導(dǎo)語：如何才能寫好一篇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

專用步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)模塊DRV8811由需求分析可知，設(shè)計(jì)兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，相驅(qū)動(dòng)電流0.4～3A，且可調(diào)節(jié)。目前常用的專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TA8435由于其峰值電流只能達(dá)到2.5A，故不能滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求。在本文中，采用了德州儀器（TI）的高性能專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8811設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。該芯片可以十分方便的為掃描器、打印機(jī)及其他一些自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元—步進(jìn)電機(jī)提供集成驅(qū)動(dòng)方案，并且設(shè)計(jì)電路及其簡單易行。

DRV8811步進(jìn)電機(jī)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成了兩路H橋驅(qū)動(dòng)電路，適用于兩相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，支持8V～38V輸入電壓，最寬溫度范圍為－60°～150°，輸出電流峰值可達(dá)6A，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。DRV8811步進(jìn)電路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在詳細(xì)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路之前，需要首先了解DRV8811的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，在此基礎(chǔ)上才能完善設(shè)計(jì)。

電流檢測—恒流斬波參數(shù)選擇設(shè)計(jì)DRV8811的內(nèi)部恒流斬波PWM模塊中，采樣電阻的輸入經(jīng)過了一個(gè)8倍的放大器。故參與比較的電壓為采樣電壓的8倍。設(shè)步進(jìn)電機(jī)定子繞組上的電流為CHOPI，ISENA和ISENB引腳外接的電阻阻值均為ISENR。第8引腳VREF外接電壓為REFV，則當(dāng)斬波電路實(shí)現(xiàn)恒流輸出時(shí)，應(yīng)用如下關(guān)系式。RCA和RCB兩個(gè)引腳外接的電阻和電容決定了恒流斬波電路的PWM的脈沖周期，設(shè)該引腳外接的并聯(lián)的電阻值為R，電容值為C，則PWM恒流斬波的周期為因此可以通過合理設(shè)置電阻R，電容C的值來設(shè)置PWM恒流斬波的周期。細(xì)分電路設(shè)計(jì)DRV8811集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可以十分方便的用來配置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分方式。與細(xì)分方式相關(guān)的引腳為USM0，USM1——12，13。本設(shè)計(jì)中采用撥碼開關(guān)硬件配置細(xì)分方式。

方向控制設(shè)計(jì)DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向控制引腳DIR—3，該引腳電平狀態(tài)不一樣時(shí)對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)需求分析可知，在設(shè)計(jì)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向可調(diào)，故本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)切換開關(guān)來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行切換。初始默認(rèn)狀態(tài)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)增加了方向指示燈。步進(jìn)電機(jī)啟停切換及狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)啟?？刂埔_RESETn—17，該引腳為低電平時(shí)，復(fù)位DRV8811，步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)；該引腳為高電平時(shí)，啟動(dòng)DRV8811，步進(jìn)電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，用LED狀態(tài)燈顯示其運(yùn)行狀態(tài)。

脈沖信號(hào)輸入電路DRV8811有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)電脈沖輸入引腳Step—19，該引腳接控制器的脈沖輸出。本設(shè)計(jì)中，需要調(diào)節(jié)主控制器的輸出脈沖頻率從100Hz～1000Hz可調(diào)，因此設(shè)計(jì)了4個(gè)輸入按鈕，分別用于輸入脈沖頻率的個(gè)位、十位、百位和千位。控制器的檢測信號(hào)為s1—s4，按鈕沒有動(dòng)作時(shí)，輸入信號(hào)通過上來電阻被拉到高電平，當(dāng)按鈕有動(dòng)作時(shí)，檢測到輸入變?yōu)榈碗娖?，從而?duì)應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作。每次按鈕動(dòng)作，對(duì)應(yīng)的位加1，程序設(shè)計(jì)最高顯示至1000。DRV8811主電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片DRV8811的電路設(shè)計(jì)中RCA和RCB的外接并聯(lián)電阻和電容值的乘積為恒流斬波電路的PWM輸出脈沖頻率?？烧{(diào)電阻R即用來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)定子繞組上的電流，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)需求中的電流可調(diào)的要求，另一個(gè)作用是作為電流檢測電路的采樣電阻，用來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)定子繞組的恒流。驅(qū)動(dòng)總電路設(shè)計(jì)結(jié)合以上分析，控制采用AT89S52。

