基于89C2051的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種基于89C2051單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)化了電機(jī)在不同工作頻率下的能量供給，取得了高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。

關(guān)鍵詞：? ?可控電源; 步進(jìn)電機(jī)；89C2051
引言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要分為恒壓驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等，其中恒壓驅(qū)動(dòng)是成本最低、最簡(jiǎn)單的解決方案，但是它的顯著缺點(diǎn)是：高頻力矩下降較快，無(wú)法滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的要求。另外，目前市場(chǎng)上幾乎所有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都存在著低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。在成本壓力較大、對(duì)功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。

本設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)低成本可控電源，針對(duì)控制頻率的全程范圍，相應(yīng)輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時(shí)，在同一頻率下采用高低壓驅(qū)動(dòng)法，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實(shí)現(xiàn)了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。
硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)電路、可控電源電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。單片機(jī)采用ATMEL公司的89C2051。實(shí)際應(yīng)用中，用其P1口低4 位輸出控制信號(hào)給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)控制信號(hào)為“0000”時(shí)輸出電壓最低，控制信號(hào)為“1111”時(shí)輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號(hào)給四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)根據(jù)控制策略決定驅(qū)動(dòng)電壓的高低和相序的變化。

可控電源

可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源，其輸出電壓為：

圖1 可控電源電路
其中VH 為緩沖器輸出的高電平電壓，VD 為二極管結(jié)壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機(jī)I/O口數(shù)字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩(wěn)定性和電流驅(qū)動(dòng)能力，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在單片機(jī)I/O口數(shù)字量控制下向VREF 節(jié)點(diǎn)提供電流從而改變輸出電壓Vout，二極管的作用是防止控制信號(hào)為低電平時(shí)產(chǎn)生反相電流。本設(shè)計(jì)采用4 位I/O控制信號(hào)，形成了4位8級(jí)可調(diào)電源。

四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2所示為四相單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要由MOSFET、續(xù)流二極管、電阻組成。單片機(jī)I/O口輸出信號(hào)MA、MB、MC、MD為高電平時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管MOSFET導(dǎo)通，Vout向?qū)?yīng)的電機(jī)繞組供電。電路中為了減小驅(qū)動(dòng)元件的壓降，采用了具有低導(dǎo)通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構(gòu)成電機(jī)繞組的續(xù)流回路，避免了MOSFET器件在換相時(shí)由于瞬間電壓過(guò)高而擊穿。

圖2 四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制方案及軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設(shè)計(jì)中采用了高低壓驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)頻率分段而調(diào)整相結(jié)合的控制策略。

高低壓驅(qū)動(dòng)方案

圖3 所示為單片機(jī)輸出的步進(jìn)電機(jī)相序控制信號(hào) MA、MB、MC、MD與驅(qū)動(dòng)電壓Vout的時(shí)序關(guān)系?？刂葡嘈蛞来螢椋篈B→BC→CD →DA→AB...。圖中可見(jiàn),步進(jìn)電機(jī)每走一步驅(qū)動(dòng)電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓。Uf值高于UO值的目的為了使電機(jī)保持較高的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)電壓變成U0，以便給電機(jī)提供較低的維持轉(zhuǎn)矩所需的電流。T1的值是固定的,當(dāng)頻率較低時(shí)T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T1，此時(shí)電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機(jī)做的功低。當(dāng)頻率提高時(shí)，T減小，一個(gè)周期內(nèi)U0電壓在時(shí)間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機(jī)做功較大，當(dāng)T小于等于T1時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為一個(gè)恒定值Uf。從而實(shí)現(xiàn)了低頻低功耗，高頻高能量供給的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)模式，避免了常用驅(qū)動(dòng)電路低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。

圖3 相續(xù)控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系

頻率分段調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的控制

實(shí)際應(yīng)用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)電壓值，頻率越高驅(qū)動(dòng)電壓越大。由于步進(jìn)電機(jī)繞組是感性負(fù)載，換相過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路電流變化率越大，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩越大。而電流變化率是與驅(qū)動(dòng)電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軟件

根據(jù)上述控制方案，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)先建立了不同段頻率與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓控制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并存入系統(tǒng)存儲(chǔ)器。運(yùn)行過(guò)程中依據(jù)當(dāng)前工作頻率，對(duì)應(yīng)出每步周期T，再通過(guò)查表確定驅(qū)動(dòng)電壓控制代碼，并由口P13--P10輸出給可控電源，同時(shí)口P17--P14輸出相序控制信號(hào)。另外，驅(qū)動(dòng)電壓Uf建立時(shí)間T1決定了高壓輸出在每步驅(qū)動(dòng)中所占的比例，T1時(shí)間到，則變成維持電壓U0(低壓)供電，從而實(shí)現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)。
應(yīng)用情況與結(jié)果

本控制方案在XL21系列醫(yī)用點(diǎn)滴泵中已成功應(yīng)用。XL21系列原型號(hào)醫(yī)用點(diǎn)滴泵采用工作電壓為8伏的恒壓驅(qū)動(dòng)方案，最高流速可達(dá)820ml/hour，在流速500ml/hour以下出現(xiàn)整機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象?，F(xiàn)型號(hào)醫(yī)用點(diǎn)滴泵對(duì)應(yīng)0-600ml/hour、600-670ml/hour、670-750ml/hour、750-800ml/hour、800-850ml/hour、850-900ml/hour、900-950ml/hour、950-1000ml/hour 8個(gè)流速段分別采用7.549V、7.868V、8.185V、8.345V、8.664V、8.981V、9.299V、9.616V共8個(gè)梯次電壓驅(qū)動(dòng)的方式，使整機(jī)發(fā)熱得到很大緩解，同時(shí)最高流速上升到1000ml/hour。圖4為原型號(hào)和現(xiàn)型號(hào)醫(yī)用點(diǎn)滴泵在不同流速下的實(shí)測(cè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比。從圖中可見(jiàn)，原型號(hào)泵隨著設(shè)定流速的提高，輸出轉(zhuǎn)矩迅速衰減，而現(xiàn)型號(hào)泵隨著設(shè)定流速的提高，由于驅(qū)動(dòng)電壓分段提高導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩更加平緩，使得在滿足同等力矩的條件下，流速范圍擴(kuò)大。

圖4 兩種方案啟動(dòng)轉(zhuǎn)據(jù)對(duì)比

進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案與恒壓驅(qū)動(dòng)方案相比，低速功耗明顯下降，而高速力矩得到顯著提升。在兼顧節(jié)能和改善步進(jìn)電機(jī)矩頻特性的應(yīng)用中，該設(shè)計(jì)是一種性價(jià)比很好的解決方案。
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