毕,在内存中保存该参数,进行其它的处理。通过键盘可以进行正、反转的设置,如按下一次正/反转键,则变量值改变一次,即每按下一次正/反转键,系统的设置在正、反转之间进行转换,相应的在显示器上显示设置的是正转还是反转。用户可以通过键盘查询参数的值,在待机状态下连续按两次参数键,则在LED显示器上显示出输入的参数值,以供用户查询输入的参数正确与否。

4 结论

基于单片机的步进电机控制系统实现了键盘进行输入运行参数、启动、停止等操作。显示器能够显示输入数据及运行状态。通过键盘的输入,控制电机带动负载进行预定的工作,实现对角位移或线位移的控制。系统采用单片机等能完成专门功能的控制器和控制电路,使得单片机对电机的控制更易实现,性能价格比更高。步进电机采用升降速控制,避免了以要求的速度直接启动时因该速度已超过极限启动频率不能正常启动,并且可能发生丢步或根本不运行以及停止时发生偏移的情况。本设计的步进电机单片机控制系统实现了步进电机速度控制,大大改善了步进电机的运行的平稳性,减小了驱动器的体积,增强了抗干扰性能,从而拓展了步进电机系统的应用范围,可以满足更多场合的需要。

参考文献

[1]P.Krishnamurthy,F.Khorrami.Voltage-fed permanent-magner stepper motor control viaposition-only feedback[J].Control Theory Appl,2004,7:499-510.

步进电机驱动电路范文4

关键词:步进电机;自动控制;手动;遥控

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载情况下,电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角。由于这一关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单,更加方便用户的应用与掌握。

随着信息技术的飞速发展,无线通信技术正在向各个领域渗透,特别是利用红外线进行通信,无论从小型化、轻量化、还是从安全性等方面考虑,其可行性都比较高。本文主要研究步进电机在手动、自动控制模式下,通过增加红外遥控模式以实现步进电机的多功能操作。

1 控制器组成

为了能够实现步进电机的手动、自动及遥控等多功能操作模式,设计出如图1所示的系统组成原理图。由图1知,该系统主要由传感器、A/D转换器、手动输入控制、红外线接收与发送电路、时钟控制电路、显示电路、电机驱动、步进电机及单片机控制器等部分组成。

其中手动输入控制电路主要用来实现系统参数的设置,以便在手动模式下控制电机的正反转;时钟控制电路一方面用来提供时钟信息,另一方面可以实现步进电机的定时启动与停止;传感器及A/D转换电路主要实现自动状态时,根据外部的检测信号,通过软件开发实现不同要求下步进电机的自动运行;红外发送与接收电路主要负责发送外部红外控制信息及接收遥控器发送来的控制信息,并送给单片机控制器进行解码,从而发出控制命令;显示电路主要实现对系统运行过程中的状态信息及工作模式进行显示;单片机控制器是系统的核心部件,完成对输入信号的采集,通过预先设置的算法进行运算、判断及处理,并发出控制命令或输出相应的显示信息。电机驱动电路接收控制器发出的控制命令,驱动步进电机实现正转或反转。

2 硬件电路设计

根据图1所示组成框图,选择89C2051单片机作为控制器,以4×4输入键盘和按钮作为手动输入电路,选用DS1302作为时钟电路,以LCD1602作为输出显示电路,选择HS0038作为红外接收电路,采用PCF8591作为A/D转换装置,传感器选择了光敏元件。选用ULN2003步进驱动器,对型号为28BYJ48型步进电机进行驱动。下面主要介绍步进电机及步进驱动器,红外接收及时钟电路的设计。

2.1 步进电机及步进驱动器

(1)步进电机

步进电机选用的是28BYJ48型四相八拍电机,电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时,它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次,也就对应转子转过一定的角度(一个步距角)。当通电状态的改变完成一个循环时,转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行,常见的通电方式有单(单相绕组通电)四拍(A-B-C-D-A),双(双相绕组通电)四拍(AB-BC-CD-DA-AB),八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。

