步进电机硬件电路的设计.docx
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步进电机硬件电路的设计
步进电机硬件电路的设计
1、单片机的选择 本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片.89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上.使用方便等优点,而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory)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MCS-51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AT89C51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 1.1单片机的引脚功能:
1)VCC(40):
电源+5V。
2)VSS(20):
接地,也就是GND。
3)XTL1(19)和XTL2(18):
振荡电路。
单片机是一种时序电路,必须有脉冲信号才能工作,在它的内部有一个时钟产生电路,有两种振荡方式,一种是内部振荡方式,只要接上两个电容和一个晶振即可;另一种是外部振荡方式,采用外部振荡方式时,需在XTL2上加外部时钟信号(详细的内容将在以后的课程中专门介绍)。
4)PSEN(29):
片外ROM选通信号,低电平有效。
5)ALE/PROG(30):
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
6)RST/VPD(9):
复位信号输入端/备用电源输入端。
7)EA/VPP(31):
内/外部ROM选择端 8)P0口(39-32):
双向I/O口。
9.P1口(1-8):
准双向通用I/0口。
9)P2口(21-28):
准双向I/0口。
原理图如1所示:
图1AT89C51的引脚图 1.2主要特性:
与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命:
1000写/擦循环数据保留时间:
全静态工作:
0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O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 1)振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2)芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2、步进电机的选择 因本次设计的要求,步进电机的应选用三相三拍的步进电机,关于步进电机的具体说明如下; 反应式步进电动机是利用凸极转子交轴磁阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的所以也称为磁阻式步进电动机现以一个最简单的三相反应式步进电动机为例说明其工作原理. 图2是一台三相反应式步进电动机的原理图定子铁芯为凸极式共有三对六个磁极每两个相对的磁极上绕有一相控制绕组转子用软磁性材料制成也是凸极结构只有四个齿齿宽等于定子的极靴宽下面通过几种基本的控制方式来说明其工作原理. 图2三相反应式步进电动机的原理图 2.1三相单三拍通电方式 当A相控制绕组通电,其余两相均不通电,电机内建立以定子A相极为轴线的磁场.由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点,使转子齿1,3的轴线与定子A相极轴线对齐,如图4(A)所示.若A相控制绕组断电,B相控制绕组通电时,转子在反应转矩的作用下,逆时针方向转过30,°使转子齿2,4的轴线与定子B相极轴线对齐,即转子走了一步,如图4(B)所示,若再断开B相,使C相控制绕组通电,转子又转过30°使转子齿1,3的轴线与定子C相极轴线对齐,如图4(C)所示.如此按A-B–C-A的顺序轮流通电,转子就会一步一步地按逆时针方向转动,其转速取决于各相控制绕组通电与断电的频率,旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序若按A-C-B-A的顺序通电,则电机按顺时针反方向转动. 上述通电方式称为三相单三拍运行,”三相”是指三相步进电动机,”单”是指每次只有一相控制绕组通电,控制绕组每改变一次通电方式称为一拍,三拍是指经过三次改变通电方式为一个循环,我们称每一拍转子转过的角度为步距角.三相单三拍运行时的步距角为30度.其原理图如2所示:
图2-1定转子展开图(A相绕组通电) 2.2三相双三拍通电方式 控制绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB每拍同时有两相绕组通电三拍为一个循环,当AB两相控制绕组同时通电时转子齿的位置应同时考虑到两对定子极的作用,只有A相极和B相极对转子齿所产生的磁拉力相平衡才是转子的平衡位置如2-2B所示,可见双三拍运行时的步距角仍是30°,但双三拍运行时每一拍总有一相绕组持续通电,例如由AB两相通电变为BC两相通电时,B相保持持续通电状态C相磁拉力图使转子逆时针方向转动,而B相磁拉力却起有阻止转子继续向前转动的作用。
即起到一定的电磁阻尼作用所以电机工作比较平稳,而在三相单三拍运行时由于没有这种阻尼作用,所以转子达到新的平衡位置容易产生振荡稳定性不如双三拍运行方式。
三相双三拍运行方式AB相与BC相导通的结构如图2-2所示:
