步進電機均勻細分驅動器的控制電路

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步進電機均勻細分驅動器的控制電路

控制電路主要構成功率驅動電路軟件設計主控程序流程圖結束語

2004年9月

 2.1 控制電路

控制電路主要由AT89C51單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、EEPROM存儲器即可編程鍵盤/顯示控制器Intel-8279等組成,單片機是控制系統的核心。受控步進電機的細分倍數、運行脈沖頻率、正反轉、運行速度、單次運行線位移、啟/停等的控制既可由鍵盤輸入,也可以通過與上位機的串行通信接口由上位機設置。狀態顯示提供當前電相、相電流大小、電機運行時間、正反轉、當前運行速度、線位移及相關計數等的顯示,并將工作狀態和數據傳送給上位機。傳感器用于檢測計數器的當前值。單片機的主要功能是輸出EEPROM中存儲的的細分電流控制信號進行D/A轉換。根據轉換精度的要求,D/A轉換器既可以選擇8位的,也可選擇12位的。本控制系統選用的是8位D/A轉換器MAX516。MAX516把4個D/A轉換器與4個比較器組合在單個的CMOS IC(DIP24封裝)上,4個D/A轉換器共享一個參考輸入電壓 。每個轉換器的輸出電壓均可采用下式表示:

                     

  式中: …,255,對應于8位DAC的輸入碼D (此處為細分電流控制信號)。通過調節 的變化范圍,便可調節步進電機繞組中電流的幅值。MAX516內部結構如圖3所示。

2.2 功率驅動電路

     工作中,步進電機細分電流控制信號的D/A轉換值 輸入到MAX516內部各比較器COMP 的同向輸入端,繞組電路取樣信號 輸入到COMP 的反向輸入端。斬波恒流驅動采用固定頻率的方波與比較器輸出信號調制成斬波控制信號控制繞組的通電時間,使反饋電壓 始終跟隨D/A轉換輸出的控制電壓 。合理選擇續流回路就可使繞組中的電流值在一定的平均值上下波動,且波動范圍不大。

調制用方波信號頻率為21.74kHz,由AT89C51的P 端產生,且各相是同頻斬波 ,不會產生差拍現象,消除了電磁噪聲。為防止因比較器漂移或干擾導致功率開關管誤導通,把斬波控制信號與相序控制信號進行“與”邏輯后,再去控制功放管。

當開關管截止時,并聯RC、快恢復續流二極管D、繞組L及主電源構成泄放回路。與單純電阻釋能電路相比,RC釋能電路使功耗和電流紋波增加較小,而電流下降速度大大加快。

電流取樣信號由精密電流傳感放大器MAX471完成。當繞組電流流過其內部35m 精密取樣電阻時,經內部電路變化,轉換為輸出電壓信號

              

其中: 為MAX471外部調壓電阻,阻值按設計要求選定; 為流過精密電阻的相繞組電流。MAX471同時具有電流檢測與放大功能,從而大大方便了整個電路的設計與調試。

功率開關管(功放管)是攻防電路中的關鍵部分,影響著整個系統的功耗和體積。由于所設計的驅動器主要用來驅動額定電流3A、額定電壓27V以下的步進電機,故選用高頻VMOS功率場效應晶體管IRF540( )作為開關管。IRF540導通電阻很小,因此,即使電機長時間運轉,該VMOS管殼本身的溫度也比較低,無須外加風扇。

 為了提高步進電機的工作可靠性,消除電機電感性繞組的串擾,本系統無論對驅動部分還是反饋部分都進行了隔離。驅動隔離采用高速光電耦合器6N137為隔離元件,一方面可以實現前級控制電路同步進電機繞組的隔離,另一方面使功率開關管的驅動變得方便可靠。反饋通道的濾波部分采用無源低通濾波器,其作用是高速衰減繞組(電感線圈)在開關時截止頻率以上的瞬時高頻電壓信號,從而避免控制電路作出太迅速的反應,有效地防止步進電機的振蕩,線性光耦合電路的作用是將濾波后的采樣電阻反饋信號線性地傳輸給比較器。

3 軟件設計

   步進電機細分驅動系統的軟件主要由主控程序、細分驅動程序、鍵處理程序、顯示數據處理及顯示驅動程序、通信監控程序等部分組成。

   主控程序控制整個程序的流程,主要完成程序的初始化、中斷方式的設置、計數器工作方式的設置及相關子程序的調用等。初始化包括8279各寄存器、8279各寄存器、8279的顯示RAM、AT89C51的中斷系統及內部RAM等。在AT89C51的各中斷中,使用了INT 、 這3個中斷。其中INT 為高優先級,在運行狀態下,當有停止鍵按下時,INT 中斷服務程序將T 關閉,從而使步進電機停止。T 控制每一步的 步進周期,該服務程序基本上只作重置定時器和置標志位的操作,其流程圖如圖4所示。

細分驅動程序中,細分電流控制信號的輸出采用單片機內EEPROM軟件查表法,用地址選擇來實現不同通電方式下的可變步距細分,從而實時控制步進電機的轉角位置。其流程圖如圖5所示。

     圖4 主控程序流程圖           圖5細分驅動子程序流程圖

步進電機的正反轉控制是通過改變電機通電相序來實現的。為達到對步進電機啟/停運過程的快速和精確控制,從其動力學特性出發,推導出符合步進電機矩頻特性的曲線,并將這一指數型運行曲線量化后,存入EEPROM。步進電機在運行過程中,每個通電狀態保持時間的長短由當前速度對應的延時時間值決定。

4 結束語

   本文提出并實現的步進電機均勻細分驅動器最高細分達到256細分,能滿足大多數中小微型步進電機的可變細分控制、較高細分步距角精度及平滑運行等要求。細分驅動器的系統功能完善,大量新型元器件的采用使所設計的驅動器具有體積小、細分精度高、運行功耗低、可靠性高、可維護性強等特點。系統軟件功能豐富,通用性強,從而使控制系統更加靈活。

該驅動控制器已經用于“全自動高精度線材切割機”的驅動控制系統中。該切割機的拖動執行元件為三相六拍步進電機,它即可以作為步進電機運行,也可以作為同步電機運行。當作步進電機運行時,其粗步距角為1.5º,軸齒輪直徑為32mm,故步進電機送料的初步進位移為: 。為了進一步提高切割機定位精度和系統的運行平穩性而采用上述細分驅動控制器,細分級數為32時其切割定為精度為13.1 ;當切割機需要快速運行時,可采用同步運行方式。從運行的實際情況看,該步進電機驅動器實現了較高的穩速精度和切割精度,慣性小,運行可靠,取得了滿意的效果。

 

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