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AVR单片机实现对步进电机的细分控制及其应用

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-04-25 08:09         

  根据技术参数可知,采用两相四拍和两相八拍时的步距角为10o和5o,在300o的范围内只能作30和60个刻度划分,在实际应用中,会发现指针步距角不能满足要求而且抖动不可避免。为了实现指针高精度的准确走位和平稳运转,要对步进电机步距进行高分辨率细分,这也是设计的难点所在。

  步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机转速、停止的只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机某相线圈加一脉冲信号,电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不像普通的直流电机、交流电机那样在常规下使用。它必须在双环形脉冲信号、功率驱动电等组成控制系统下使用。

  仪表步进电机属于步进电机中体积、功耗较小的类别,可以由单片机或专用芯片的引脚直接驱动,不需外接驱动器,因而在仪表中被用于指针的旋转控制。

  步进电机的细分技术是一种电子阻尼技术,其主要目的是提高电机的运转精度,实现步进电机步距角的高精度细分。其基本概念为:步进电机通过细分驱动器的驱动,其步距角变小了。如驱动器工作在10细分状态时,其步距角只为电机固有步距角的十分之一。以两相四拍为例:当电机工作在不细分的整步状态时,控制系统每发一个步进脉冲,电机转动10o;而用细分驱动器工作在10细分状态时,电机只转动了1o。细分功能完全是由驱动器或单片机靠精确控制电机的相电流所实现的,与电机本身无关。

  从以上的分析可知,两相四拍是整步运转不细分,两相八拍其实是2细分。合成的和电流矢量夹角以90o和45o的方式变化,如此往复循环。

  参考相关资料后不难发现:细分驱动技术常用近似正弦波的阶梯型电流代替矩形波电流,产生一个微步旋转,从而带动电机以更小的步距角转动,其电流波形和旋转矢量如图1所示。同时由于正弦波电流变化平滑,使电机运行更平稳、噪声更小。即通过改变相邻两相(A,B)电流的大小和方向(A相正弦波和B相余弦波矢量叠加),以改变合成的夹角,通过电流矢量合成的方式来控制步进电机运转。

  根据细分原理可知,对于两相步进电机,需要同时控制两组线圈的电压大小和方向才能达到合成电流矢量控制的目的,控制线圈的电流大小有两种方案:其一是通过单片机写入数字量,由数模转换器件输出模拟电压,控制线圈电流大小;其二是通过某些单片机自带的PWM引脚输出占空比可控的方波,用其交流有效值控制线圈电流大小。很显然,按照正弦规律变化的占空比决定了线圈电流大小也按同的正弦规律变化。线圈的电压方向可以通过逻辑门电来实现。

  使用该单片机具有PWM功能的PB1和PB2连接PWM_A和PWM_B,使用两个普通引脚连接DIR_A和DIR_B即可实现对电机的控制。原理说明如下:电机的A、/A、B、/B分别对应四输入与门电的3、6、8、11引脚。在DIR_A和DIR_B为低电平时,门电的1、9引脚为0状态,三极管Q3、Q4截止,门电的4、12引脚由于上拉处于1状态,这样,与门电的3、8输出为0,即A、B为0;此时与门电的6、11输出与PWM_A和PWM_B保持一致,即/A、/B由PWM_A和PWM_B决定。在其他状态下,也具有同类特点:A和/A之间、B和/B之间的通电极性由DIR_A和DIR_B决定;A和/A之间、B和/B之间的电流大小由PWM_A和PWM_B的占空比决定。而且只要三极管Q3、Q4工作正常,与门电就不会出现逻辑混乱的情况。

  配合硬件的设计,软件上编写了一个由64个数据组成的数组,分别对应了0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化值(以阶梯波的方式模拟了64点正弦波抽样),每个值用来控制输出波形占空比,实际上参与了电流矢量夹角转动90o过程中其电流大小的计算。众所周知,正弦、余弦波相位相差90o,在已知0~90o正弦波幅度变化表后,同样可以得出90o~180o、180o~270o、270o~360o(0o)的正弦波、余弦波幅度变化表,所以通过0~90o正弦波幅度变化的8位数字量化表的演化,就可以在两相八拍(二细分)的基础上把电流矢量夹角分成四个象限,配合极性的控制,在每个象限中把A或/A的正弦波和B或/B的余弦波作8种组合,在每种组合中完成电流大小的变化,最终作到两相64拍(16细分)的控制。而且,最巧妙的一点就在于:通过选择64个数据对应每90o范围的正弦波的64个点,就可以用一个字节的大小来作为区分4个象限的标志,便于对正、余弦的角度进行演化,即0~63对应0~90o,64~127对应90o~180o,128~191对应180o~270o,192~255对应270o~360o。

