基于89C2051的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 設(shè)計了一種基于89C2051單片機的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)化了電機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; 步進電機；89C2051

引言

步進電動機驅(qū)動方式主要分為恒壓驅(qū)動、恒流驅(qū)動、細分驅(qū)動等，其中恒壓驅(qū)動是成本最低、最簡單的解決方案，但是它的顯著缺點是：高頻力矩下降較快，無法滿足某些應用場合的要求。另外，目前市場上幾乎所有的步進電機驅(qū)動器都存在著低頻熱耗散大的缺點。在成本壓力較大、對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)計通過一個低成本可控電源，針對控制頻率的全程范圍，相應輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時，在同一頻率下采用高低壓驅(qū)動法，在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實現(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

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進電機驅(qū)動電路構(gòu)成。單片機采用ATMEL公司的89C2051。實際應用中，用其P1口低4 位輸出控制信號給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅(qū)動電壓，當控制信號為“0000”時輸出電壓最低，控制信號為“1111”時輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號給四相步進電機驅(qū)動電路，單片機根據(jù)控制策略決定驅(qū)動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是一個降壓型開關(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)動能力，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在單片機I/O口數(shù)字量控制下向VREF 節(jié)點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為低電平時產(chǎn)生反相電流。本設(shè)計采用4 位I/O控制信號，形成了4位8級可調(diào)電源。

四相步進電機驅(qū)動電路

圖2所示為四相單極性步進電機驅(qū)動電路，主要由MOSFET、續(xù)流二極管、電阻組成。單片機I/O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時，相應的開關(guān)管MOSFET導通，Vout向?qū)碾姍C繞組供電。電路中為了減小驅(qū)動元件的壓降，采用了具有低導通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構(gòu)成電機繞組的續(xù)流回路，避免了MOSFET器件在換相時由于瞬間電壓過高而擊穿。

圖2 四項步進電機驅(qū)動電路

控制方案及軟件設(shè)計

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

高低壓驅(qū)動方案

圖3 所示為單片機輸出的步進電機相序控制信號 MA、MB、MC、MD與驅(qū)動電壓Vout的時序關(guān)系?？刂葡嘈蛞来螢椋篈B→BC→CD →DA→AB...。圖中可見,步進電機每走一步驅(qū)動電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機啟動時刻提供高電壓，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保持較高的動態(tài)轉(zhuǎn)矩,經(jīng)過T1時間后，驅(qū)動電壓變成U0，以便給電機提供較低的維持轉(zhuǎn)矩所需的電流。T1的值是固定的,當頻率較低時T遠遠大于T1，此時電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機做的功低。當頻率提高時，T減小，一個周期內(nèi)U0電壓在時間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機做功較大，當T小于等于T1時，驅(qū)動電壓為一個恒定值Uf。從而實現(xiàn)了低頻低功耗，高頻高能量供給的優(yōu)化驅(qū)動模式，避免了常用驅(qū)動電路低頻熱耗散大的缺點。

圖3 相續(xù)控制信號與驅(qū)動電壓關(guān)系

頻率分段調(diào)整驅(qū)動電壓的控制

實際應用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對應不同的驅(qū)動電壓值，頻率越高驅(qū)動電壓越大。由于步進電機繞組是感性負載，換相過程中驅(qū)動回路電流變化率越大，電機的動態(tài)響應速度越快，動態(tài)轉(zhuǎn)矩越大。而電流變化率是與驅(qū)動電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進電機的高頻轉(zhuǎn)矩。

步進電機驅(qū)動控制軟件

根據(jù)上述控制方案，設(shè)計了步進電機驅(qū)動程序。根據(jù)經(jīng)驗值預先建立了不同段頻率與相應驅(qū)動電壓控制碼的對應關(guān)系表，并存入系統(tǒng)存儲器。運行過程中依據(jù)當前工作頻率，對應出每步周期T，再通過查表確定驅(qū)動電壓控制代碼，并由口P13--P10輸出給可控電源，同時口P17--P14輸出相序控制信號。另外，驅(qū)動電壓Uf建立時間T1決定了高壓輸出在每步驅(qū)動中所占的比例，T1時間到，則變成維持電壓U0(低壓)供電，從而實現(xiàn)了高低壓驅(qū)動。

應用情況與結(jié)果

本控制方案在XL21系列醫(yī)用點滴泵中已成功應用。XL21系列原型號醫(yī)用點滴泵采用工作電壓為8伏的恒壓驅(qū)動方案，最高流速可達820ml/hour，在流速500ml/hour以下出現(xiàn)整機發(fā)熱現(xiàn)象?，F(xiàn)型號醫(yī)用點滴泵對應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個梯次電壓驅(qū)動的方式，使整機發(fā)熱得到很大緩解，同時最高流速上升到1000ml/hour。圖4為原型號和現(xiàn)型號醫(yī)用點滴泵在不同流速下的實測啟動轉(zhuǎn)矩對比。從圖中可見，原型號泵隨著設(shè)定流速的提高，輸出轉(zhuǎn)矩迅速衰減，而現(xiàn)型號泵隨著設(shè)定流速的提高，由于驅(qū)動電壓分段提高導致輸出轉(zhuǎn)矩更加平緩，使得在滿足同等力矩的條件下，流速范圍擴大。

圖4 兩種方案啟動轉(zhuǎn)據(jù)對比

進電機驅(qū)動方案與恒壓驅(qū)動方案相比，低速功耗明顯下降，而高速力矩得到顯著提升。在兼顧節(jié)能和改善步進電機矩頻特性的應用中，該設(shè)計是一種性價比很好的解決方案。

參考文獻
1.  王松武，常用電路模塊分析與設(shè)計指導，清華大學出版社，2007
2.  張占松、蔡宣三，開關(guān)電源的原理與設(shè)計(修訂版)，電子工業(yè)出版社，2004(9)
3.  黃繼昌，電源專用集成電路及其應用—集成電路應用叢書，人民郵電出版社，2006(6)
4.  吳紅星，電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應用，中國電力出版社，2006