二、總結(jié)與展望

總結(jié)本文所做的主要研究工作和取得的成果總結(jié)如下：（1）在闡述了步進(jìn)電機(jī)的概況基礎(chǔ)上，結(jié)合課題的需求，提出了開發(fā)某型掃描器的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)；（2）根據(jù)需求分析，完成了采用專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，采用專用集成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路更簡單易行。

三、展望

篇2

關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);驅(qū)動(dòng)控制;多芯片模塊;工作模式

中圖分類號(hào):TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-154-02

Design of Stepper Motor Driver Based on SMA7029M

ZHU Xiaokun

(No.795 Factory,Xianyang,712099,China)

Abstract:It is more and more important of the stepper motor system in the modern mechatronics products,such as CNC,packaging machinery,computer peripherals and so on.A design of the stepper motor driver with the simply controlling and inexpensive cost is proposed based on the multi-chip modules SMA7029M.The practice application shows its universalness,simplicity and reliableness,and the design in this paper can be widely used in the small-scale electromechanical integration equipments.

Keywords:stepper motor;driving control;multi-chip modules;work mode

步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行設(shè)備,是現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一。它通常被用作定位控制和定速控制,以其慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等機(jī)電一體化產(chǎn)品。相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也得到了快速的發(fā)展和改進(jìn)\。但是目前在工業(yè)應(yīng)用中,多數(shù)驅(qū)動(dòng)器體積較大,通用性不強(qiáng),往往要求外接多路電源,而且成本較高。文中介紹了采用Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的輸出電流,并通過試驗(yàn)和實(shí)際使用驗(yàn)證了其通用性強(qiáng)、控制簡單、可靠性高的特性。

1 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)受脈沖電流控制,每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。轉(zhuǎn)子的角位移正比于輸入脈沖的數(shù)量,轉(zhuǎn)子的角速度正比于輸入脈沖的頻率,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進(jìn)電機(jī)有一定的步距誤差,但沒有累計(jì)誤差。若維持控制繞組的電流不變,則步進(jìn)電機(jī)就可停在某一位置不動(dòng)。其按力矩產(chǎn)生的原理可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和激磁式步進(jìn)電機(jī)。按輸出力矩大小可分為伺服式步進(jìn)電機(jī)和功率式步進(jìn)電機(jī)。

由于步進(jìn)電機(jī)是屬于感性器件,感抗與其輸入頻率是成正比。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加,其感抗也會(huì)增大。該狀態(tài)下流入電機(jī)線圈的電流就會(huì)減小,電機(jī)的輸出扭力達(dá)不到要求輸出,嚴(yán)重的情況下會(huì)造成電機(jī)失步或者電機(jī)只振動(dòng)不轉(zhuǎn)。這就要求其驅(qū)動(dòng)電路能夠提供穩(wěn)定的輸出電流,使步進(jìn)電機(jī)具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。一般設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅(qū)動(dòng),這些驅(qū)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)板或一些轉(zhuǎn)速不高、帶動(dòng)負(fù)載小的應(yīng)用場所使用比較合適,在實(shí)際工作設(shè)計(jì)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需要求。針對(duì)這些問題,各大公司陸續(xù)推出了專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,簡化其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優(yōu)良的步進(jìn)電機(jī)控制模塊,該多芯片模塊能為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定的輸出電流,使電機(jī)能夠穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的多芯片模塊,它采用功率FET技術(shù)和單片邏輯控制電路對(duì)完成步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M,三個(gè)芯片模塊不同主要是在輸出額定電流(1.5 A或3.0 A)和包裝樣式上。

