基于单片机步进电机调速控制系统设计论文003 - 图文

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文

执行元件。永磁感应子式步进电动机又称为混合式步进电动机。此种步进电动机由定子及转子组成。定子由娃钢片堆叠制成,转子铁心由娃钢片制成,转子永磁体由铅镍钻制成,转子轴由不诱钢材料制成。两相永磁感应子式步进电动机的参数信息如表2.1所示。其外观图如图2.3所示。

图2.3 42BYGH101型步进电机外观图

表2.1 42BYGm01型步进电机参数

步距角 0.9/1.8 相数 2 电压/V 2.5 电流/A 1.7 功率/V 4.25 静转矩/N.m 0.42 定位转矩 0.025 2.2控制原理及控制系统分类

2.2.1控制原理及应用

伺服控制系?统是以位置、速度等为控制参数的系统,是一种能够跟踪输入给定信号并产生动作,从而获得准确的位置、速度等输出的自动控制系统。伺服控制系统的发展历程按时间先后大致可分为液压伺服系统、电气伺服系统、气动伺服系统三个阶段。液压伺服系统是以液压伺服阀作为核心元件,实现以小功率的电信号输入,控制大功率的液压能输出的过程。随着伺服控制技术的不断发展,在二十世纪六十年代的时候,液压伺服系统己无法满足现有的伺服控制系统的发展要求,电气伺服系统的出现,弥补了液压伺服系统的不足之处。电气伺服系统是以伺服电机、反馈装置和控制器组成的控制系统。电气伺服系统具有精度高、易于控.制等优点。直到八十年代的时候,伺服控制系统掀 了薪新的一页,技术方面有了较大的突破,气动伺服系统已经替代了以往的伺服控制系统,成为时代发展的主流控制系统。气动伺服系统是采用压缩空气作为动力的伺服系统。随着大量用户需求的逐渐增多,伺服控制系统也在不断更新控制方法,这产生了许多各式的配置方式。目

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前,伺服系统正朝着数字化、智能化、模块化、网络化的方向发展随着伺服控制技术的突飞猛进,伺服控制系统已经涵盖许多控制领域。伺服控制系统主要应用于半导体、数控机床、电子及通信设备制造业、数字化装备制造业等方面。它具有许多学科相互交叉的性质,已形成了综合性的技术体系,是未来极具潜力的控制理论之一。

2.2.2控制系统的分类

伺服系统的类型较多,按其系统的控制方式可作如下分类:开环式伺服系统、闭环式伺服系统、半闭环式伺服系统。 1.环伺服系统

环伺服系统以步进电动机或电液脉冲马达为驱动执行元件,其被控对象的输出对控制器的输入没有影响。 环伺服系统如图2.4所示。系统每发出一个脉冲信号,经驱动电路放大后,送给执行元件,使其转动一个固定的角度,实现对负载的控制。开环系统控制简单,维护方便,但系统控制精度相对较低。

图2.4 开环伺服系统原理图

2.闭环伺服系统

闭环伺服系统以伺服电机为驱动执行元件,此种伺服系统的输入与输出量之间是顺向与反向作用两者兼有的伺服系统。闭环伺服系统如图2.5所示。这种伺服系统的定位ft度由测量元件的精度所决定。位移测量元件实时检测机床移动部件的位移情况,通过反馈相关信息,实现闭环伺服系统的控制。闭环伺服系统具有定位准确,控制精度高,但系统结构复杂,成本较高。

图2.5 闭环伺服系统原理图

3.半闭环伺服系统

半闭环伺服系统通过安装在齿轮轴上的角位移测量器件测量齿轮轴的转动来间接测量工作台的位移。测量器件测量出的位移量经反馈电路返回,与输入指令进行比较,之后校正齿轮轴的实际转动位移情况。半闭环伺服系统的性能介于开环伺服与闭环伺服系统之间。此种伺服系统的稳定性较好,成本低廉,但精度相对不高。

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第三章 步进电动机伺服控制器的设计

3. 1步进电动机伺服控制器的硬件组成

步进电动机伺服控制器由主控制模块、驱动控制模块、键盘显示模块、硬件抗干扰模块、步进电动机、电源等组成。系统组成框图如图3.1所示。

图3.1 系统组成框图

3.1.1主控制模块

主控制模块采用Atmel公司生产的八了AT89S51型号的单片机。AT89S51作为步进电机伺服控制器的核心控制器,主要进行脉冲信号及方向电平的发送工作。主控制模块的作用是控制驱动电路内部的脉冲分配器(也称环形分配器)将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲,即有一路输入,多路输出。脉冲分配器输出驱动电压经功率放大器进行放大,向步进电机的两相绕组提供所需的驱动相序。当键盘按下时,低电平有效,通过与门触发单片机的外部中断1与外部中断2,实现步进电机伺服控制器的运转工作,同时通过单片机的P1 口及P0.0-P0.2引脚向液晶显示器的D口及RS、RW、E引脚发送指令,选择数据寄存器或指令寄存器来进行相应的读或写操作,完成步进电机伺服控制器的运行状态的显示工作。在本课题中,约定“1”为高电平,“0”为低电平。主控制模块图如图3.2所示。

图3.2 主控制模块图

3.1.2驱动控制模块

步进电动机作为一种特殊的执行元件。它直接接入交直流电源工作时,是不能

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工作的。基于步进电动机工作的独特性,需要为其设计专门的驱动装置,以满足步进电动机正常的工作状态的要求。因此,驱动控制模块选用L298N与L297配合使用作为步进屯动机驱动控制模块。驱动模块框图如图3.3所示。本课题中的L297芯片及 L298N芯片可实现两相双极性步进电机或四相单极性步进电机的驱动控制。而单片机作为系统的核心控制器,主要实现方向、时钟信号的分配,驱动控制模块接收到控制指令后,由L297的脉冲分配器自动产生励磁相序,经L298N的双H桥式驱动器进行功率放大,最终输出符合步进电动机的驱动要求的驱动信号,使得步进电机运转。L297与L298N芯片配合的优点是需要的元件较少,从而使得装配成本低,可靠性高和占空间少,并且,通过软件程序进行驱动控制,可大大简化课题设计的负担,增加步进电机伺服控制器的灵活性。为排除干扰,在单片机与驱动控制模块之间,加入了 TLP521光电隔离元件,使得系统稳定性更高。

图3.3 驱动模块框图

L297芯片共有20个引脚,采用DIP20封装形式,它需接入+5V供电。L297主要由脉冲分配器(译码器),两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出控制逻辑组成。它有三种模式:即半步模式;基本步距一相激励模式;基本步距两相激励模式。L297的优势是仅需输入方向、时钟信号及模式信号,就可对其进行控制工作。而L297芯片的模式信号由19 (HALF/FULL)引脚设定,接入低电平时,进入全步方式,变换器在奇数状态,得到单相工作方式(单四拍),在偶数状态,得到双相工作方式(单四拍)。19引脚接入高电平时,进入半步方式,得到单双交互工作方式(八拍)。本驱动中,设置为两相八拍工作方式。L297的引脚功能说明如表3.1所示。

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