步进电机控制细分电路 基于TSC87C51的步进电机细分控制电路的设计
摘要:本文通过合理选择步进电机相绕组细分电流波形,提出并介绍了基于TSC87C51单片机控制的步进电机恒流均匀细分驱动方案及实现技术。 关键词:恒转矩 斩波恒流 均匀细分 驱动电路
1、引言
步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,它输出的角位移与输入的脉冲数成正比,转速与脉冲频率成正比,是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点,已经在当今工业上得到广泛的应用。但其步矩角较大,一般为1．5°～3°,满足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运行平稳性的一种行之有效的方法。
本文在选择了合理的电流波形的基础上,提出了基于TSC87C51单片机控制的恒流细分驱动方案,其运行功耗小,可靠性高,通用性好,具有很强的实用性。
2、硬件设计要求及原理
2.1 设计要求
（1）供电电源:10V～40VDC容量0.03KVA。（2）输出电流:共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8档可选,以配合不同电机使用。（3）驱动方式:恒相流PWM控制。（4）细分选择:整步、半步、4细分、8细分、16细分、32细分、64细分的七种细分模式可选。（5）自动半电流:若上位机在半秒中内没有发出步进脉冲,驱动器自动进入节电的半电流运行模式。
2.2 电气接口要求
2.2.1 输入信号
脉冲信号输入:脉冲信号,5mA～12mA,高电平+5V电平,脉冲信号,最高频率为70KHz。方向信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。脱机信号输入:高、低电平,5mA～12mA,高电平+5V。公共端输入:+5V电源。
2.2.2 输出信号
两相步进电机绕组接口:绕组A接:A+,A-;绕组B接:B+,B-。
2.3 硬件设计原理
系统采用TSC87C51单片机接收命令,并将输入命令进行综合处理,控制二相步进电机正反转、运行速度、单次运行线位移、以及启停等的控制;既可由键盘输入,也可通过与上位机的串行通信口由上位机设置。单片机主要功能是输出EEPROM中存储的细分电流控制信号进行D／A转换。根据转换精度的要求,本控制系统选用的是8位双通道的TCL7528转换器。
单片机接收的信号有上位机的命令信号、手动输入细分模式编码信号。输出信号有电流细分控制信号,步进电机运行控制信号。细分模式编码由拨码开关S1的1,2,3开关人工设定,共有8种细分模式可选,单片机P1口为细分模式编码输入I/O口。上位机的命令信号由单片机的中断INT0、INT1和P3.4接收。其中INT0与脉冲信号对应,INT1与方向信号对应,P3.4与脱机信号对应。单片机P0口输出8位数据是与细分电流相对应的。P0口8位数据输出给D/A转换器TLC7528数据输入端,对工作电流进行分割,以控制每级细分电流大小。
步进电机的运行控制信号由单片机P2口输出。命令信号输入电路由S2接线端子,光电耦合器、信号整形电路等组成。上位机命令信号由S2接线端输入,S2接线端子1、2、3、4分别与脱机信号、方向信号、脉冲信号、公共端对应。驱动器输入信号采用共阳极接线方式。输入信号电源正极接在公共端。输入控制信号接到对应信号端子上。控制信号低电平时,对应内部光耦导通,控制信号输入驱动器。脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲,并驱动电机运行一步。方向信号高电平和低电平控制电机两个转向,该端悬空,等效输入高电平。控制电机转向时,应确保方向信号领先脉冲信号至少10μS建立,可避免驱动器对脉冲错误响应。脱机信号高电平或悬空对应转子锁定状态,低电平对应转子自由状态（脱机状态）。电机绕组工作电流编码电路由拨码开关S1和电阻组成。电阻公共端接+5V。电机绕组工作电流有8种可选。工作电流设定电路为一串联电阻分压电路。串联电阻的一端接电源+5V,另一端接电源地,将+5V电压进行分压,对应8种工作电流。
D4是多路选择开关HEF4051BT。D4输出和串联电阻分压电路输出连接。D4的通道编码输入端A0、A1、A2与拨码开关S1的5,6,7开关相连。在人工选定工作电流后,D4将串联电阻分压电路的相应电压选人,并传送到D4输出端Z。D/A转换器D3由双通道的TCL7528构成。电流细分具体操作由D3来实现。D8、D9是双D触发器74HC74。触发器的输出信号与软件功能密切相关。电机的运行状态完全由触发器的输出信号决定。单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别控制P-MOS场效应管Q1、Q2、Q4、Q3,而其反向信号/P2.0、/P2.1、/P2.2、/P2.3则分别控制N-MOS场效应管Q6、Q5、Q7、Q8。D7选用高电压、高电流的集成达林顿晶体管阵列,它的内部包含7个NPN达林顿对,为集电极开路的三极管结构。电平变换电路由八路三极管构成的电路组成。其功能是将触发器输出的控制信号变换为可以控制功率场效应管的信号。触发器Q端、/Q端共8个信号输出给达林顿晶体管阵列,再经电平变换电路变换后的输出信号,用于控制功率场效应管的栅极。场效应管功率输出电路由两个H桥电路组成,上桥臂由P-MOS场效应管组成,下桥臂由N-MOS功率场效应管组成。Q1、Q2、Q5、Q6组成一组H桥,控制步进电机A绕组,Q3、Q4、Q7、Q8组成另一组H桥,控制步进电机B绕组。
直流稳压电源电路由输入直流电源、稳压器LM317、稳压器7805组成。稳压器输出+12V电压、+5V电压。+5V电压供数字电路使用,+12V供电平转换电路使用,输入直流电源供电平转换电路以及场效应管功率输出电路使用。输出电流检测电路由A组、B组低通滤波器组成。
3、软件设计
步进电机细分驱动系统的软件主要由主控程序、细分驱动控制中断服务程序、细分控制查表子程序三部分组成,此节程序将不再详述。
4、结语
本文提出并实现的步进电机均匀细分驱动器,最高细分达到64,能适应大多数中小微型步进电机的可变细分控制、较高细分步距角精度、及平滑运行等要求。细分驱动器的系统功能完善,大量新型元器件的采用,使所设计的驱动器具有体积小、细分精度高、运行功耗低、可靠性高、可维护性强等特点。系统软件功能丰富,通用性强,从而使控制系统更加灵活,具有很高的推广价值和广阔的应用前景。
参考文献
[1]周鹗,电机学.中国电力出版社.
[2]胡寿松.自动控制原理（第3版）.国防出版社.
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