  由于仪表指针从当前角指向目标角时,变化量会有不同。为指针响应灵敏、无抖动,必须在正、反转时考虑加、减速控制。程序中,可以根据变化量的大小和正负设定几个控制区间,分别写入不同的延时参数,根据此延时参数来控制电流大小、方向(改变PWM_A和PWM_B、DIR_A和DIR_B)变化时间,就达到了加、减速的控制的目的。

  通过双PWM方式控制两相步进电机,既达到了高精度细分的目的,又在硬件成本上得到了优化。在现有电的后级增加功率驱动电并作程序的少量修改,就可以做成高精度、多细分步进电机驱动器。

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  设计器件的选择本设计需要对博物馆内的情况进行大范围适时并采集图像数据和温度数据进行处理,因此核心器件应包括图像传感器、温度传感器和微处理器。图像传感器为了实现适时,要求图像传感器的数据率(转换速度)比较快、分辨率比较高,本文选用了彩色CMOS传感器LM9628。温度传感器本文采用了高精度温度传感器LM19,它具有以下主要特点:可检测的温度变化范围最大为-55℃~+130℃;温度变化呈良好的线性度;可预测的温度曲线误差。AVR高速单片处理器本文采用了ATMEGA16单片机作为核心处理器,MEGA16可外接16MHz晶振,单位时钟内可以执行一条指令,内含RAM和EEPROM,并且含8通道10位ADC

  采用了在ATmega16引脚XTAL1和XTAL2上外接由石英晶体和电容组成的谐振回,并配合片内的OSC(Oscillator)振荡电构成的振荡源作为系统时钟源的。更简单的电是直接使用片内的4M的RC振荡源,这样就可以将C1、C2、R2和4M晶体省掉,引脚XTAL1和XTAL2悬空,当然此时系统时钟频率精准度不如采用外部晶体的方式,而且也易受到温度变化的影响。AVR的复位源和复位方式:复位是单片机芯片本身的硬件初始化操作,例如,单片机在上电开机时都需要复位,以便CPU以及其它内部功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个初始状态开始工作。AVR单片机的复位操作,其主要功能是把程序计数器PC初始化为$0000(指非BOOT

  使用一体化的红外接收头,直接就解码出来了,平时红外接收头输出的是高电平,当有红外数据的时候,就会根据发送的红外数据有相应的电平转换。大家可以随便找个遥控板,测一下红外接收波形,看看高低电平的表示,便于计数及接收步骤。这次用的遥控板的红外协议是这样的:0.6ms高电平+0.48ms低电平表示0,接收解码出来是0.6ms低电平+0.48ms高电平。0.6ms高电平+1.66ms低电平表示1,接收解码出来是0.6ms低电平+1.66ms高电平。调制38kHz,占空比1/3.遥控发送数据先是9ms高电平,4.5ms低电平,然后是两个字节的识别码,接着是一个字节的数据和一个字节的数据反码。单片机解码0和1只用计数接收到的低电平长度就行了

  AVR单片机是ATMEL公司研发的增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机,设计时吸取了8051及PIC单片机的优点,具备单时钟周期执行一条指令的能力,运行速度高达1Mips/MHz。AVR单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略,即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑),提高了指令执行速度,克服了瓶颈现象,增强了功能;同时又减少了对外设管理的开销,相对简化了硬件结构,降低了成本。AVR单片机在软/硬件开销;速度、性能和成本诸多方面取得了

  远离仪表机壳,实测结果电容效应几乎为零。从而乱码和花屏现象不再出现。2.6外部看门狗与外部时钟看门狗也称程序定时器。尽管 AVR单片机系统内也有该功能的设置,但在应用实践中发现当干扰严重时该功能会失效,即系统死机后单片机内部的看门狗也无法复位。故有必要在单片机外部单独设计看门狗电。如图 5所示,由 MC4060芯片及外围电构成一个看门狗电。MC4060是一个带外接振荡的 14分频定时计数器,R18和 C2时间决定振荡频率。采用如图 5所示的参数时,该振荡频率经过 2秒左右时间后 14分频计数器将被记满,Q14由低电平变高电平经三极管 Q3构成的反相器使输出变为低电平,M16单片机被复位。程序正常运行时,会在的时间

  ,AVR单片机是目前最新单片机系列之一,其突出的特点在于速度高、片内硬件资源丰富等。以FPGA为核心的PLD产品,是近几年集成电中发展最快的产品。采用FPGA芯片,可并行处理多项任务,其高速性能好(执行速度达到纳秒级),纯硬件系统的可靠性高。利用FPCA实现DDS能很好地解决专用DDS芯片的诸多缺点,他可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能,具有良好的实用性。本文结合AVR系列单片机ATmega16和采用FPGACyclone器件实现DDS的一种数字式移相信号发生器设计新方案。该方案具有灵活可变的特点,更重要的是可以和其他功能模块组合扩展为任意信号发生器。2 系统总体方案设计及实现他包括键盘按键控制部分

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