基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计

第42卷第2期 电力电子技术 V01．42，No．2 2008年2月 一PowerE1ectmnics February,'2008 基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 丛君丽，刘永红，张海峰，李庆云 (中国石油大学，山东东营257061) 摘要：基于Motorola单片机设计了一种步进电机高低压驱动系统。该驱动系统采用电流检测反馈控制方法解决了步 进电机的发热问题。采用整步变速方法，提高了步进电机的变速性能。实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该驱动系统具有电路简单，工作可 靠性和自动化水平都高等优点。详细介绍了所设计驱动系统的驱动电路、硬件与软件组成，并对该系统进行了实验 研究，给出了相应的实验结果。 关键词：步进电动机：驱动：单片微型机 、中图分类号：TM301．2 文献标识码：A 文章编号：1000—100X(2008)02—0078—03 DesignandAnalysisforDouble-voltageDrivingSystemofStepMotors basedonMotorolaMicrocomputer CONGJun—li，LIUYong-hong，ZHANGHal—feng，LIQing—yun (ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Dongying257061，China) Abstract：Thepaperdesignsadouble—voltagedrivingsystemofstep—motorbasedonMotorolasinglechip．Thedriving systemsolvedtheproblemofstep—motors’generatingheatthroughcurrenttestandfeedback，andrealizedthecapabilityof shiftinggearsthroughintroducingwhole—paceshiftingmethod．Theexperimentindicatesthatthedrivingsystem’Scircuitis simple，andworkswell，anditsautomaticitylevelishfgh．Thepaperintroducesthedrivingcircuit，hardwareandsoftware’S compositionofthedrivingsystemindetail．Systemexperimentwaveandtheresultanalysisaregiven． Keywords：step-motor；drive；single—chipmicroprocessor foundationProject：SupposedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．50674099) 1 引 言 。 步进电机因具有转子惯量低、定位精度高、无累 积误差、控制简单等特点，在现代工业中得到广泛的 应用[1-21。采用高低压驱动方式可以有效地提高步进 电机的输出矩频特性．但传统的高低压驱动方式是 采用逻辑电路来实现的，其电路复杂，控制柔性差。 以单片机MC68HC908GP32作为驱动系统控制 芯片．采用软件与硬件相结合的方法设计步进电机 驱动系统．有效地提高了驱动系统的可靠性和智能 化水平。同时还较大地简化了硬件电路。 2步进电机高低压驱动电路设计 图1示出所设计的步进电机单相高低压驱动电 路的原理图。当要求给该相绕组￡。通电时，高压控 制信号％i和低压控制信号巩同时起步，但％i的 脉宽比观的窄。电路中采用负逻辑，巩i和巩经过 非门和晶体管VQ，，VQ：的放大电路，使MOS管 VQ3，VQ4l司时导通。 由于快恢复二极管VD。的反向截止作用，此 时，只有高电压的电流流过电机的绕组L。，使流经 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50674099) 定稿日期：2007—08—31 作者简介：丛君丽(1982一)，女，山东文登人，硕士研究 生，研究方向为机电系统控制及自动化 78 ￡。的电流也快速上升，形成较陡的电流波上升沿。 当检测电流超过工作电流20％时。信号处理电路发 出低电平，与“i一起通过逻辑与非门输出高电平， 关断VQ，，使高压处于非工作状态，此时，低压端电 压仉开始为绕组供电，使电机连续工作。 图1步进电机高低压驱动电路的原理图 控制电路采用大功率、大容量VQ，，VQ。作为电 机的驱动元件，电流迅速上升；快恢复二极管作为续 流二极管．可以迅速泄放电流。改善电机的动态转 矩，保证电机的平稳运行。电路通过高速光耦将弱 电控制部分和强电驱动部分隔离开．以防止电机启 动或发生故障时对控制电路产生干扰，提高驱动电 路的可靠性。最为重要的是，以．维持电机转动，绕组 上无需串联电阻分压，电源功耗小，节省能源。由 图1可知，￡。的电流为： 万方数据 基于苹冀辊控稍的步透电瓴离低压驱动拳统设骨 圈。———i——一——厂—1蔓r]一一．一 一l MC68HC908GP32l棚电流嵩穗；畸茜黠熙 群西厢潲丽卜—-匮固u鼍．L兰兰型—— L⋯—(耍马JL卫塑塑一匿圃匿蛰匝蛰 甲 ． 囱一泌铲I唪I 噜移l剽． 1副Nl型 79 万方数据 第42卷第2期 电力电子技术 V01．42，No．2 1竺!量!旦 !!兰!!曼!!!!竺望!!! !塞!竺!坚：!墼! 定电流的20％时，电路关断高压电源，发热减轻。