2.1 SMA7029M結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SMA7029M內(nèi)部主要包含電流峰值檢測部分,PWM關(guān)閉時(shí)間控制部分,電機(jī)邏輯控制部分,輸出電流及回流電流控制部分,如圖1所示。其工作過程主要是通過電流采樣,通過峰值檢測電路得到當(dāng)前最大電流,根據(jù)其結(jié)果控制PWM工作時(shí)間,最終達(dá)到控制整個(gè)芯片組輸出電流的目的。

圖1 SMA7029M的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路

圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的電路,主要包含參考電壓取樣電路,OC門反向器輸入電路,電流取樣以及輸出變壓器耦合電路。通過設(shè)置電路中的R3=47 kΩ,C1=470 pF,可以得到脈寬約等于12 μs。

2.2 邏輯控制關(guān)系

SMA7029M可以通過外部邏輯控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)的改變,表1給出了詳細(xì)的控制方式及輸出結(jié)果。

表1 SMA7029M半步進(jìn)操作狀態(tài)

Sequence狀 態(tài)

012345670

Input AHHLLLLLHH

Input A or tdaLLLHHHLLL

Input BLHHHLLLLL

Input B or tdbLLLLLHHHL

Output(s) ONAABBABAABBABA

其中tda和tdb連接外部OC門反相器的邏輯控制信號(hào),連接關(guān)系見圖1所示。從表1中可以看出,不同控制關(guān)系下輸出的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移,A和B兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制,例如在狀態(tài)0及狀態(tài)2下A,B通道分別獨(dú)立工作,而在狀態(tài)1下二者可以同時(shí)工作。

2.3 工作模式選擇

通過改變圖1中外部元器件取值來設(shè)置PWM電流啟動(dòng)點(diǎn)。Vb是供電電壓,典型取值為5 V;R1,R2為分壓電阻,為所需參考電壓提供合適的輸入;Rs是電流取樣電阻。其中參考電壓Vref輸入最大不能超過2 V,相應(yīng)地選擇合適的電阻。在正常PWM模式(滿電流工作)下,Iout需要設(shè)置到電機(jī)工作所需的滿電流,它由式(1)決定:

Iout=R2R1+R2•VbRs

(1)

為了使輸出電流可調(diào),可以將圖1中的固定電阻R2改用可調(diào)電位器。在保持電流模式下,圖2增加電路可以減小步進(jìn)電機(jī)的電壓。

其中外部三極管可以改變分壓比,使參考電壓Vref發(fā)生變化,從而減小輸出電流。此時(shí)的Ihold由電阻R1,R2,Rx,Rs以及電壓Vb共同決定:

Ihold=R2RxR1R2+R1Rx+R2Rx•VbRs

(2)

圖2 保持電流模式下參考電壓電路

3 結(jié) 語

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件之一,在當(dāng)今社會(huì)中發(fā)揮的作用越來越重要,從數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械到電腦的裝置、機(jī)器人系統(tǒng)、儀表儀器等各種信息工業(yè)產(chǎn)品中,都離不開步進(jìn)電機(jī),進(jìn)而也對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提出了進(jìn)一步的要求。本文以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實(shí)現(xiàn)了一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過設(shè)計(jì)合適參數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)輸入電流。通過在包裝機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際使用,進(jìn)一步證明了該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作可靠,效率高,矩頻特性好,可以廣泛應(yīng)用于小型機(jī)電一體化設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)

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篇3

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)；電流控制

1.步進(jìn)電機(jī)工作原理及分類

步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的直流同步電機(jī)，它由電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制。脈沖的個(gè)數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，而脈沖的頻率則決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且二者均為正比關(guān)系。

步進(jìn)電機(jī)的分類方法很多，下面僅介紹按照勵(lì)磁方式的分類。

（1）永磁式步進(jìn)電機(jī)。該類型的步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部有轉(zhuǎn)子和定子，其中的轉(zhuǎn)子由永磁體制造而成。通過對(duì)其定子繞組的通電形成電磁場，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。這一類的步進(jìn)電機(jī)多為兩相，步距角多為7.5°或15°，常見于醫(yī)療設(shè)備等場合。

