（农业电气化与自动化专业论文）基于c8051f005单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计.pdf

摘要 本课题采用比普通单片机快十多倍的c 8 0 5 i f 0 0 5 单片机，设计了基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 控制的直线步进电机驱动控制系统，扩大了细分度和速度的可调节范围。 在控制策略上，依据直线步进电机力一速特性和动力学方程，推导了直线步进电 动机理想的升降速控制曲线，实现了指数规律的升降速控制，使系统具有良好的动态 特性，解决了点位控制中的失步和直线步进电机行程末端的机械冲击问题；采用等 幅均匀细分控制技术，有效地克服直线步进电机低频振动，提高了电机在中、低速 运行时的性能，提高了系统的分辨率，减小了噪音；采用具有恒流斩波功能的专用 驱动芯片，使直线步进电机绕组电流恒定，电机运行更加平稳。 完成了c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机和u c 3 7 1 7 a 结合的硬件电路设计，用汇编语言编写直 线步进电机定位、匀速往返和加减速三种运行方式控制程序。实现了对直线步进电 机的启停、定位、调速及正反向运行的控制。最后在s l p m u - 0 2 5 a 样机上进行了测试， 实验结果满足设计要求。 该驱动控制系统可做为步进电机本体研发的配套设备，通过修改软件参数也可 推广应用于其他步进电机的驱动控制，具有较好的应用前景。 关键词：直线步进电机；均匀细分；指数升降频；单片机 d e s i g no fd u a l p h a s i cc o m p o s i t el s m d r i v es y s t e m b a s e do nc 8 0 51 f 0 0 5s c m a b s t r a c t t h el i n e a rs t e p p e rm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc 8 0 51 f 0 0 5s c m ( s i n g l ec h i p s m i c y o c o ) ，w h i c ht e n f o l dq u i c k e rt h a no r d i n a r yo n e ，i sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，t h e s u b d i v i s i o nr a n g ea n dv e l o c i t y sc o n t i n u o u sr e c o n c u a b i l i t yi se x t e n d e d i nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , t h ea c c e l e r a t e d e c e l e r a t er o l eo fl i n e a rs t e p p e rm o t o ri s g a i n e da c c o r d i n gt o i t sp o w e r - v e l o c i t yp e c u l i a r i t ya n dt h ed y n a m i c se q u a t i o n , a n d t h e r e b ya s c e n d d e s c e n dc o n t r o lo fe x p o n e n t i a lr u l ei sa c h i e v e da n dp o s s e s s i n gab e t t e r d y n a m i cp e c u l i a r i t y m e a n w h i l et h em i s s s t e po fd o t p o s i t i o nc o n t r o la n dm e c h a n i c a l i m p a c to fl i n e a rs t e p p e rm o t o ra c t i o nb o t t o ma r e a l ls o l v e d ，t h ee q u a l b r e a d t h s y m m e t r i c a l s u b d i v i s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y i s a d o p t e d i no r d e rt oo v e r c o m e l o w - f r e q u e n c yo fl i n e a rs t e p p e rm o t o la n dc o n s e q u e n t l yo r i e n t a t i o na c c u r a c ya n dn o i s e a r ea l li m p r o v e dt h ea p p r o p r i a t i v ed r i v i n gc h i pw h i c hh a si n v a r i a n c ew a v ef u n