另 5 结 论 外，电机运行速度改变时，可能出现失步现象。为了 所设计的驱动系统可以有效地提高步进电机 防止变速失步，控制系统脉冲输出程序采用带缓冲 的矩频特性，使步进电机电流上升速度快，振动小， 的脉冲输出及整步变速程序设计；采用阶梯形变速， 输出转矩平稳：驱动电路采用电流反馈控制，较好地 缓冲电机输出转矩，因此电机能较平稳地实现变速。 解决了步进电机的发热难题；采用缓冲脉冲输出、定 i： 之10 耋，： 一20 —30 ～ 弋 』_＼ 25—15—50 5 15 25 ，／mS (a)UI=12vH,f ：； >5 础 一10 一15 ；； >5 础 一1 0 —15 Jj'。_J1 ” -25一I5—505 l5 25 ，／mS (C)UL=9V时 图4检测电阻R，两端的电压波形 位控制方法，步进电机的变速性能好。 参考文献 【l】I 丹尼斯·克拉克．机器人设计与控制[M]．宗光华，张慧慧 译．北京：科学出版社，2004． [2]李忠波，霍其峰．三相混合式步进电动机驱动系统的研 究[J】．电力电子技术，2004，38(1)：19-20． [3]孙建忠，白凤仙．特种电机及其控制[M】．北京：中国水利 水电出版社．2005． 【4】康 晶．采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路[J】．电 力电子技术，2003，37(1)：61-62，65． [5】JohnRRogers，KevinCraig．On—hardwareOptimizationof Stepper-motorSystemDynamics[J]．Mechatronics，2005， 15(3)：291—316． (上接第44页) 器通常工作在谐振状态．因长时间工作时其自身发 热，以及外界因素影响，其谐振频率往往会发生漂移， 导致工具振幅大幅下降．影响其正常工作．进而影响 加工表面质量。 通过单片机实时检测压电换能器的工作电流可 以达到调节频率的目的，并保证其动态匹配后谐振 状态时的工作电流为最大。基本设计思想：工作开 始前．系统自动调整到谐振状态。并保存其谐振时的 最大电流值。振动切削正常工作时，实时监测工作电 流．并与最大值进行比较。如果小于最大值且在一设 定的电流阈值范围内，就在换能器谐振频率上下一 定频率阈值范围内进行一次扫描，以重新获取最大 值，调整工作频率。如此反复，达到频率跟踪的目的。 可通过实验找出电流阈值和频率阈值的最优值，然 后保存在单片机内。实际使用中只要调出保存的数 据即可。设计的电源可保存10组换能器工作数据。 3 实验结果 用自制200kHz超声换能器进行了负载实验。 图7示出换能器两端输出电压‰波形。 t／(2us／格) 图7换能器两端电压波形 实验发现，换能器工作稳定，其本不发热，端电压 80 波形十分纯净，波形质量很好。测量用探针电压衰减 比为1：100。测得换能器两端电压峰峰值约为800V。 4结论 采用基于DDS的芯片AD9834实现了双路 20kHz～1MHz频率连续可调、幅值和相位可调、具 有死角控制的方波互补信号和正弦信号源。其频率 调节精度为1Hz，相位调节精度为1。。超声电源末 级功放采用全桥开关型功率放大电路，并增加驱动 缓冲级．有效提高了电路的工作频率和工作效率，可 满足高频超声大功率应用的需要。双管正激脉宽调 制电路用于调节电源的供电直流电压．有效解决了 电源的输出功率控制问题，大大减小了电源的体积。 并且实现了数字控制。以PICl8F452单片机为控制 核心。实现了电源的全数字控制以及频率自动跟踪 功能，可保存10组工作数据，使用方便灵活。实践证 明，该超声电源工作稳定可靠，操作方便，已成功应 用于高频椭圆超声振动切削试验研究中。 参考文献 【1】1 季远，李勋，张德远．超声椭圆振动精密切削[J]．航空 制造技术，2005(4)：92—95． [2】社本英二，森本祥之．精罔振勤切削加工法(第2鞭)一振 勤傺件④影警6二明寸为梭射【J】．精密工孕会慧，1999， 65(3)：44l一447． [3]程明，赵恒，陈莹．基于DSP和DDS的商品防窃 监视器扫频信号源[J】．国外电子元器件，2006(2)：21—24． [4】鲍善惠．压电换能器的动态匹配[J】．应用声学，1998， 17(2)：16—20． 万方数据 基于单片机控制的步进电机高低压驱动系统设计 作者： 丛君丽， 刘永红， 张海峰， 李庆云， CONG Jun-li， LIU Yong-hong， ZHANG Hai-feng ， LI Qing-yun 作者单位： 中国石油大学,山东,东营,257061 刊名： 电力电子技术 英文刊名： POWER ELECTRONICS 年，卷(期)： 2008,42(2) 被引用次数： 1次 参考文献(5条) 1.丹尼斯·克拉克.宗光华.张慧慧 机器人设计与控制 2004 2.李忠波.霍其峰 三相混合式步进电动机驱动系统的研究[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-电力电子技术 2004(01) 3.孙建忠.白凤仙 特种电机及其控制 2005 4.康晶 采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路[期刊论文]-电力电子技术 2003(01) 5.John R Rogers.Kevin Craig On-hardware Optimization of Stepper-motor System Dynamics[外文期刊] 2005(03) 引证文献(1条) 1.莽璐.祁力钧.冀荣华.赵亚青 温室自动变量施药系统设计[期刊论文]-中国农业大学学报 2009(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs200802032.aspx