(2)步进驱动器

步进驱动器采用的是ULN2003驱动器,它是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的,它的高电压输出特性和阴极钳位二极管可以转换感应负载。ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平,输出可达500 mA/50 V。达林顿管并联可以承受更大的电流,ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列。

(3)电机驱动电路

28BYJ48型步进电机是4相5线的步进电机,而且是减速步进电机,减速比为1:64,步 进 角 为5.625/64度 。如果需要转一圈,那么需要360/5.625×64=4096 个脉冲信号。该步进电机的耗电流为 200 mA左右,采用ULN2003进行驱动,驱动端口为 P1.0(A),P1.1(B),P1.2(C),P1.3(D)。正转次序: AB 组–BC组--CD 组--DA 组 (即一个脉冲,正转 5.625 度);反转次序:AB 组 --AD 组--CD 组--CB 组(即一个脉冲,正转 5.625 度),其接线原理如图2所示。

其中MOT1~MOT4依次接单片机的P1.0~P1.3口。

2.2 红外线接收与发送电路

红外线接收电路选用了型号为HS0038的集成红外接收器,静态时输出端输出高电平,当接收到红外信号后,按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。HS0038工作频率为38 kHz,能对收到遥控信号进行放大、检波、整形、解调,得到TTL 电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码并执行相关控制程序。

红外接收电路的输出接单片机的P3.2,该口对应的第二功能是外部中断0(INT0),利用该口的第二功能,一旦红外线信号到来,P3.2被拉低,单片机中止当前的工作转移到接收、处理红外信号。开启中断功能的目的,既减轻了单片机的工作负担,又保证接收到的红外信号的完整性,单片机进入睡眠后,利用外部中断功能完成对单片机的唤醒,其接线图如图3所示。

红外发送电路可选用昂达播放器的遥控器,也可采用电视遥控器。由于系统简单,采用昂达播放器的遥控器。

2.3 时钟电路

时钟电路采用DS1302集成芯片,其主要特点是采用串行数据传输,可为掉电保护电源提供可编程的充电功能,并且可以关闭充电功能。采用普通32768 Hz晶振,步进电机的启闭时间都保存在DS1302自带的RAM中,不需要单独的EEPROM。

DS1302与CPU的连接仅需要三条线,即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。

3 系统软件设计

软件系统主要包括主程序、红外中断子程序、A/D转换子程序、显示子程序、时钟控制子程序及步进电机程序。下面主要介绍红外线解码程序。

3.1 红外线解码原理

昂达播放器的遥控器产生的遥控编码是连续的32位二进制码组,其中前16位为用户识别码,能区别不同的电器设备,防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定高8位地址为0BFH,低8位地址为40H;后16位为8位操作码(功能码)及其反码。

遥控器按键按下后,周期性地发出同一种32位二进制码,周期约为108 ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同,大约在45~63 ms之间。

当一个键按下超过36 ms,振荡器使芯片激活,将发射一组108 ms的编码脉冲,这108 ms发射代码由一个起始码(9 ms),一个结果码(4.5 ms),低8位地址码(9~18 ms),高8位地址码(9~18 ms),8位数据码(9~18 ms)和这8位数据的反码(9~18 ms)组成。如果键按下超过108 ms仍未松开,接下来发射的代码(连发代码)将仅由起始码(9 ms)和结束码(2.5 ms)组成。

其代码宽度的计算方法为:

16位地址码的最短宽度:1.12×16=18 ms

16位地址码的最长宽度:2.24 ms×16=36 ms

已知8位数据代码及其8位反代码的宽度和不变:(1.12 ms+2.24 ms)×8=27 ms 。所以得32位代码的宽度为(18 ms+27 ms)~(36 ms+27 ms)