c t i o ni s a d o p t e d , c o n s e q u e n t l yl i n e a rs t e p p e rm o t o rc a nh a si n v a r a n c ec u r r e n ta n dab e t t e r b a l a n c e dd r i v ef u n c t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i t r y , i t sk e r n e li sc 8 0 5 1 f 0 0 5s c ma n du c 3 7 1 7 久d r i v e a p p r o p r i a t i v ec h i pi sd e s i g n e d t h r e ec i r c u l a t em o d ep r o c e d u r e ：o r i e n t a t i o n , p a r a l l e l v e l o c i t ya n da c c e l e r a t e d e c e l e r a t ea r ec o m p i l i n gb ya s s e m b l el a n g u a g e ；t h es t a r t s t o p ， o r i e n t a t i o n , v e l o c i t ym o d u l a t ea n dp o s i t i v e n e g a t i v ec i r c u l a t i o na r ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d i ti st e s t e di ns l p m u 一0 2 5 as a m p l em a c h i n ef i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti ss a t i s f i e d w i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t i tc a nb el a b p a r t n e r s h i pe q u i p m e n t f o rm o t o rn o u m e n a lr & d ( r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t ) ，a n dc a nb eg e n e r a l i z e dt ot h ep r o d u c t i o no fl i n e a rs t e p p e rm o t o r s a p p r o p r i a t i v ed r i v i n gc o n t r o li n s t r u m e n ti nv i r t u eo fm o d i l y i n gp a r a m e t e r , w h i c hh a sa p r e f e r a b l ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：l i n e a rs t e p p e rm o t o r ； 0 ir e c t e db y ：a p 0 i a ns h a n z h u a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：l luaipin g ( a g r i c u l t u r a le l e c t n f i c a n o na n d a u t o m a t i o n ) ( c o l l e g eo f m e c h a m c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , i n n e rm o n g o l m a g r i c u l t u r a lu m v e r s l 乜h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢盯 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：型避 日期：2 煎堡盟堡j 4 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印，缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：墨望盔 指导教师签名：氢碰丛 日 期兰哩垒图! ! 璺 内蒙吉农业大学硕士学位论文 1 1 引言 直线步进电机是步进电机家族中近年来发展较快、具有广阔应用前景的重要一 员，它能将输入的电脉冲信号直接转换成相应的微步直线运动。直线步进电机是旋 转步进电机电磁拓扑的变种，由于省去了旋转类步进电机必需的丝杠和链条等机械 转换装置，结构大为简化，在需要直线驱动的场合从定位精度、工作效率和能源节 约等方面显示出愈来愈明显的优势。随着微机技术和集成电路的发展、直线步进电 机本体的日臻完善、驱动控制技术的不断提高以及直线运动应用领域的逐渐增多， 直线步进电机正朝着其它直线运动驱动装置不能满足和使用旋转电机有困难的领域 发展，直线步进电机的发展前景将更加广阔“1 。 