（2）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。該類步進(jìn)電機(jī)由磁性轉(zhuǎn)子通過與定子形成的磁場相互作用形成運(yùn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)子上均勻分布很多小齒，定子有三個(gè)勵(lì)磁繞組，其運(yùn)動(dòng)原理為“錯(cuò)齒”。由于小齒加工困難，所以單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)不能很大，多見有三相、四相、五相。相數(shù)更多時(shí)電機(jī)的制作成本過高，因此相應(yīng)產(chǎn)品很少見。另外一種就是多段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)就是將定子分布在一根長軸上。此類步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是電機(jī)的長度、重量很大，因此成本也很高。

（3）混合式步進(jìn)電機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以提供更好的機(jī)械性能。其定子鐵心結(jié)構(gòu)與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相同，可以分為幾個(gè)大齒，每個(gè)大齒上銑有若干小齒。而控制繞組則與永磁式步進(jìn)電機(jī)相同。比如兩相步進(jìn)電機(jī)的步距角可以達(dá)到1.8°。而隨著電機(jī)相數(shù)的增加，其步距角可以達(dá)到更小，提高了電機(jī)的工作精度，因此該類步進(jìn)電機(jī)使用范圍更加的廣泛。

2.常見步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以大致歸類為硬件實(shí)現(xiàn)與軟件實(shí)現(xiàn)兩種。

硬件實(shí)現(xiàn)類由脈沖信號(hào)控制器、硬環(huán)分電路、驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。其中脈沖信號(hào)控制器作用是產(chǎn)生脈沖信號(hào)，硬環(huán)分實(shí)現(xiàn)脈沖的分配，驅(qū)動(dòng)電路是將硬環(huán)分電路的輸出信號(hào)隔離放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。此類系統(tǒng)可以作為開環(huán)使用，其設(shè)計(jì)簡單，成本較低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)初步的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。缺點(diǎn)在于一套系統(tǒng)僅能驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)的靈活性、可移植性均很差。

軟件實(shí)現(xiàn)類是目前常用的方式。在這類系統(tǒng)中，控制信號(hào)的產(chǎn)生和分配由單片機(jī)或者PLC實(shí)現(xiàn)并輸出，然后通過隔離電路、信號(hào)放大電路完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這類系統(tǒng)的靈活性很高，可以快速適用于不同的控制系統(tǒng)。同時(shí)由于單片機(jī)和PLC可編程，因此可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法。同時(shí)隨著集成電路等技術(shù)發(fā)發(fā)展，單片機(jī)的性能越來越好，其內(nèi)部集成了PWM模塊、A/D模塊等，可以更加方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

常見的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要有單電壓驅(qū)動(dòng)、單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流斬波驅(qū)動(dòng)、升頻升壓驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。

其中高低壓驅(qū)動(dòng)是指在脈沖前沿加高壓，從而提高脈沖的前沿陡度，脈沖后沿使用低壓維持電機(jī)繞組中的電流的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。這樣的方法實(shí)際上是加大了系統(tǒng)傳遞到繞組中的電流從而提升了電機(jī)的整體機(jī)械特性。但是在高壓結(jié)束和低壓開始的時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生電流的短暫降低，導(dǎo)致局部機(jī)械特性的損失。這種方式在實(shí)際中仍有應(yīng)用。

所謂恒流斬波驅(qū)動(dòng)，就是利用斬波電路將繞組的電流限制在期望電流附近，從而實(shí)現(xiàn)“恒流驅(qū)動(dòng)”。且由于電流在額定電流附近波動(dòng)，電機(jī)的機(jī)械特性較好。但是斬波電路的電流紋波大，噪聲也比較大。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)是指在切換脈沖時(shí)不是瞬間將繞組的電流切斷或通入，而是以階梯狀的電流波形實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)或切斷。比如將一電機(jī)進(jìn)行n細(xì)分驅(qū)動(dòng)，則電流增大或減小n次才能實(shí)現(xiàn)完全的切斷或通入。這樣可是使定子磁場在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)多個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而將步距角細(xì)分n份，提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率，使得電機(jī)能夠更加平穩(wěn)地運(yùn)行。