(A)AB相导通(B)BC相导通图2-2三相双三拍运行方式 在分析步进电动机动态运行时,不仅要知道某一相控制绕组通电时的矩角特性,而且要知道整个运行过程中各相控制绕组通电状态下的矩角特性,即所谓矩角特性族以三相单三拍的通电方式为例,若将失调角θ的坐标轴统一取在A相磁极的轴线上,显然A相通电时矩角特性如图3中曲线A所示稳定平衡点为O,点B相通电时转子转过1/3齿距相当于转过2π/3电角度,它的稳4-3中曲线C,这三条曲线就构成了三相单三拍通电方式时的矩角特性族总之矩角特性族中的每一条曲线依次错开一个用电角度表示的步矩角\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT
(1) 同理可得到三相单双六拍通电方式时的矩角特性族如图4与5所示:
图3三拍时的矩角特性族图4六拍时的矩角特性族 步进电机的动态特性是指步进电动机在运行过程中的特性它直接影响系统工作的可靠性和系统的快速反应。
1)单步运行状态 单步运行状态是指步进电动机在一相或多相控制绕组通电状态下仅改变一次通电状态时的运行方式. 2)动稳定区 当A相控制绕组通电时矩角特性如图中的曲线A所示,若步进电动机为理想空载则转子处于稳定平衡点\*MERGEFORMAT处,如果将A相通电改变为B相通电,那么矩角特性应向前移动一个步距角\*MERGEFORMAT变为曲线B,\*MERGEFORMAT点为新的稳定平衡点由于在改变通电状态的初瞬转子位置来不及改变还处于θ=0的位置,对应的电磁转矩却由O突变为曲\*MERGEFORMAT线B上的C点,电机在该转矩的作用下转子向新的稳定平衡位置,移动直至到达\*MERGEFORMAT点为止对应它的静稳定区为止,(-π+\*MERGEFORMAT)<θ<(π+\*MERGEFORMAT),即改变通电状态的瞬间只要转子在这个区域内就能趋向新的稳定平衡位置,因此把后一个通电相的静稳定区称为前一个通电相的动稳定区,把初始稳定平衡点OA与动稳定区的边界点A之间的距离称为稳定裕度,拍数越多步距角越小,动稳定区就越接近静稳定区稳定裕度越大,运行的稳定性越好转子从原来的稳定平衡点到达新的稳定平衡点的时间越短,能够响应的频率也就越高.原理图如5所示:
图5稳定响应曲线 3)最大负载能力 步进电动机带恒定负载时负载转矩为\*MERGEFORMAT,\*MERGEFORMAT若A相控制绕组通电则转子的稳定平衡位置为图A中曲线A上的\*MERGEFORMAT点,这一点的电磁转矩正好与负载转矩相平衡,当输入一个控制脉冲信号通电状态由A相改变为B相,矩角特性变为曲线B在改变通电状态的瞬间电机产生的电磁转矩\*MERGEFORMAT大于负载转矩\*MERGEFORMAT,电机在该转矩的作用下转过一个步距角到达新的稳定平衡点OB′,如图6所示:
(a)\*MERGEFORMAT图6最大负载转矩的确定\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT\*MERGEFORMAT 如果负载转矩增大为\*MERGEFORMAT,且\*MERGEFORMAT,如图4-14(B)则初始平衡位置为\*MERGEFORMAT点,但在改变通电状态的瞬间电机产生电磁转矩为\*MERGEFORMAT,由于\*MERGEFORMAT,转子不能到达新的稳定平衡位置点\*MERGEFORMAT,而是向失调角θ减小的方向滑动,电机不能带动负载作步进运行,这时步进电动机实际上是处于失控状态,由此可见只有负载转矩小于相邻两个矩角特性交点S所对应的电磁转矩\*MERGEFORMAT才能保证电机正常的步进运行,把\*MERGEFORMAT称为最大负载转矩也称为启动转矩当然它比最大静转矩\*MERGEFORMAT可求得启动转矩公式2-1。
\*MERGEFORMAT(2-1) 3、驱动电路的选择 因从CPU输出的脉冲信号特别小,固应先经过PWM8713脉冲分配器对脉冲进行分配并经过放大然后再经过光耦驱动来驱动步进进电机。
具体的连接图如3-1所示:
图3-1步进电机驱动电路图 PWM8713芯片介绍如下; 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,3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,而且在所有输人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,表1所列是PMM8713的引脚功能。
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有两种脉冲输人法:
双脉冲输人法和单脉冲输人法。
采用双脉冲输人法的连线方式如图3-2(A)所示,其中CPICA两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。
当采用单脉冲输人法时,其连线方式如图2所示; 图3-28713脉冲输入 图3-3PWM8713的引脚图 PMM8713功能介绍 PMM8713是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。
如图1所示PMM8713的引脚,Cu为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck 为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu和Cp应接地,正反转由U/D的电平控制,EA和EB用来选择励磁方式的,可以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,ΦC用来选择三、四相步进电机,Vss为芯片工作地,R为芯片复位端,Φ4~Φ1为四相步进脉冲输出端,Φ3~Φ1为三相步进脉冲输出端,Em为励磁监视端,Co为输入脉冲监视端,VDD为芯片的工作电源(+4~+18V).其具体的原理框图如4-3-4所示:
图3-4驱动电路框图 4、显示电路与键盘的选择 显示电路的用8279芯片来驱动,8279芯片分别接两排显示器,每排为4位显示,分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速。
