基于AT89C51單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

劉勇 張宇亭 王碩

摘 要：文章闡述一種基于51單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)，同時(shí)著重研究其細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)并建立了細(xì)分驅(qū)動(dòng)參考電流波形的產(chǎn)生的函數(shù)表達(dá)式。設(shè)計(jì)過程中采用電流追蹤型PWM法細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。通過細(xì)分模型分析和建立設(shè)計(jì)了一種兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。并以驅(qū)動(dòng)器的硬件原理圖為基礎(chǔ)，分別闡述了每個(gè)模塊的工作原理。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)

1 步進(jìn)電機(jī)及其發(fā)展

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)或者階躍電動(dòng)機(jī)，國外一般稱之為step motor或者stepping motor、pulse motor等等。其應(yīng)用發(fā)展已有約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)[1]。

步進(jìn)電機(jī)也在軍用儀器，通信和雷達(dá)設(shè)備，攝影系統(tǒng)，光電組合裝置，閥門控制，數(shù)控機(jī)床，電子鐘，醫(yī)療設(shè)備及自動(dòng)繪圖儀，數(shù)字控制系統(tǒng)，工控機(jī)控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)的系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2]。因而，對于步進(jìn)電機(jī)控制的研究也就顯得尤為重要了。

2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

混合式步進(jìn)電機(jī)其典型結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)定子的兩相繞組按A-B-（-A）-（-B）的順序通電時(shí)，磁通Φ1經(jīng)永磁體→第一段轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心→氣隙→第二段轉(zhuǎn)子鐵心→永磁體形成閉合回路，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 通電方式

本設(shè)計(jì)使用細(xì)分通電方式，而兩相混合式步進(jìn)電機(jī)共有4種供電方式：單四拍、雙四拍、單雙八拍及細(xì)分通電方式。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性

2.3.1 矩角特性

2.3.2 矩頻特性

矩頻特性最重要的特點(diǎn)是電機(jī)產(chǎn)生的力矩隨電機(jī)速度的升高而逐漸下降，其決定了步進(jìn)電機(jī)不適宜高速運(yùn)動(dòng)。

3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)控制單元

3.1.1 AT89C51單片機(jī)

本設(shè)計(jì)選擇了AT89C51。

3.1.2 復(fù)位電路

當(dāng)RESET出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，執(zhí)行復(fù)位。復(fù)位電路如圖4。

3.1.3 晶振電路

單片機(jī)芯片內(nèi)部的高增益反相放大器與片外晶體振蕩器CRYS和微調(diào)電容Cl、C2，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。其中CRYS為12M晶體，C1、C2取30PF。

3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

DA/轉(zhuǎn)換電路主要由兩片DAC0832及兩片OP07運(yùn)放組成，接線方式和引腳排列見圖5，RP52為用來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。RP53也是用來調(diào)節(jié)OP07的零點(diǎn)。

3.3 SPWM產(chǎn)生電路

如圖2，Tl494采用單端射極輸出方式，5、6腳產(chǎn)生的鋸齒波控制PWM的動(dòng)作快慢和電流閉環(huán)反饋系統(tǒng)零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，其取值與電機(jī)內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，太大會使PWM動(dòng)作太快出現(xiàn)電流異常尖峰，而太小會失去了微步切換的跟隨程度。

3.4 信號邏輯綜合電路

邏輯綜合分配電路由一片GALI6V8邏輯門陣列和一片ULN28O3邏輯反相功率驅(qū)動(dòng)芯片完成。邏輯綜合分配電路的輸入信號為雙路PWM信號SPWM-A，SPWM-B，A、B兩相功率管控制信號AC、BC并導(dǎo)通控制方向信號DIR-A、DIR-B。這些信號經(jīng)過一定的工作，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.5 功率驅(qū)動(dòng)與H橋電路

開關(guān)管選用MOSEFT（IRF54O），用晶體管IRF54O作功率器件并組成H橋電路。

3.6 電源電路及過流保護(hù)電路

3.6.1 電源電路

電源電路采用三端集成模塊LM7812C×2、LM7815C、LM7805C芯片為系統(tǒng)的芯片供電，由變壓器出來的直流電壓經(jīng)過濾波電機(jī)繞組供電。

3.6.2 過流保護(hù)電路

當(dāng)精密電阻從驅(qū)動(dòng)橋上采集反饋回來的相電壓的值一個(gè)或者兩個(gè)超過被比較電壓時(shí)，LM393輸出低電平經(jīng)過與門電路，產(chǎn)生關(guān)斷信號SD，電機(jī)停止工作。

4 總結(jié)

研究成果及其不足：（1）實(shí)現(xiàn)了電流追蹤型SPWM細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，推導(dǎo)出了細(xì)分電流參考波形產(chǎn)生的方程，設(shè)計(jì)出了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖。（2）使用的51單片機(jī)有一定運(yùn)算速度和處理能力限制。DAC的精度不高。

參考文獻(xiàn)

[1]程樹康.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[2]彭樹生，周旋.基于PIC16F876的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，12（1）：79-82.

（作者單位：江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院）