解码的关键是如何识别“0”和“1”,代码格式以接收代码为准,接收代码与发射代码反向。从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56 ms的低电平开始,不同的是高电平的宽度不同,“0”为0.56 ms,“1”为1.68 ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56 ms低电平过后,开始延时,0.56 ms以后,若读到的电平为低,说明该位为“0”,反之则为“1”,为了可靠起见,延时必须比0.56 ms长些,但又不能超过1.12 ms,否则如果该位为“0”,读到的已是下一位的高电平,因此取(1.12 ms+0.56 ms)/2=0.84 ms最为可靠,一般取0.84 ms左右均可;根据码的格式,应该等待9 ms的起始码和4.5 ms的结果码完成后才能读码。

3.2 解码程序设计

根据以上分析,采用89C2051单片机实现红外解解码的思路为:有信号产生中断EA清零延时小于9 ms(低电平)等待高电平的到来延时小于4.5 ms(高电平)等待下一次高电平的到来延时0.84 ms左右读区P3.2脚电平值再等待下一次高电平的到来延时0.84 ms左右读取P3.2脚电平值,依次取得32位代码,前16位为识别码,后18位既为8位数据码和8位数据反码。解码中断服务程序流程图如图4所示。

4 结束语

通过系统调试及运行结果表明,采用步进电机作为执行元件,89C2051单片机作为控制器,光敏元件传感器作为检测元件,以手动输入按钮作为手动输入信号,以红外遥控装置进行遥控操作,并辅以时钟控制及状态显示的步进电机控制系统,能够方便实现步进电机的手动、自动及遥控多功能操作,操作更加方便可靠。

参考文献

[1] 樊庆伟,许峰.红外遥控接收与单片机识别技术[J].信息技术,2005,5:6-17.

[2] 江衍煊,郑振杰.单片机连接ULN2003驱动步进电机的应用[J].机电元件 2010,9,3.

[3] 聂诗良,李磊民.采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法[J].信息技术,2007,2,2.

步进电机驱动电路范文5

【关键词】 微燃机电站 燃气计量阀 两相混合式步进电机 细分驱动

1 引言

起发电机是微燃机电站系统的重要组成部分,在发动机地面试验时用于带转发动机,在发动机正常工作时用于发电输出电能。因此,在研制阶段对起发电机进行精确电磁计算,是十分必要的。然而,传统的电机电磁计算方法都是基于经典磁路法,其计算精度有限[1-3]。特别是该起发电机为永磁电机,其磁路结构复杂,给磁路计算带来了较大困难,难以得到精确的磁路计算结果。为了提高计算的准确程度,需要进行电磁场数值计算和分析。目前,电机电磁场数值分析方法主要有:有限元法、边界元法和有限差分法。其中,最有效、应用最广泛的是有限元法[4-6]。本文对某起发电机进行了二维电磁场有限元分析,并对电机定子采用直槽和斜槽结构分别进行对比分析。

2 燃气计量阀系统结构和工作原理

燃气计量阀系统由燃气计量阀本体、两相混合式步进电机、数字驱动控制器组成,系统结构如图1所示。微燃机电站用燃气计量阀系统的作用是根据来至上位机的阀开度指令,由数字驱动控制器驱动两相混合式步进电机完成对燃气计量阀节流口开度的控制,进而实现对微燃机电站燃气流量的控制。

2.1 燃气计量阀本体

燃气计量阀本体采用美国Woodward公司Swift-12型单路燃气计量阀。燃气计量阀的全行程对应步进电机旋转1.25圈,即对应机械角度450°,要求全行程精度为±0.25%。阀芯装有回中弹簧,可保证掉电后阀芯处于关闭位置,且当燃气压力超过安全范围时具有自动关闭功能。

2.2 两相混合式步进电机

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,具有较高的定位精确度,且无位置积累误差[4-6]。步进电机的原理是基于最基本的电磁铁原理,可用于具有一定精度的开环位置控制系统。步进电机按结构划分包括永磁式、磁阻式以及混合式;按相数划分包括两相、三相、四相、五相。两相混合式步进电机具有结构简单、步距角分辨率高、转矩大等优点,是目前常用的步进电机结构形式。步进电机的主要技术指标是步距角和最大静转矩。步进电机步距角:

