單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)

0　概述

??? 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各相繞組的接通順序,可以得到各種需要的運(yùn)行特性。尤其與數(shù)字設(shè)備配套時(shí),體現(xiàn)了更大的優(yōu)越性,因此廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。

??? 本文介紹已實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中,控制器擔(dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖以及發(fā)送、接收控制命令的任務(wù)。本文對(duì)控制器的設(shè)計(jì),尤其是脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

??? 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)和LED狀態(tài)顯示等4部分組成,本文著重介紹步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、LED 顯示狀態(tài)3部分。

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圖1　步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

1. 1　步進(jìn)電機(jī)控制器

??? 步進(jìn)電機(jī)控制器主要由單片機(jī)、晶振電路、8K RAM和光電隔離電路等組成(見圖2) 。

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圖2　步進(jìn)電機(jī)控制器組成

(1) 晶振電路

??? 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)或陶瓷諧振器,就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器,當(dāng)外接晶振后,就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖3所示。本系統(tǒng)選C1和C2值為30 pF。

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圖3　內(nèi)部振蕩電路

(2) 光電隔離電路

　利用光隔離器組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開來,使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng),從而提高系統(tǒng)的可靠性,增強(qiáng)抗千擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR,通常其值為0. 2～0. 9。輸入數(shù)字信號(hào)提供一定的電流(5～10 mA)時(shí),光隔離器才會(huì)輸出放大的數(shù)字電平。

??? 光隔離器連接時(shí)注意信號(hào)正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開,并且輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電;如果使用同一電源,外部干擾信號(hào)可能通過電源串到系統(tǒng)中來。

(3) 存儲(chǔ)模塊

??? 89C51單片機(jī)片內(nèi)只有128 B的RAM,而本系統(tǒng)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多,需擴(kuò)展外部RAM。

(4) 步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路

??? 在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或換向周期實(shí)際上是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制:一種是延時(shí),一種是定時(shí)。

??? 延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序,待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向,這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和就是CP脈沖的周期。該方法簡(jiǎn)單,占用資源少,全部由軟件實(shí)現(xiàn),調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行;但占用CPU時(shí)間長(zhǎng),不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作,因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過程。

??? 定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào),從而可方便地控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器起動(dòng)后,定時(shí)器從裝載的初值開始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù);當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí),定時(shí)器產(chǎn)生中斷,系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中,定時(shí)中斷一次,電機(jī)換向一次,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新起動(dòng)開始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止,有一定的時(shí)間間隔,造成定時(shí)時(shí)間增加。為了減少這種定時(shí)誤差,實(shí)現(xiàn)精確定時(shí),要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個(gè)因素:一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間;二是重裝初值指令所占用的時(shí)間,包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序中的其他指令因素。綜合這兩個(gè)因素后,重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取8個(gè)機(jī)器周期,即要使定時(shí)時(shí)間縮短8個(gè)機(jī)器周期。

??? 用定時(shí)中斷方式控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí),實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在控制過程中,采用離散辦法逼近理想升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間,系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中,系統(tǒng)在運(yùn)行中用查表法查出所需的裝載值,這樣可大幅減少占用CPU的時(shí)間,提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。其流程圖如圖4所示。

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圖4　加減速控制流程圖

1. 2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

??? 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由專用芯片L297、L298組合而成。L297單片步進(jìn)電機(jī)控制集成電路適用于雙極性二相步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)的控制,與H橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298組合成完整的步進(jìn)電機(jī)固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)器。

　L297步進(jìn)電機(jī)控制集成電路產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào),用以控制雙極性二相步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī),可以采用半步、二相勵(lì)磁和單相勵(lì)磁3種方式的切換。使用L297的突出特點(diǎn)是外部只需時(shí)鐘、方向和工作方式3 個(gè)輸入信號(hào),同時(shí)L297自動(dòng)產(chǎn)生電機(jī)勵(lì)磁相序,減輕了微處理器控制和編程負(fù)擔(dān)。L297具有D IP20和SO20 2種封裝形式,可用來控制集成橋式驅(qū)動(dòng)電路或分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路。

??? L297主要由譯碼器、固定斬波頻率的PWM恒流斬波器(2個(gè))以及輸出邏輯控制組成。

　L298芯片是一種高電壓、大電流、雙H橋功率集成電路,可用來驅(qū)動(dòng)繼電器線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載。每個(gè)H橋的下側(cè)橋臂晶體管的發(fā)射極連接在一起,相應(yīng)的外接線端可用來連接電流檢測(cè)電阻。

??? 由L297、L298 組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用電路如圖5所示。該電路為固定斬波頻率恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式,適用于二相雙極性步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī), 最高電壓46 V, 每相電流可達(dá)2 A。用2片L298和1片L297配合使用,可驅(qū)動(dòng)更大功率的二相步進(jìn)電機(jī)。

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圖5　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成

　L297有3種工作方式:半步工作方式、雙向勵(lì)磁工作方式和單項(xiàng)勵(lì)磁工作方式。雙向勵(lì)磁工作方式的相序波形如圖6所示。

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圖6　雙向勵(lì)磁時(shí)相序波形

　當(dāng)L297的HALF /FULL為低電平,如譯碼器工作在奇數(shù)狀態(tài)( 1、3、5、7)時(shí),為雙向勵(lì)磁工作方式。該模式下,禁止信號(hào)INH1和INH2輸出保持高電平。如譯碼器工作在偶數(shù)狀態(tài)下( 2、4、6、8) ,為單相勵(lì)磁方式; 當(dāng)HALF /FULL為高電平時(shí),譯碼器產(chǎn)生半步工作方式相序,也就是8步格雷碼時(shí)序。

1. 3　LED運(yùn)行狀態(tài)顯示

??? 本系統(tǒng)中,用74LS164 作為顯示驅(qū)動(dòng),帶鎖存,采用串行接法,可以節(jié)約I/O口資源,但要使用SIO,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。

2　結(jié)語(yǔ)

??? 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在此方案中,負(fù)載位置對(duì)控制電路無(wú)反饋,因此步進(jìn)電機(jī)必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng),電機(jī)不能達(dá)到新的要求位置,那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)控制器所期待位置會(huì)出現(xiàn)永久性誤差,也就是會(huì)產(chǎn)生“失步”和“過沖”現(xiàn)象。可以采用位置反饋或位置反饋確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)獲得正確相位轉(zhuǎn)換,從而大大改善步進(jìn)電機(jī)的性能,這樣就可以進(jìn)行更加精確的位置控制和獲得高速、平穩(wěn)的速度了。