兩相四線步進(jìn)電機(jī)的常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式有兩相四拍和兩相八拍兩種，分別為A-B-A'-B'-A和A-AB-B-A'B-A'-A'B'-B'-AB'-A。其中兩相八拍的運(yùn)行模式是2細(xì)分驅(qū)動(dòng)，因此兩相八拍的運(yùn)行模式更加地平穩(wěn)，且精度高。細(xì)分運(yùn)行狀態(tài)下，A-A'相中與B-B'相中的電流的數(shù)值和始終為Im，只是每相中的電流從0變化到Im（反向變化相同）不再是一次階躍變化，而是細(xì)分成四個(gè)小的階躍變化。而穩(wěn)定的磁場狀態(tài)由原來的4個(gè)變?yōu)楝F(xiàn)在的16個(gè)，也就是增加了12個(gè)中間的穩(wěn)定狀態(tài)，因此電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，而步距角相應(yīng)的變?yōu)樵瓉淼?/4，電機(jī)的分辨率更高，也就是精度更高。

步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：Te=pImM（iAcosθ-iBsinθ）

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，M為定子線圈的互感。

若將電流改為正弦形式，

iA=I cosα iB=I sinα

其中角度α為電機(jī)軸預(yù)置位置的電角度。

則電磁轉(zhuǎn)矩可改寫為

Te=pImMIsin（α-θ）

但是必須注意的一點(diǎn)是，電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)在對(duì)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡化后計(jì)算得到。在一般場合下，電磁轉(zhuǎn)矩可以認(rèn)為是步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。但是在一些高精度場合還要考慮到摩擦、電樞自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)電機(jī)輸出力矩的影響。如果步進(jìn)電機(jī)作為直驅(qū)電機(jī)使用時(shí)，還要考慮電機(jī)與被驅(qū)動(dòng)對(duì)象間連接件的剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響。

由于電機(jī)出廠后，它的電氣特性和機(jī)械特性已經(jīng)確定。在不改變電機(jī)的結(jié)構(gòu)的前提下，通過細(xì)分驅(qū)動(dòng)仍能將電機(jī)的性能大大提升?？刂齐娏鞯幕舅悸肥沁M(jìn)行電流的閉環(huán)控制，而電流則有一輸出電流可控的逆變電源獲得。當(dāng)實(shí)際值小于理想值時(shí)，增大開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，電流變大；實(shí)際值大于理想值時(shí)，減小開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，電流變小。

3.單片機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，分為電源、主控電路、電流檢測、隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)使用STC12C5A60S2做為主控芯片，這是一款國產(chǎn)芯片，指令周期1T，內(nèi)置PWM、AD模塊，最高可工作在24MHz的頻率下，有DIP40封裝和PQFP44封裝，以適應(yīng)不同的尺寸需求。這款芯片完全能夠滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

隔離電路使用PLT521光耦設(shè)計(jì)完成。使用光耦是為了避免電機(jī)運(yùn)行期間對(duì)主控板造成干擾。PLT521是一款常用的光耦芯片，由于步進(jìn)電機(jī)工作的頻率不高，因此該芯片的速度完全能夠滿足。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298設(shè)計(jì)完成，L298內(nèi)置雙H橋，能夠結(jié)構(gòu)TTL信號(hào)作為邏輯信號(hào)。其輸出端最高電壓可達(dá)42V，電流最大2.5A，開關(guān)頻率可達(dá)40KHz。由于實(shí)驗(yàn)中所使用的步進(jìn)電機(jī)功率較小，因此L298可以滿足需要。如果需要驅(qū)動(dòng)較大功率的或相數(shù)更多的步進(jìn)電機(jī)，可采用分立開關(guān)元件自行搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路。

