高精度步進電機控制系統的研究畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 徑 ； 該 反 饋 線 起 到 了 使 觸 發 器 維 持 在 0 狀 態 和 阻 止 觸 發 器 變 為 1 狀 態 的 作 用 ,故該 反 饋 線 稱 為 置 0 維 持 線 ,置 1 阻 塞 線 。 Q4 為 0 時 ， 將 G3 和 G6 封 鎖 ， D 端 通往 基 本 RS 觸 發 器 的 路 徑 也 被 封 鎖 。 Q4 輸 出 端 至 G6 反 饋 線 起 到 使 觸 發 器 維 持在 1 狀 態 的 作 用 ， 稱 作 置 1 維 持 線 ； Q4 輸 出 至 G3 輸 入 的 反 饋 線 起 到 阻 止 觸 發器 置 0 的 作 用 ,稱 為 置 0 阻 塞 線 。 因 此 ， 該 觸 發 器 常 稱 為 維 持 阻 塞 觸 發 器 。總 之 ， 該 觸 發 器 是 在 CP 正 跳 沿 前 接 受 輸 入 信 號 ， 正 跳 沿 時 觸 發 翻 轉 ， 正 跳 沿后 輸 入 即 被 封 鎖 ,三 步 都 是 在 正 跳 沿 后 完 成 ， 所 以 有 邊 沿 觸 發 器 之 稱 。 與 主 從觸 發 器 相 比 ,同 工 藝 的 邊 沿 觸 發 器 有 更 強 的 抗 干 擾 能 力 和 更 高 的 工 作 速 度 。 D 觸發器電路D 觸發器電路如圖 38 所示： 30 1011U2E74HC1412 3U6A74HC08111213U6D74HC08IN1IN2CHOPING ADire A圖 38 D 觸發器電路 驅動電路原理圖驅動電路原理圖如圖 39 所示：321Q18C1815231Q102N5401R11k1 2U1A7407321Q19C1815231Q12N5401R41k9 8U1D740712V12V1011 U2E74HC1412 3U6A74HC08111213U6D74HC08圖 39 驅動電路原理圖 信號的放大電路TL084 是高速的四通道運算放大器，在一個單片集成電路里包含了良好匹配的高壓及雙極性三極管。它具有寬共模和差模電壓范圍、低輸入偏置及偏移電流、 31 輸出短路保護、高輸入阻抗、內部頻率補償、鎖定自由操作、高循環率等特性。其 3 腳是通道 1 的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，7 腳是通道2 的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，10 腳是通道 3 的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，1114 腳是通道 4 的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4 腳是正電源，11 腳是負電源（或單電源使用時的電源地） ，放大電路原理圖如圖310 所示。32 1411ATL0841213 14U14DTL0849V7VRFBAAGNDAGNDAGNDAGND圖 310 放大電路原理圖 步進電機的檢測電路 TL082 的特點TL082 是一通用的 JFET 雙運算放大器。其特點是：。:16V/us(典型值)。：VCC=+/18V。 32 TL082 引腳功能及內部結構圖TL082 內部結構圖如圖 311 所示：圖 311 TL082 內部結構圖表 31 TL082 引腳功能腳號 腳 名 功能 腳號 腳名 功能1 Output 1 輸出 1 5 Non inverting input 2正向輸入 22 Inverting input 1 反向輸入 1 6 Inverting input 2 反向輸入 2 3 Non inverting input 1正向輸入 1 7 Output 2 輸出 24 VCC 電源 8 VCC+ 電源 33 檢測電路原理圖檢測電路原理圖如圖 312 所示：R61kC15271 R51k R3650100kAGNDAGND56 7U3BTL082C5104C41047VAGNDAGND圖 312 檢測電路原理圖 H橋電路 H 橋簡介H 橋電路是一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H 橋電路”是因為它的形狀酷似字母 H。4 個三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機就是 H 中的橫杠，如 34 圖 313 所示，H 橋電路包括 4 個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。圖 313 H 橋基本電路要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖 314 所示，當 Q1 管和 Q4 管導通時，電流就從電源正極經 Q1 從左至右穿過電機，然后再經Q4 回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管 Q1 和 Q4 導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。另一對三極管 Q2 和 Q3 導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管 Q2 和 Q3 導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動。 35 如圖 314 H 橋電路驅動電機順時針轉動驅動電機時，保證 H 橋上兩個同側的三極管不會同時導通非常重要。如果三極管 Q1 和 Q2 同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。圖 315 所示就是基于這種考慮的改進電路，它在基本 H 橋電路的基礎上增加了 4 個與門和 2 個非門。4 個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而 2 個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在 H 橋的同側腿上都只有一個三極管能導通。