θb=180°/P*Nr (1)

其中,θb为步距角,P为定子相数,Nr为转子齿数。对于燃气计量阀用两相混合式步进电机,P=2,Nr=50,则步距角θb=1.8°。

最大静转矩也叫保持转矩,是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。一般选择负载转矩应小于0.5~0.77倍的最大静转矩。

此外,选用步进电机时,实际还要考虑位置控制精度、使用速度范围、负载传动方式,工作温度及使用环境等因素。

2.3 数字驱动控制器(如图2)

数字驱动控制器以TI公司32位DSP TMS320LF2812为核心,配合H桥集成功率驱动器LMD18201,通讯接口电路、A /D转换器、以及相应的绕组电流采样电路。

3 系统控制原理

3.1 两相混合式步进电机细分驱动原理

两相混合式步进电机定子绕组由A、B两相绕组组成,其顺时针旋转时通电规律为A+、B+、A-、B-,即两相单四拍整步工作模式,如图3所示。每拍通电对应步进电机转动的机械角度为步进角,燃气计量阀中采用的两相混合式步进电机的步进角为1.8°。步进电机采用整步工作时易出现失步和共振现象,为此应采用细分驱动。

步进电机的细分驱动是通过对电机绕组中电流的控制,使步进电机定子合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。步进电机细分驱动的实质是对两相绕组电流的细分控制,即将整步工作时的方波电流细分为正弦电流,此时两相绕组电流为相位互差90°的正弦电流,如图4所示。

为了实现细分驱动,需要对电机绕组电流进行闭环控制,因此功率驱动电路应采用恒流斩波驱动。增加细分数可以降低振动,但实际到8细分时效果就变化不大,细分数过大时会出现步距不均匀现象,且细分数过大也限制了步进电机的最高转速。因此,本系统中细分数取4。

采用细分驱动时的A、B两相电流为

(2)

其中,n为电流细分后的运行拍数,I为电机相电流幅值,k为脉冲序列,k=0,…,n-1。

采用细分驱动的主要优点[7,8]:(1)使步距角减少,步距误差减少,提高了分辨率和步进精度;(2)减少了低频振荡,经过细分后,驱动电流的变化幅度大大减少,使转子到达平衡位置时的过剩能量大大减少;另一方面可以远离转子谐振频率。因此,细分驱动不仅能使步进电机运行平稳,而且还能减弱或者消除振荡;(3)增加了电机运行的拍数,可获得较大的启动转距。

3.2 两相混合式步进电机电磁转矩计算

采用细分驱动时A、B两相绕组为正弦电流,且相位互差90°,则有

(3)

A、B两相绕组产生的磁通为

(4)

其中:、为A、B两相绕组产生的磁通。

A、B两相绕组产生的电磁转矩分别为

(5)

A、B两相绕组合成的电磁转矩为

(6)

其中:为负载角,,即定子磁场与转子磁场的夹角,=90°时对应步进电机的最大静转矩。

3.3 系统定位误差分析

系统要求燃气计量阀全行程精度为±0.25%,即对应角度定位误差±1.125°。采用的两相混合式步进电机步进角为1.8°,步进角精度±3%,对应步进角误差±0.054°。本系统中取细分数为4,则细分后步进角为0.45°。

系统定位误差为

Δθt=Δθb+Δθn+ΔθD (7)

其中:步距角误差Δθb=1.8°*±3%=±0.054°,传动误差Δθn =±0.057°,ΔθD=±0.057°。

经以上分析,系统定位误差Δθt

4 数字驱动控制器硬件设计及试验

4.1 主控芯片选择

主控芯片采用TI公司32位定点DSP TMS320LF2812,并外扩了12位串行A/D转换器,来完成对步进电机A、B两相绕组电流、燃气计量阀入口压力信号的采样。