1 1 直线步进电机的发展及应用 ( 1 ) 国外发展概况及应用 步进电机最早在1 9 2 0 年代由英国人开发哪。它的原始模型起源于1 8 3 0 年至1 8 6 0 年问，1 8 7 0 年前后开始以控制为目的的尝试应用于氢弧灯的电极输送机构中，这被 认为是最初的步进电动机啪。在近3 0 年间，步进电动机迅速地发展并成熟起来，从 发展趋势来讲，步进电动机已经能与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列， 成为电动机的一种基本类型“1 。 1 8 4 0 年，惠斯登( w h e a t s t o n e ) 开始提出并试制了略具雏形的直线电动机，但没 有成功。1 9 4 5 年美国的w e s t i n g h o u s e 电气公司以7 4 0 0 k w 直线电动机为动力，首先 研制成功名为“e l e c t r u p u l t ”的电力牵引飞机弹射器。它的试验成功，使直线电动 机的优点受到重视“l 。 直线步进电机随着步进电机和直线电机发展起来，虽然它的发展历史短，但由 于其自身的优越性，应用领域很广泛。直线步进电机的主要应用领域为绘图仪、打 印机、软盘驱动器等计算机外围设备，如美国惠普公司生产的x - - y 绘图仪和i b m 公司生产的高速打印机以及计算机磁盘的磁头驱动均采用直线步进电机；直线步进 电机在数据设备、情报设备中也有广泛应用；另外，日本正在进行将直线步进电机 做为人工心脏动力源的研究工作，从而将直线步进电机的应用拓展到医学领域；还 有集成电路制作、焊接封装等工业生产流水线上，智能机械手和智能机器人中都需 要高定位精度、高可靠性的直线运动驱动器，而直线步进电机很容易与微型计算机 相结合构成这种驱动器，所以在工业生产线和机械制造加工领域直线步进电机也有 很好的应用前景”。 ( 2 ) 国内发展概况及应用 我国步进电机的研究及制造起始于上世纪5 0 年代后期。上世纪7 0 年代以来， 直线步进电机的研究发展较快，中国科学院电工研究所、上海工业大学、西安交通 大学、浙江大学、太原理工大学等高等学校对直线步进电机进行理论研究，并取得 2 基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 了许多成果。在直线步进电机应用方面成果丰富，如煤矿井1 3 推车机、电动门、调 车场加减速器、浮法玻璃搅拌机等都获得到推广应用饥”。可见，直线步进电机是一 种很有发展前途的高科技直线运动驱动装置。 1 2 存在问题及选题意义 ( 1 ) 存在问题 我国自行研发的直线步进电机驱动控制器，和国外相比差距很大。实际应用中 多使用国外生产的通用驱动控制器，成本很高；国内产品种类很少，而且大部分产 品细分只有较少档位，定位精度不理想，电机运行不流畅，噪音较大；调速控制几 乎都采用直线升降速控制技术，不能很好地发挥直线步进电机的加速性能，速度可 调节范围窄嘲。这些因素严重制约了直线步进电机的推广应用。 ( 2 ) 选题意义 直线步进电机不能直接接到交直流电源上，必须使用专用设备一步进电机驱动 器，并通过控制器去控制电机运行。因此，对步进电机驱动控制器的研究与对直线 步进电机本体的研究同等重要。设计出性能良好的驱动控制器，有助于克服直线步 进电机本体固有的振动缺陷，充分发挥直线步进电机可方便地进行数字化控制的优 势，进一步提高系统的分辨率，拓宽直线步进电机的应用领域。也可为我国自行研 制驱动控制器提供思路，加快我国直线步进电机发展步伐。 i 3 课题内容 本课题针对两相混合式直线步进电机，设计了基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机和u c 3 7 1 7 a 专用驱动芯片结合的硬件部分，依据直线电机特性，选择驱动控制方案，完成了直 线步进电机三种基本运行方式的软件编制。具体设计内容包括： ( i ) 分析直线步进电机结构和工作原理。 ( 2 ) 推导指数规律的加减速方程，阐述所应用的等幅均匀细分和升降速驱动控 制理论及算法。 ( 3 ) 设计控制单元电路、驱动电路、过流保护电路、键盘和显示器等各部分硬件。 ( 4 ) 编写并调试各部分模块程序。包括主程序、t o 中断子程序( 电机运行一步 子程序) 、定位运行子程序、匀速往返运行子程序、加减速运行子程序、c p 中断子 程序( 过流保护子程序) 和键盘扫描子程序及t 3 中断子程序( 显示子程序) 等。 ( 5 ) 在实验室里完成驱动控制系统的测试。 2 直线步进电机的结构原理及样机简介 2 i直线步进电机的基本结构和工作原理 直线步进电机大致可归纳为两大类型：一类是反应式直线步进电机；另一类是 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 混合式直线步进电机。 ( 1 ) 反应式直线步进电机 反应式直线步进电机，也叫变磁阻式直线步进电机。这种步进电机磁场仅由线 圈产生。最简单的变磁阻式直线步进电机是三相变磁阻式直线步进电机，其基本结 构如图l 所示。位置上磁极的齿与定子的齿相对顺次错开1 3 齿距，只有一相绕组 通电时，根据能量最小原理( 磁力线总是沿着磁阻最小即磁导最大的路径闭合并力图 缩短磁通路径以减小磁阻) ，对应绕组围绕的铁心柱中磁通最大，该磁极下的齿将与 定子齿对齐，从而使动子前进1 3 齿距。