8279与CPU的连接框图如所示:
图8279与CPU的接线图 8279芯片的具体介绍如下; 1)DB0~DB7:
双向数据总线。
在CPU于827数据与命令的传送。
2)CLK:
8279的系统时钟,100KHZ为最佳选择。
3)RESET:
复位输入线,高电平有效。
当RESET输入端出现高电平时,8279被初始复位。
4)/CS:
片选信号。
低电平使能,使能时可将命令写入8279或读取8279的数据。
5)A0:
用于区分信息的特性。
当A0=1时,CPU向8279写入命令或读取8279的状态;当A0为0时,读写一数据。
6)/RD:
读取控制线。
/RD=0,8279会送数据至外部总线。
7)/WR:
写入控制线。
/WR=0,8279会从外部总线捕捉数据。
8)IRQ:
中断请求输出线,高电平有效。
当FIFORAM缓冲器中存有键盘上闭合键的键码时,IRQ线升高,向CPU请求中断,当CPU将缓冲器中的输入键数的数据全部读取时,中断请求线下降为低电平。
9)L0~SL3:
扫描输出线,用于对键盘显示器扫描。
可以是编码模式(16对1)或译码模式(4对1)。
10)~RL7:
反馈输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由键盘上按键拉成低电平。
11)FT、CNTL/STB:
控制键输入线,由内部拉高电阻拉成高电平,也可由外部控制按键拉成低电平。
12)TB0~3、OUTA0~3:
显示段数据输出线,可分别作为两个半字节输出,也可作为8位段数据输出口,此时OUTB0为最低位,OUTA3位最高位。
13)消隐输出线,低电平有效。
当显示器切换时或使用消隐命令时,将显示消隐。
具体芯片理框图如4-1所示:
图4-18279的引脚图 键盘的连接一般有两种方式,一种是独立式键盘;一种是行列式键盘。
独立式键盘就是各个键相互独立,每个键盘接一根输入线,通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。
这种键盘的输入线较多,结构复杂,一般适用于按键较少操作速度较高的场合。
而行列式键盘是由行和列线交义组成,一般用于按键较多的场合。
本次设计一共用9个键因此采用行列式键盘。
具体的原理图如4-2所示:
图4-2键盘连接图 显示电路的选择 显示电路选用两排LED显示,每排分别为四位。
能满足设计的要求,转速范围为0至1000。
LED显示电路有两种接法,一种为共阴极,一种为共阳极。
原理图如所示:
、 图显示器接线图 5、反馈电路的选择 应选用光电编码器作为反馈元件,光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机。
并通过显示器显示出步进电机的实际转速。
关于光电编码器的说明如下; 5.1光电编码器原理 光电编码器,是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如图1所示;通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
图4-5-1光电编码器的原理图 根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
本次设计用绝对式编码器其原理如下:
绝对编码器是直接输出数字量的传感器,它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形,绝对编码器可有若干编码,根据读出码盘上的编码,检测绝对位置。
编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。
它的特点如下:
1)可以直接读出角度坐标的绝对值;2)没有累积误差;3)电源切除后位置信息不会丢失。
但是分辨率是由二进制的位数来决定的,也就是说精度取决于位数,目前有10位、14位等多种。
6、电源电路设计本次设计用了+5V、+12V电源,采用的是78系列的集成固定三端稳压管。
78系列集成稳压器输出稳定,漂移小,精度也比较高。
其内部也有完善的保护电路。
它有风部过流保护,保证输出电流部会超出最大允许值;它有内部热保护电路,如果输出管的结温达到允许的最大值,它会知道减小输出电流;它内部还有工作区限制电路。
使稳压器的工作台不进入不安全区。
因此,它的可靠性高。
另外,它只有三条引脚,移位输入,移位输出,移位公共端,使用起来很简单。
1.变压电源变压器将220V的交流电压变为所需的交流电压值。
因为在整流、滤波和稳压电路中有一定的压降,所以要使输出电压比所需电压高2V~3V。
2.整流整流电路将交流电压变为脉冲的直流电压,常用的整流电路有单相半波,全波,桥式和倍压整流电路。
这里采用单相桥式不可控整流电路。
3.滤波滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹,一般由电抗元件组成。
如要负载两端并联电容或与负载串联电感L。
以及C和L组合而成的各种复式滤波电路。
因为电容滤波电路简单,负载直流电压较高,波纹较小,所以我们采用的是电容式滤波。
4.稳压稳压的作用电当电网电压波动,负载和温度变化时,维持输出直流电压的稳定。
本设计采用三端集成稳压器,常用的是7800系列和7900系列。
前者是三端固定正输出集成稳压器,后者是三端固定负输出极集成稳压器,整流后的输出波形与纯直流相差甚远,须经滤波才能作直流电源用。
最常用的元件是电容。
整流输出的电压升高时,输出的电流一面供给负载应用,一面给滤波电容充电。
当整流输出电压开始下降时,电容向负载放电以维持输出电压,总的输出电压波形就平滑得多。
下面以电源+12V为例介绍一下电路的工作原理:
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