開機(jī)運(yùn)行后，程序即循環(huán)檢測按鍵輸入的指令。當(dāng)檢測到鍵盤輸入的命令與當(dāng)前單片機(jī)內(nèi)保存的命令不同時(shí)，即更新保存的命令并重新計(jì)算控制參數(shù)；若沒有檢測到輸入或輸入與前次相同，則控制參數(shù)不變，進(jìn)入電流檢測環(huán)節(jié)，然后根據(jù)檢測到的電流生成相應(yīng)的PWM波形。

另外電機(jī)都有固定的額定工作電流和最大超載電流，當(dāng)檢測到的電流超過最大超載電流后，應(yīng)立即關(guān)斷電機(jī)，從而保護(hù)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。這個(gè)功能可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)，但是考慮到系統(tǒng)的通用性，因此將該功能改成由軟件實(shí)現(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程.2009，1.

篇4

關(guān)鍵詞：PLC 組態(tài) HMI 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)： TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）11-0000-00

一種基于PLC和組態(tài)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其控制方案由硬件與軟件相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)。其控制方式變得直觀且容易操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速功能。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.1 步進(jìn)電機(jī)原理及其控制

步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槠涔ぷ鞯姆绞脚c特點(diǎn)，又被稱之為脈沖電機(jī)，是被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中的電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的作用是將接收到的脈沖轉(zhuǎn)化為具體的角度偏移或線性移動(dòng)。控制步進(jìn)電機(jī)的方法，一般是通過控制輸送到其驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制角位移；通過控制輸入驅(qū)動(dòng)器的脈沖的周期來達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。被廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)中。

1.2 步進(jìn)電機(jī)的控制方式

步進(jìn)電機(jī)的常用控制方式主要有3種，分別為基于電子電路的控制系統(tǒng)，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)以及基于PLC的控制系統(tǒng)?；陔娮与娐返牟竭M(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，電路簡單；基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)硬件與軟件相結(jié)合的控制方法，通過編寫程序的方式實(shí)現(xiàn)脈沖分配，電路設(shè)計(jì)簡單，但卻有著工作不穩(wěn)定的缺陷?；赑LC步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，由PLC、環(huán)形脈沖分配器和功率放大電路構(gòu)成。對(duì)PLC進(jìn)行軟件編程使其輸出所需數(shù)目的電脈沖信號(hào)，通過改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，來實(shí)現(xiàn)控制伺服機(jī)構(gòu)的移動(dòng)量。同時(shí)使用PLC程序編輯控制輸出電脈沖信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)改變伺服機(jī)構(gòu)的移速。

1.3 THB6064AH芯片

THB6064AH芯片為日本東芝半導(dǎo)體公司推出的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，擁有高細(xì)分、衰減方式連續(xù)可調(diào)、大功率、溫度與電流過保護(hù)功能。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路功能主要有兩個(gè)，分別為脈沖分配與功率放大。上位機(jī)輸入的脈沖信號(hào)，經(jīng)過環(huán)形脈沖分配器進(jìn)行脈沖分配，經(jīng)過功率放大電路對(duì)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

通過腳3腳4的輸入電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減方式的控制，從而可以達(dá)到更好的驅(qū)動(dòng)效果；腳5為電流輸出設(shè)定端以及參考電壓設(shè)置端，輸入的電壓以及電流大小進(jìn)入恒流斬波電路的比較器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的控制；腳7、8、9為細(xì)分?jǐn)?shù)選擇端，通過輸入不同的數(shù)值可以選擇細(xì)分模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)；腳18為使能端Enable，當(dāng)使能端輸入為0時(shí)無脈沖輸出，輸入為1時(shí)正常工作，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟?？刂?。