于是三相绕组按a b - c - a 的单相三拍顺序 通电时，动子就以1 3 齿距的步距作直线步进运动；以a c - b _ a 的顺序通电，动子 则反方向运行。 i l 4 司 n 几几几厂 几几厂 厂 厂 广 厂 n 1定子j 图1 三相反应式直线步进电机基本结构 ( 2 ) 混合式直线步进电机 混合式直线步进电机的基本结构( 见图2 ，最简单的两相混合式直线步进电机的 基本结构) 与反应式直线步进电机的基本结构相似，不同之处为：电机磁场由永久磁 铁和绕组电流共同产生。当电磁铁没有电流时，永久磁铁向所有的磁极提供大致相 等的常值磁通，动子不受水平推力，可稳定在任何随机位置上，随着各相控制绕组 中电流发生变化，使得各极下磁场位置发生变化，因而带动步进电机动子产生直线 步进运动“3 。混合式直线步进电机和反应式直线步进电机相比，最大的优点是可以 实现零电流定位。 永垒磁铁竖 茎竺一一 i i - i 二i l j 叠_ _ i 芦子 因磁极1 圈磁极捆圆磁极3 因因磁极4 因 图2 两相混合式直线步进电机基本结构 4基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 2 2 样机简介 ( 1 ) 样机结构和工作原理 以日本生产的两相混合式直线步进电机s l p m u - 0 2 5 a 为设计样机，其参数见附 录，外观构造如图3 所示。 围3s l p i l u - 0 2 5 a 外观图 s l p m u - 0 2 5 a 的特点是它的磁通路径具有三维性。图4 为一相激磁和两相激磁方 式下电机处于某一平衡位置时的磁通路径图。这种结构特点可使电机的动子运行更 加平稳“。 ( a ) 一相激磁某平衡位置时磁通路径 ( b ) 两相激磁某平衡位置时磁通路径 圈4 $ l p l i l u - 0 2 5 a 平衡位置处的磁通路径 图5 为s l p m u - 0 2 5 a 整步运行的励磁状态图。电机正向运行时，以一定频率的脉 冲控制电机两相励磁绕组电流，按图5 顺时针循环改变为： a lb + - a 一一b a + ；电机 反向运行时，以一定频率的脉冲控制电机两相励磁绕组电流，按图5 逆时针循环为： a + b + a b + 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 f a j 图5s l p m u - 0 2 5 a 整步运行励磁状态图 3 控制原理、算法和驱动控制方案选择 3 1 常用的步进电机驱动控制方法 直线步进电机是典型的机电一体化元件。直线步进电机本体、直线步进电机驱 动器和控制器是构成直线步进电机系统不可分割的三大部分。当直线步进电机本体 确定后，系统的性能主要取决于驱动控制器的优劣“”。 驱动控制原理：直线步进电机受脉冲信号控制，接收到一个脉冲控制信号，就 改变一次励磁状态，驱动器按设定方向驱动电机走一个固定步距。脉冲输入越多， 走过的步距越多，即走的距离越长；输入脉冲频率越高，速度越快；励磁状态改变 的顺序不同，电机运行的方向就不同。因此通过控制脉冲有无，可控制电机的启动、 停止；通过控制脉冲个数可控制电机位移量，达到准确定位的目的；通过控制脉冲 频率可控制直线步进电机的速度，达到调速的目的；通过控制励磁状态改变的顺序， 可控制电机的运行方向。 常用的驱动控制技术主要有以下四种： ( 1 ) 常规驱动 主要指单电压串电阻驱动、双电压驱动和高低压驱动。主要通过串电阻和提高 启动电压等简单方法使绕组导通电流上升的前端变陡，改善电机高频特性，提高电 机的高频响应。主要优点是：电路简单、成本低。缺点是：能量消耗大，电机低频 运行不平稳，噪声较大，控制精度不够高n 2 “目。 ( 2 ) 恒流斩波驱动技术 恒流斩波驱动控制技术采用脉冲调制( p 删) 等方式，使相绕组电流基本保持恒 定。优点是：能够保证电机牵出转矩的平均值基本恒定。同时，电机的高频响应得 以提高，共振现象减弱。不足是：不能解决步进电机本身所固有的低频振动问题。 ( 3 ) 细分驱动控制技术 细分驱动也称微步驱动。其基本思想是：在每次输入脉冲切换时，不将相绕组 电流全部通入或切除，而只改变相应绕组中额定电流的一部分，这样电机的合成磁 6 基于0 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行角度也只有步距角的一部分。利用电 流控制技术可以实现步进电动机的微步驱动，提高步进电动机系统分辨率和运行平 稳性，解决低频振动问题，进一步改善系统的牵出特性。 ( 4 ) 加减速升降频控制技术 加减速升降频控制是指步进电机以较低的速度启动，通过逐渐加速达到较高工 作速度，然后稳定运行，停止时逐渐减速到较低速度，然后以低速停止。目的是： 避免因失步无法启动或启动时失步，停止时过冲。此外，对于要求高的场合需采用 有位置、速度反馈的闭环控制，但成本较高“3 “ 3 2 细分驱动控制原理及算法 3 2 1 细分驱动必要性 步进电机振动和噪声比其他类型的微电机都高，此缺点严重限制了对它的有效 利用。细分驱动技术可将步进电动机的脉冲细化，减小步距角，保证电机低速时平 稳运行，细分驱动在一定程度上有效克服了以上两个缺点。在电机相数和极数一定 的情况下能提高电机的分辨率，实现精确定位。 