4.2 功率主电路设计

功率主电路采用两片H桥集成功率驱动模块LMD18201,来完成对两相混合式步进电机的A、B两相绕组的驱动。LMD18201内部集成了H桥型Power MOSFET功率桥、栅极驱动电路、及保护电路。PWM开关频率决定了电机绕组电流的连续性,从而也决定了电机运行的平稳性。由于步进电机的绕组电感较小,如果频率不够高,电机的低速性能有可能不理想,很容易烧毁功率管,而且由于电流不连续,电机可能产生剧烈振荡。开关频率越高,绕组电流的脉动量越小,电流容易连续,电机附加损耗减小,系统低速平稳性好。从动态性能看,提高开关频率可扩大系统频带宽度,提高系统的快速性,但开关频率的提高会使得功率管的动态损耗也随之增大,从而降低功率电路的效率。本系统中采用双极性PWM控制方式,电流最大脉动量为:

(8)

其中,Δimax为电流最大脉动量,La为电机绕组电感,fPWM为PWM开关频率。

对于本系统,Ud=24V,La=2.2mH,ΔimaxUd/2La=18.1kHz。本系统取PWM开关频率为20kHz。

4.3 绕组电流信号采样电路设计

为了实现细分控制,需要对绕组电流采样并进行闭环控制。本系统中通过外扩A/D转换器,完成对绕组电流反馈信号的采样。 A/D转换器的分辨率为12位,采样输入电压范围为0~5V。通过采用0.1Ω精密采样电阻和仪器放大器AD629,并经过一阶低通滤波,来完成绕组电流的采样,选取低通滤波器截止频率为10kHz(PWM开关频率的一半)。

4.4 系统试验

利用所设计的驱动控制器进行了燃气计量阀系统实验。采用整步驱动和4细分驱动分别进行了系统实验。整步驱动和4细分驱动时绕组电流实验波形分别如图5和6所示。采用整步驱动时两相混合式步进电机的运行不平稳,电机振动大,易发生失步现象。采用4细分驱动时两相混合式步进电机的运行平稳,电机振动小,且定位精度高,此时A、B两相电流接近正弦波,且相位互差90°。

5 结语

本文对微燃机电站用燃气计量阀控制器的结构、工作原理、数字控制器设计进行了介绍,重点对步进电机的选型方法、细分驱动原理和系统定位误差进行了分析,可得如下结论:(1)采用两相混合式步进电机对燃气计量阀进行控制,具有结构简单、控制精度高等优点,且便于实现数字控制;(2)采用细分驱动技术,不仅可以提高步进电机的步进角分辨率和定位精度,而且提高了电机启动转距和运行平稳性。

参考文献:

[1]郭力.两类双模式微型燃气轮机并网技术方案比较[J].电力系统自动化,2009,33(8):84-88.

[2]王成山,王守相.分布式发电供能系统若干问题研究.电力系统自动化[J],2008,32(20):1-4.

[3]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

[4]坂本正文.步进电机应用技术[M].北京:科学出版社,2010.

[5]中国电器工业协会微电机分会[M].微特电机应用手册.福州:福建科学技术出版社,2007.

[6]姜平.步进电机细分驱动控制函数修正新算法[J].微电机,2005,35(11):45-48.

步进电机驱动电路范文6

【关键词】雷达伺服系统;C8051F020;步进电机

0 引言

雷达伺服控制系统用来控制天线动作,搜索各个方位的目标,实现天线的自动控制的系统。控制系统是由机械传动部分和驱动控制电路组成。系统的结构组成和其它的反馈系统没有本质上的区别,它是由若干元件和部件组成的具有功率放大电路的一种自动控制系统。

该系统实现控制雷达天线的正转、反转、步进、停止,实现人机对话,还要考虑到功耗低、体积小、便于携带的特点,在使用时应该具有高可靠性、传输误码率小,同时还要还要具有开机测试、电池电压采样,欠压报警等辅助功能。本文是基于C8051F020单片机的设计,结合实际要求,将具体介绍该系统的硬件电路原理及软件系统构建。