采用以上方法，電機的運轉就需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果 DIR－L 信號為0，DIR－R 信號為 1，并且使能信號是 1，那么三極管 Q1 和 Q4 導通，電流從左至右流經電機；如果 DIR－L 信號變為 1，而 DIR－R 信號變為 0，那么 Q2 和 Q3 將導通，電流則反向流過電機。 36 圖 315 具有使能控制和方向邏輯的 H 橋電路 H 橋電路原理圖 由于本課題是以兩相混合式步進電機為例，所以需要驅動兩相，此原理圖只是 B 相，A 相和其相同，此處沒有列出，H 橋電路如圖 316 所示： 37 PHASEB PHASEBD2BYW76D6BYW76D1BYW76 D5BYW7630V30VR21 51 R24 51R22 10k R26 10k123DG S Q5IRF9540123DG S Q7IRF9540123GDSQ1IRF540 123GDSQ3IRF540R19 51R20 10kR23 51R25 10kMOSEFT1 MOSEFT2MOSEFT3 MOSEFT4圖 316 H 橋電路原理圖 本章小結在分析了步進電機驅動技術的基礎上，本章詳細介紹了步進電機驅動系統的硬件設計，同時介紹了主要模塊電路的結構，并分析了他們的工作原理，包括主控制電路、D/A 轉換電路、放大電路、檢測模塊等，同時就現在的步進電機在運行時存在的問題作了詳細的分析。第 4 章 步進電機控制系統的軟件設計 38 軟件設計的基本原則系統中控制任務的實現最終是靠控制軟件來完成的，控制軟件的設計將直接決定整個系統的控制性能，以下首先闡述一下軟件設計的一些基本要求，然后再概述本系統軟件的設計方案。單片機必須在一定的時間內，完成一系列的軟件處理過程，如對系統的被參數(如轉速、轉角等)的反饋信號進行采樣、計算、邏輯判斷和分析，按照規定的控制僚法進行數值計算，輸出各種控制信號，以及對可能出現的故障進行報警和處理。軟件的可靠性是指軟件在運行過程中避免發生故障的能力，以及一旦發生故障后的解脫和排除故障的能力。因此，為了提高軟件的可靠性，軟件設計時要考慮系統運行過程中可能出現的一切非正常情況，且在系統一旦出現故障，如用戶按錯鍵，輸入錯誤參數等錯誤操作，或發生程序受外界嚴重干擾而“跑飛”等情況時，也要有一定的對策，以防止對系統造成嚴重損失。一個完整的控制軟件，通常需要一個不斷地設計、調試、修改和完善的過程，才會最終滿足系統所需的功能要求。因此，在軟件的總體設計時，必須要有良好的程序結構設計，以便于程序的反復調試、修改和補充，并保證最終的軟件仍具有簡潔明了的結構。本系統控制軟件采用匯編語言編寫。匯編語言是用符號表示的指令，是對機器語言的改進。匯編語言是直接對硬件操作的語言，因此，每一條匯編語句對應一定的硬件操作，意義明確，調試時十分方便，它具有很高的編譯效率和執行效率。 主程序設計系統軟件主要完成按盤掃描、指示燈顯示、和脈沖輸出。主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能，適當使各項功能模塊化。為了節省單片機CPU資源， 39 合理利用單片機定時器控制脈沖的頻率，改變轉速。根據以上分析得到的程序流程圖如圖41所示。開 始指 示 燈 顯 示 鍵 盤 掃 描 ， 是 否 有 鍵 按 下 ？判 斷 是 哪 個 鍵 按 下電 機 正 傳電 機 反 轉電 機 加 速電 機 減 速停 止結 束 初 始 化 , 停 止 發 送 脈 沖鍵 1鍵 2 鍵 3 鍵 4鍵 5是否圖41 系統軟件設計流程圖 D/A 轉換電路流程圖在本課題中，經D/A轉換電路采樣所得到的電壓信號的值是PID控制算法的被控參數。其程序流程圖如圖42所示. 40 開始選數模轉換芯片T L C 7 5 2 8選通位移信號延時一秒鐘啟動檢測R F B B ? = 0讀入高 8 位乘以 1 6在與 0 f f 0 相與讀入低四位右移四位與 0 0 0 f 相與返回高低位數據相加后的值返回否圖42 D/A轉換電路流程圖 PID 子程序流程圖由于計算機每次只輸出控制增量——每次閥位的變化，故機械故障時影響范圍較小。必要時可通過邏輯判斷，限制或禁止故障時輸出，從而不會嚴重影響系統的工況。而在算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近幾次的采樣有關， 41 較容易通過加權處理以獲得比較好的控制效果。其增量式PID控制算法子程序流程圖如圖43所示。增 量 式 P I D算 法 程 序輸 入 y ( k T ) 的 采 樣 值 ， R 給 定 值計 算 e ( k T ) = R y ( k T )計 算 ( k T ) = [ e ( k T ) e ( k T T ) ]uPpi計算 ( k T ) = [ e ( k T ) 2 e ( k T T ) + e ( k T 2 T ) ]D d計 算 ( k T ) = ( k T ) + ( k T )+ ( k T )u?puid返 回計 算 ( k T ) = e ( K t )i圖43 PID子程序流程圖 中斷服務程序中斷服務程序主要完成的功能：給驅動器輸送控制字，控制步進電動機的運行，選擇步進電機的細分狀態以及電機的運行初始方向等。為了實現電機的平穩運行，單片機通過軟件可對控制脈沖進行分配，實現細分控制，中斷服務程序流 42 程程序如圖44所示。開始調用細分判斷程序設置細分標志符各個細分程序返回圖 44 中斷服務程序流程圖 本章小結本章主要是針對各模塊的運行作了詳細的軟件設計，同時也說明了軟件設計的基本原則，首先對步進電機的主程序作了介紹，最后簡明扼要的介紹了各個子程序。總 結 43 本文以兩相混合式步進電動機為研究對象，重點研究了高精度步進電動機系統的控制技術，對兩相混合式步進電動機驅動器的控制系統的組成方案、驅動技術、系統硬件控制電路設計及系統控制軟件設計等作了一個初步的探索。經過了半年的努力研究基本上對步進電機控制系統的研究有了一定的了解。在論文的第一章主要介紹了步進電機的發展概況和步進電機在運行時存在的問題，第二章主要介紹步進電機的結構、工作原理和步進電機在工作時常用的一些控制算法。而第三章主要是根據電機的原理和電機存在的問題作了詳細的硬件設計，此硬件電路主要解決的以下問題：，由于步距角大，運行時存在明顯的步進感，不能精