3 2 2 两相混合式步进电机等幅均匀细分原理 国内外研究步进电机细分驱动的理论很多“”“”“。目前，等幅均匀细分理论 是对两相混合式步进电机较为先进的方法之一。 计算电磁转矩时，将定子线圈的自感看作一个常量嘲，则两相混合式步进电机两 相通电时的转矩可以表示为“1 ： z = p rm ( s i n # + c o s o ) ( 1 ) 式中l 为永磁铁等效励磁电流；m 。为互感；p 为电机转子齿数；目为转子的角 位置，是转子与参考坐标( 定子极上小齿的中心线) 的夹角。两相混合式步进电机的 矩角特性为正弦曲线，这一特性是步进电机细分控制得以实现的理论基础。 设两相混合式步进电机的两相绕组中电流满足如下相角关系： 2 k c 0 5 p ( 2 ) k = k s i n p 式中p 为电机轴预置位置的电角度，将( 2 ) 式代入( 1 ) 式后有 e = 川一s i n p d ( 3 ) 从转矩的表达式( 3 ) 可看出它与同步电机有相似的形式，此时两相混合式步进电 机可视作为一台多极两相永磁同步电机分析，如果转子有p 个齿，则它的特性相当 于一台2 尸个极的两相同步电动机。对于理想化模型( 不计铁芯饱和的影响并忽略磁 导中高次谐波的影响) ，两相混合式步进电机定子的两相绕组中分别通入模拟的正、 余弦电流则可得到类似同步机的转矩特性，使电机均匀旋转。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 当按照( 2 ) 式的规律对a 、b 两相电流进行控制时，每当参数p 变化一次，步进 电机的转子将转过一个角度，且转矩幅值恒等不变。通过调节。的大小可以调节 输出转矩的大小，一个周期内p 的采样次数就是细分数，也是转子转动一个齿所需 要的步进脉冲数。如果对绕组电流划分的足够细，那么电机可以以任意小的步距角 转动。 图6 为四细分控制( p = 州8 ) 时两相混合式步进电机的转矩星矢量变化。在4 细 分控制时，电机步进时的每一整步( 由t a 到t b - ) ，细分时要前进4 个微步( t a t 卜t 2 一 t 3 一t b - ) 。细分数增加后，同一时间内，电机整步运行时每前进一步，在细分控制时 就要前进许多微步，这样当步进电机低速运行时采用细分控制，可以降低电机转矩 波动和角速度波动，提高控制精度、减少运转噪音、延长电机使用寿命n m 。 心谚 叼。p a 围6 四细分控制时两相混合式步进电机的转矩星矢量星形图 3 2 3 两相混合式步进电机的等幅均匀细分算法 等幅均匀细分算法是用有限的数字化电流量来模拟正弦电流，从而实现驱动控 制。图7 为两相混合式步进电机8 细分时，在一个步距角内电机a 、b 两相绕组电 流的变化情况。 r 戬值厂 芬n 锻际盔挈 。：，。2 兀一 图78 细分时在一个步距角内电机凡b 相电流的变化情况 8基于c 8 0 5 1f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 直线步进电机可认为是旋转步进电机的展开，等幅均匀细分算法也同样适用于 对直线步进电机的控制。 3 3 升降速控制原理及算法 3 3 1 升降速控制的必要性 由步进电机矩一频特性可知，步进电机的转矩随着脉冲频率的上升而下降，启动 频率越高，启动转矩越小，带动负载能力越差。当启动频率较高时，启动时会造成 失步，停止时又会发生过冲。因此如果需要步进电机以较高的速度工作，必须借助 于升降频控制才能实现，但升降频过程中脉冲频率的变化不合理，轻则使步进电机 失步且升降速时间延长，重则使输出力矩达不到设计指标，限制了步进电机的最高 工作速度啪“。 一般的升降速规律设计，常常选择按直线规律升降速“1 ，这种控制方法简单， 但由于它的脉冲频率变化为一个恒定的加速度，所以不能保证升降速过程中步进电 机转子角加速度的变化和它的输出力矩变化相适应，未能很好地发挥电机的加速性 能。因此有必要对脉冲频率进行合理性的研究与论证，寻求一种较理想的升降速曲 线，使步迸电机在运行过程中能够快速定位，并且运行步数准确豳“。 图b 步进电机直线规律升降速曲线 3 3 2 指数升降速方程推导 为了找出理想的升降速规律，依据直线步进电机动力学方程和力一速度特性曲线 推导升降速曲线如下： s l p m u - 0 2 5 a 直线步进电机的动力学方程式为协1 ： 肼罢= f a x , 弛) 咧旷屯一e ( 4 ) 式中：肼一动子的质量； v 一电机运动速度； x 一电机的位移； 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 只一电机的电磁推力； f o ( v ) 一摩擦力； e 一负载力； 屯一粘滞阻尼系数。 卜实际力速特性曲线2 - 拟合力速特性曲线 圈9 样机的力一速拟合曲线图 s l p m u - 0 2 5 a 直线步进电机的力速特性曲线如图9 中曲线l 所示矧。用图9 中 的直线2 将曲线1 作近似拟合得： e = 1 8 5 0 8 3 3 v ( 5 ) 电机动子质量册为0 4 5 k g ，摩擦力z ( v ) 为1 3n 嘶1 ，粘滞阻尼系数屯取电机的制动 力2 n ，瓦负载力为额定负载i o n 。