1 系统整体方案设计

本方案是为了实现对雷达天线的中心角度调整以及在方位上的扫描速度和扫描范围的控制,采用准闭环控制系统,控制步进电机接受控制脉冲一步一步地旋转,防止出现积累误差。此方案采用Silabs公司开发的C8051F020单片机作为主控制器,NS公司推出的LMD18245作为步进电机驱动器,当单片机接收到终端命令时,控制步进电机进行相应的动作,系统中光电编码器与步进电机同轴,光电编码器将步进电机的动作反馈回单片机,从而实现对雷达天线的闭环控制。该系统通过RS232A串口进行通信和调试。系统总框图(图1)如下:

2 硬件电路设计

硬件电路主要包括主控C8051F020和驱动器LMD16245构成的控制电机电路、编码器读数经过整形电路回馈给主控的反馈电路、主控和串口芯片构成的通信和测试电路、电池电压采样电路及欠压报警电路。

主控单片机C8051F020是一款真正独立工作的片上系统,将C8051F020用于嵌入式控制系统,可大量减少器件,充分发挥C8051F020的高速度特点,大大提高了系统的集成度。内部包含数字电路和模拟电路,在设计时应该将模拟电源和数字电源分别连接,最后要通过磁珠(或电感)连接在一起;由于步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态,电路中采用光电耦合器将主控单片机与步进电机隔离,这样可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰。单片机控制信号LVTTL和光电编码器与控制电机之间的和TTL电平之间用74LV4245进行电平转换。原理图模块设计如下介绍:

2.1 光电隔离

采用光耦集成电路TLP521实现隔离,不需要复杂的设计,就能达到防止干扰的目的。由于光耦的输入端电流较大,直接使用CPU的引脚驱动会对CPU产生较大的电流冲击,所以先用74LVX4245进行驱动,然后控制光耦工作。

2.2 电平转换

CPU及电路用3.3V供电,CPU引脚直接输出的是LVTTL电平,为了与外部TTL电平兼容,并且提高驱动能力与减少干扰,采用集成电路74LVX4245实现电平转换。

2.3 驱动电路

驱动电路采用集成电路LMD18245,最大输出电流3A,内部含16细分电路,也可以外接电路再细分,电路简单。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的,与电机无关。

2.4 电源转换电路(DC/DC)

驱动部分电路容易受到干扰,与CPU部分的供电电源分开,利用2个DC/DC集成电路产生2路5V电压,一路提供给光电编码器,并经变换提供给CPU,另一路提供给光藕和驱动电路的逻辑电平。

2.5 JTAG

片内JTAG接口可直接对对安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、实时在系统仿真调试。该调试系统支持观察和修改存储器及寄存器,支持断点、单步、运行和停止命令。在使用JTAG调试时,所有模拟和数字外设都可全功能运行。

3 软件部分设计

本系统采用角度与速度准双闭环控制。角度反馈是伺服的主反馈回路,时实角度由光电编码器采集得到;速度反馈是一个局部反馈回路,前次的速度值只是软件的记忆值,外部没有速度传感器,所以在本文中称为准双闭环控制。在任何时刻当角度与速度发生变化时,系统都必须响应,速度值的控制由软件设置中断周期来完成,编写程序时,特别注意中断、存储器、运算符号位的管理,提高系统的可靠性。主流程图如图2所示。

4 结论

本文提出的基于C8051F020的雷达伺服控制系统在雷达整机样机中调试通过,并能够正常的工作。使用细分驱动器更加精确的控制了步进电机的相电流,大大的改善了电机的振动和噪音,消除了电机的低频振荡,提高了电机的输出转矩。单片机C8051F020本身就是低功耗设计,还可以通过改变系统时钟、复位源及片上外设等状态来节省功耗。

【参考文献】

[1]http://.cn\datasheets\C8051F02x.pdf[OL].

[2]http://\LMD18245.pdf[OL].