通過調(diào)節(jié)Vref端口的變阻器使調(diào)節(jié)輸出電流的大小。OSC2端口控制電流的衰減管段時(shí)間，通過串聯(lián)一個(gè)電阻來與內(nèi)部電路形成RC振蕩回路。參考電機(jī)工作時(shí)輸入的脈沖頻率，選擇40KHz時(shí)衰減關(guān)斷，所以對(duì)應(yīng)接51KΩ的電阻串聯(lián)。DY1、DY2位衰減方式控制端，通過控制輸入DY1與DY2的電平來選擇不同的衰減模式，以實(shí)現(xiàn)更好的驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過測試后選擇40%的快衰減模式可以使電機(jī)運(yùn)行效果更為優(yōu)秀，所以DY1輸入高電平，DY2懸空。M1、M2、M3為細(xì)分?jǐn)?shù)控制端，通過改變M1、M2、M3的輸入電平來改變步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分越高，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行更加平滑穩(wěn)定，可以減小步進(jìn)電機(jī)震蕩。本次設(shè)計(jì)所采用的為32細(xì)分，所以M1、M3輸入高電平，M2懸空。NFA、NFB分別為A、B繞組的檢測電阻，選擇0.22Ω/2W的大功率電阻串聯(lián)。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地線，VMA、VMB為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，與24V電源正極相連。VDD為芯片電源輸入端，與5V電源正極相連。RESET為復(fù)位輸入，通過PLC輸出來使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在電機(jī)運(yùn)行前復(fù)位，使其不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)步的現(xiàn)象；EN為使能端口，由PLC輸出控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟?？刂?；CLK與CW端口分別為脈沖信號(hào)輸入端口與方向信號(hào)輸入口，PLC通過向這兩個(gè)端口發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速與正反向控制。由于PLC輸出為24V，THB6064AH芯片的工作電壓為5V，所以PLC輸出與芯片間需串聯(lián)電阻，使電壓合適THB6064AH的工作電壓。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1 工藝對(duì)象組態(tài)

在PLC1200系列中，用戶可通過添加工藝對(duì)象來控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制。通過定義工藝對(duì)象中的參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)給進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在工藝對(duì)象中可以定義給進(jìn)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)程，在運(yùn)動(dòng)控制模塊中無需通過計(jì)算所需發(fā)出的脈沖數(shù)量與頻率自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算后再進(jìn)行輸出，所以使用起來十分方便，只需要直接輸入給定的位置以及速度便可自動(dòng)完成動(dòng)作。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

PTO模塊是集成在運(yùn)動(dòng)控制模塊中。當(dāng)用戶需要使用高速脈沖輸出時(shí)，通過組態(tài)工藝對(duì)象、調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制模塊即可實(shí)現(xiàn)高速脈沖輸出功能，從而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械給進(jìn)。通過控制MC_Power的使能狀態(tài)即可控制運(yùn)動(dòng)控制模塊的使能，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的起停控制。Axis為控制軸，輸入軸編號(hào)接對(duì)對(duì)應(yīng)的軸進(jìn)行控制。

4 結(jié)語

通過測試可以正常運(yùn)行。重新接線后通電，通過HMI控制PLC輸出脈沖，脈沖經(jīng)過自制THB6064H電路后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正常。？

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床； 步進(jìn)電機(jī)； STM32F103； 控制模塊

中圖分類號(hào)： TN876.3?34； TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0129?05

Design of stepper motor high?precision control module in numerical control machine tool

HOU Xiaofang， TAO Baofeng

（1. Shaanxi Institute of Technology， Xi’an 710300， China； 2. Northwest University of Political Science and Law， Xi’an 710063， China）

Abstract： The traditional stepper motor control module of the numerical control machine tool can't effectively coordinate the relationship among the speed parameters of the stepper motor， and has low control precision. Therefore， the stepper motor high?precision control module of the numerical control machine tool was designed. The STM32F103 in the module gives the control instruction of the stepper motor′s running process according to the synthetical linear speed control function. The FPGA generates the control signal according to the control instrument， and transmits it to the stepper motor driver. The stepper motor driver imports the control current into the stepper motor according to the sorting of control positions in the control signal. The accurate control of the controlled object is implemented with the module. The grating sensor acquires the running process of the stepper motor. The FPGA gives out the specific running result of the stepper motor by analysis of the collected information， and transmits it to STM32F103. The real?time monitoring and correction of the running process of the stepper motor are realized with STM32F103. The experimental results show that the designed module has good response effect， control error and control result， and can realize the high?precision control.