将这些数据和( 5 ) 式代入( 4 ) 式得： 045一dv 5 2 083 3 v( 6 ) 出 设电机从零开始升速，则( 6 ) 式方程的解为： v = ( 1 一e - t f ) 式中： r = 筹- 0 0 5 4 s ； k = 嚣- 0 6 2 4 m s 则升速曲线方程为： ，= 0 6 2 4 ( 1 一e - q 0 0 5 4 ) m l s ( 7 ) 减速为加速的逆过程，减速段从匀速速度开始，方程可认为是： v = 舻一“。“( 册s ) ( 8 ) 1 0基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 由式( 7 ) ，( 8 ) 可见运行速度v 和时间f 满足指数规律。 3 3 3 升降速离散逼近控制算法 图1 0 中曲线l 为推导出的理想升降速曲线，控制中为了便于编制程序，用阶梯 曲线2 来逐渐逼近升降速曲线，以此拟定升降速算法。图l o 的纵坐标是速度，反映 频率的高低( v m 为要求达到的工作速度) ，横坐标是时间，各段时间内走过的步数用 n 来表示，步数实质上反映运行距离。本课题中拟定算法时采用等时间分割法，升 速段的具体算法为： 1 理论升速曲线2 一实际升速曲线 圈1 0 升降速阶梯离散逼近图 将升速段均匀地离散为n 个等时间段： 可求得加速段的总时间为：t , = 0 0 5 4 i n 百瓦0 6 石2 4 i 5 每段所用时间为： a t = t r n 5 每一段对应速度为： v = 0 6 2 4 ( 1 一f 一州o “) ( i = o ，1 ，n ) ； 各段内运行步数为：i = m 觑肛( s 为整步步长；x 为设定的细分数) ； 各段内脉冲的时间间隔t 为：t = f 。 由图l o 可知，n 越大曲线2 越接近曲线l ，步进电机的运行越平稳，但速度的 档位也相应增多。实际取值时，满足f 。一f i - 。 f 。即可，f 。为系统的允许突跳频率f 。， 可由电机的最高空载启动频率求得，一般取“f q = f 。2 3 。降速段的算法和升速段类 似。 3 4 驱动控制方案选择 综合考虑步进电机各种驱动控制技术的利弊，结合直线步进电机的工作特点， 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 i 选择驱动控制方案如下：采用恒流斩波驱动技术，使绕组电流保值持恒定，直线步 进电机运行平稳；采用等幅均匀细分驱动控制技术，克服直线步进电机固有的低频 振动，同时提高系统分辨率；采用升降速控制技术，扩大直线步进电机的速度调节 范围。其中恒流斩波驱动技术通过专用驱动芯片实现。细分驱动、加减速升降频控 制由单片机控制单元编制程序实现。 4 驱动控制系统硬件设计 4 1 驱动控制系统硬件组成 直线步进电机驱动控制系统由硬件和软件两部分组成，其硬件系统的组成如图 l l 所示。 j 保护 鹫卜控 广_ 匪 制 篮 一驱动 兀 1 一 图1 i 硬件组成图 键盘用于直线步进电机运行方式和参数的设定，显示器配合键盘显示设定内容， 电源给各部分电路提供所需电压，保护电路实现对直线步进电机和驱动器的保护， 控制单元通过执行程序控制各部分完成相应功能。 4 2 控制单元 控制单元核心部件选用美国s i l a b s 公司的c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机。c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片 机内部集成有许多功能部件，运行速度快，可以通过外扩少量接口电路实现对各种复 杂过程的控制，从而在保证系统高可靠性的同时减小系统的体积。 ( 1 ) c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机内部配置 c 8 0 5 1 f 0 0 5 内部配置由模拟外设，数字i o 和高速微控制器内核三部分构成， 如图1 2 所示。 其中模拟外设配置有：模拟多路开关a m u x ，可编程增益放大器p g a ，温度传感器， 模数转换器a d c ，电压基准v r e f ，两个数模转换器d a c ，两个电压比较器。 1 2基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 数字z o 配置有：可编程计数器阵列p c a ，总线s m b u s 、s p i ，串行口u a r t ，定 时器o 3 ，交叉开关，通用端口0 3 。 高速微控制器内核配置有：高速8 0 5 1 内核，s r a m ，可在线编程的f l a s h 内存， 片内j t a g 调试和边界扫描，时钟电路，仿真电路，控制电路。 围1 2c 8 0 5 1 f 0 0 5 的内部配置 ( 2 ) c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的c p u 速度 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的c p u 采用流水线结构，与标准8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大提 高，图1 3 给出了几种8 位微控制器内核工作在最大系统时钟时，峰值速度的比较关系。 该单片机的高速性能能保证设计中高细分的实现。 “，! “；麓”0 盏毫叠 f 2 5 吼or l k -拍弛一3 螂zo i f l e 蚍一l 圈1 3m o u 峰值执行速度比较 4 3 驱动控制系统硬件连线图 驱动控制系统硬件如图1 4 所示： 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 显示器电路由四个8 段l e d 数码显示器构成，利用单片机p 3 口送所显示数据的段 码，p 2 口高四位分别送四个显示器的选通信号，轮流选通各位显示器，动态显示通 过键盘设定的参数。 田1 4 以c 8 0 5 1 f 0 0 5 为核心控制单元的主要硬件配置图 键盘电路由五个按键构成，其中四个复合按键接单片机p l 口的低四位，用于进 行电机运行参数设置及给电机发送命令。另外一个按键与单片机复位引脚( r s t ) 相 连，可使系统复位。 电源部分为系统提供所需的四种电压。单片机开发套件为单片机+ 端提供所需 的2 7 v 3 6 v 数字电压，v d d 端提供所需的2 7 v 3 6 v 模拟电压，用稳压电源提 供驱动芯片等电路所需的5 v 和2 4 v 模拟电压。其余电路将在后面做详细介绍。 4 4 驱动电路设计 驱动电路由两片u c 3 7 1 7 a 芯片组成。u c 3 7 1 7 a 芯片具有恒流斩波功能，可使步 进电机运行平稳，减少步进电机共振现象发生，接收单片机的输出信号，对步进电 机进行细分驱动的控制，可使驱动控制器的体积减小，可靠性提高。 4 4 1 u g 3 7 1 7 a 驱动芯片 ( 1 ) u c 3 7 1 7 a 引脚及外围电路图 图1 5 为u c 3 7 1 7 a 驱动芯片的引脚图和所设计的外围电路。其中l 引脚和1 5 引 脚之间接直线步进电机的一相绕组，输出经驱动芯片放大的电流；7 、9 引脚分别接 1 4基于0 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 单片机的p 2 3 、p 2 2 引脚，由它们的逻辑组合，决定电机绕组的电流档位( 各档位 电流值见表1 所示洲) ；8 引脚接单片机的p 2 0 或p 2 1 引脚，给绕组电流送方向电 平；l l 引脚接单片机d a c 转换输出端，由d a c 转换输出端的电压u | 控制绕组电流 大小。 c 圈1 5u c 3 7 1 7 引脚及外电路图 如固定选择某一电流档位，而u r 按某一规律变化，则绕组平均电流也将按此规 律变化。设计中正是利用芯片的这一特性，由按式( 2 ) 规律变化的细分励磁电流计算 出u 。值，再将u r 值换算为8 位d a 转换器的数字量送入单片机的d a c 进行转换，从 而实现直线步进电机的等幅均匀细分。 表1u c 3 7 1 7 a 电流档位表 此外，芯片的1 6 引脚接电机的取样电阻i l s ，凡和电机绕组串联，形成的电流反 馈经、c 。低通网络回送到1 0 引脚，用于控制绕组电流。2 引脚接的r r c t 电路，用 于触发芯片内部单稳电路，单稳电路的关断时间常数公式为函1 ：t 螂_ - - - 0 6 9 r t c r 。这 部分外围电路主要用于实现恒流斩波功能。电机绕组的平均电流取决于绕组电感和 单稳电路的关断频率，典型的绕组电流波形如图1 6 所示： 时尊聱群量-严茁罄酋 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 ：n。 一， 围1 8 典型的绕组电流波形 ( 2 ) u c 3 7 1 7 a 外围电路参数选择 1 ) 取样电阻凡：直线步进电机绕组电流的具体数值由仉、风决定，计算公式为 1 ：i = ( u 木o 0 8 4 ) 磁 a ，1 0 0 级别；i = ( u | 爿c 0 0 5 0 ) 凡 a ，6 0 级别；i = 姒 0 0 1 6 ) 凡 a ，1 9 级别。由于驱动芯片u 。端最大值为单片机d a 转化器 的基准电压2 4 v ，s l p m u - 0 2 5 a 直线步进电机的额定电流为1 2 a 相( 见附录) ，因此 取样电阻凡应选为0 1 6 8 q 。 2 ) r r c r 电路：选用r r ：5 6 k q ，c ，r = 8 2 0 p f ，则to f f 3 2 u s 。 3 ) 低通网络、c c ：、c 。滤除取样电阻的尖峰干扰，防止它进入芯片内部比 较器。设计依据经验选用r c = 5 6 kq 、c = 8 2 0 p f 。 4 4 2 驱动电路 d a c i p z i 气2p zop 23d a o d 直线步进电机 图1 7 驱动电路 16 基于c 8 0 5 1f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 驱动电路设计如图1 7 所示。两片u c 3 7 1 7 a 的l l 引脚分别接单片机d a 转化器 的输出端d a c o 、d a c l ，给电机的a 、b 两相绕组送细分台阶电压u r 。8 引脚接单片 机的p 2 0 、p 2 1 ，分别给电机的a 、b 两相绕组送方向电平。9 、7 引脚接单片机的 p 2 2 、p 2 3 决定驱动芯片的电流档位。 4 5 过流保护电路 过流保护为防止电机故障或其他故障引起驱动芯片和电机烧毁而设置。绕组b 的过流保护电路如图1 8 所示。s l p m u - 0 2 5 a 直线步进电机额定电流为1 2 相，设计 时过流系数取为1 2 5 ，因此设计为电机超出1 5 a 时进行过流保护。图1 8 的i b 来 自取样电阻，经滤波网络滤除尖峰干扰后利用单片机端口c p i + 送单片机片内比较器 1 的同相端，由于取样电阻为0 1 6 8 q ( 为了确保取样值的精确，该取样电阻使用1 精度的金属膜电阻) ，所以经分压电阻分得的给定电压应约为0 2 5 v ，给定电压利用 单片机端口c p i 一送片内比较器l 的反相端。当绕组电流超过1 4 8 8 a ，比较器l 翻转， 引起过流保护中断，单片机在执行过流中断服务子程序中，停送直线步进电机的控 制脉冲，关断驱动芯片电路，实现过流保护。绕组a 的过流保护电路设计方法和绕 组b 完全相同。 旧 5 v 2 2 k 0 r 2 2 k q 一一 。- 。_ _ 一 j 盟n f 一 广_ 图1 8 绕组b 的过流保护电路 c p l c p l + 4 6 硬件抗干扰措施 硬件系统为了抗干扰主要采用以下措施：选用高稳定性、高集成度数字芯片， 芯片设有去耦电容，防止电源干扰；键盘和单片机之间进行光电隔离；利用看门狗 定时器溢出，使单片机内的“看门狗”电路强制单片机复位；将模拟地和数字地以 及光耦的输入和输出用瓷珠隔离，以减少电磁干扰等。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7 5 软件设计 5 1 软件设计总体方案 “硬件是控制系统的躯体，软件是控制系统的灵魂”，系统中控制任务的实现 最终靠软件来完成，软件的设计将直接决定整个系统的控制性能。软件设计采用结 构化模块程序，各模块和分支结构如图1 9 所示。 定 位 ，一 还 行 方 式 系统 运行方式模块7f 功能子程序模块ff 中断服务模块 匀 速 往 返 方 式 加 减 速 ， 题 行 方 式 系 统 初 始 化 运 行 参 数 设 定 参 数 ， 还 算 及 传 递 键 扫 描 及 显 一 不 匿 行 控 制 图1 9 软件的模块结构 看 门 狗 溢 出 复 位 t 0 定 时 器 由 断 t 3 定 时 器 巾 断 c p 比 较 器 由 断 系统软件主要由三大模块组成。其中运行方式模块将主程序分为定位运行方式， 匀速往返运行方式，加减速运行方式三个分支。功能子程序模块主要完成运算、控 制等功能。中断服务模块中t 0 定时器中断给直线步进电机送运行控制脉冲；t 3 定 时器中断动态显示所设定的运行参数；c p 比较器中断进行过流保护。 5 2 系统主程序 主程序流程图如图2 0 所示。首先关掉看门狗定时器，系统初始化完成之后，通 过调用键扫描和显示子程序设置运行方式和对应参数，依据设定细分数计算并填写 励磁电流表，然后将主程序按运行方式分为三大分支。电机运行时通过判断进入对 应方式下执行，若产生中断就转去执行相应的中断服务程序，其中的定时器t o 中断 子程序控制直线电机运行一微步，当所有预置步数走完后完成一次运行任务，返回 等待下次任务。 1 8基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式直线步进电机驱动系统的设计 圈主程序流程图 5 3 定时器t 0 中断子程序 定时器t 0 中断子程序是直线步进电机运行一微步的程序，t o 每中断一次，给 电机送一个控制脉冲，控制直线步进电机走一微步。在执行定时器t o 中断子程序中 需要给绕组按( 2 ) 式规律送励磁电流值和方向电平。表2 为依据设定的细分数，单 片机调用余弦函数计算出的与绕组励磁电流对应的d a 输入数字量存储表，表3 为 与之配合的控制绕组电流方向的电平表啪。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 为十二位d a c ，因此理论上可实现的最大细分数为4 0 9 6 ，但最大细 分数受单片机速度、d a c 转换速率制约，特别是直线步迸电机高速运行时，细分数 不能太高，否则控制脉冲间隔太短，单片机还没有完成上次脉冲的数据处理，就又 需给电机发下一个控制脉冲，这样会导致系统紊乱。因此在编制程序时，最大细分 数限制为2 5 5 ，当设定的细分数超过2 5 5 时程序中以2 5 5 对待。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 9 裹2 与绕组励磁电流对应的d a 输入数字量存储表 注；x 为用户设定的细分数，可取为2 2 5 5 间的整数 表3 控制绕组电流方向的电平表 注：x 为用户设定的细分数。 在定时器t o 中断子程序执行中，首先使能看门狗定时器，然后单片机顺次去查 表2 ，分别取电机a 、b 相绕组励磁电流对应的d a 转换数字量，送d a c 转换。依据 等幅均匀细分算法，a 相绕组电流按余弦规律变化，因此取a 相励磁电流的查表顺 序为：从表首到表尾再到表首的规律循环；b 相绕组电流按正弦规律变化，因此取 b 相励磁电流的查表顺序为：从表尾到表首再到表尾的规律循环。转换后的励磁电 流送驱动芯片“端；同时按表3 规律送上与a 、b 励磁电流相配合的方向电平；最 后送上电流档位逻辑。这样，使直线步进电机的励磁状态每改变一次，直线步进电 机运行一微步，实现了直线步进电机的等幅均匀细分驱动。图2 l 为定时器t o 中断 子程序流程图。 2 0 基于c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机的两相混合式赢线步进电机驱动系统的设计 使