Keywords： numerical control machine tool； stepper motor； STM32F103； control module

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)控制信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制設(shè)備，與其他控制設(shè)備相比，其擁有控制誤差不累計(jì)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化辦公的當(dāng)今社會(huì)中，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控、計(jì)量、器械等領(lǐng)域[1?3]。在數(shù)控領(lǐng)域中，步進(jìn)電機(jī)以其穩(wěn)定的控制水平成為數(shù)控機(jī)床中的核心控制設(shè)備。但在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊無法有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)速度參數(shù)間的關(guān)系，控制精度不高?，F(xiàn)如今，數(shù)控領(lǐng)域?qū)?shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊，產(chǎn)生了較大的需求[4?6]。

控制精度包括響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊均無法完全實(shí)現(xiàn)高精度控制。如文獻(xiàn)[7]基于電磁鐵設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，其將電磁鐵產(chǎn)生的電磁扭矩作為控制媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的有效控制。但電磁鐵易受干擾，將導(dǎo)致整個(gè)模塊的魯棒性被破壞，故其響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果均不好。文獻(xiàn)[8]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，該模塊利用單片機(jī)較為強(qiáng)大的控制性能，結(jié)合部分外接電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的有效控制。其響應(yīng)效果和控制誤差較好，但在多線程控制下單片機(jī)耗能較大，導(dǎo)致控制信號(hào)不穩(wěn)定，故模塊的控制成果不好。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)基于電子電路的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，電子電路產(chǎn)生的控制信號(hào)可直接被步進(jìn)電機(jī)所使用，有效提高了模塊的控制精度。但該模塊更改控制策略的步驟非常復(fù)雜，故只適用于控制策略較為穩(wěn)定的被控對(duì)象。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，可編程邏輯控制器的本|就是工業(yè)計(jì)算機(jī)，其價(jià)格便宜、使用簡單，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。在控制工作中，可編程邏輯控制器用其輸出的方形脈沖信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，具有較高的響應(yīng)效果和控制成果，但該模塊的控制誤差不易控制。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，若想使數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)高精度控制，需要選擇性能高、成本低的控制器，并結(jié)合特定方法有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)的速度關(guān)系?，F(xiàn)基于STM32F103微控制器和綜合線性速度控制函數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊。

1 數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊設(shè)計(jì)

1.1 模塊整體方案設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊采用STM32F103微控制器作為其硬件控制核心，并結(jié)合綜合線性速度控制函數(shù)，提高模塊響應(yīng)效果和控制成果，縮減控制誤差，最終實(shí)現(xiàn)高精度控制。圖1為模塊硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，控制工作開始后，STM32F103微控制器將給出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的控制指令，該指令的實(shí)施由現(xiàn)場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實(shí)現(xiàn)。FPGA根據(jù)指令生成控制信號(hào)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的初始化和速度進(jìn)行控制。STM32F103微控制器也將對(duì)FPGA給出的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀況信息進(jìn)行接收和顯示。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)往往不止一臺(tái)，因而，所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用FPGA的一項(xiàng)重要因素就是：FPGA能夠?qū)Χ嗯_(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)施同時(shí)控制，并可以對(duì)控制指令進(jìn)行精準(zhǔn)分配。這對(duì)提高模塊響應(yīng)效果、縮減模塊控制誤差具有決定性作用。

由于步進(jìn)電機(jī)只有在驅(qū)動(dòng)器存在的情況下才能正常運(yùn)行，故FPGA與步進(jìn)電機(jī)并非直接相連。FPGA先將控制信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)中控制位置的排序，依次將步進(jìn)電機(jī)所需的控制電流導(dǎo)入步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的準(zhǔn)確控制。在所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是Σ澆電機(jī)的運(yùn)行流程進(jìn)行采集。其將所采集到的信息傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行判斷，得出步進(jìn)電機(jī)的具體運(yùn)行結(jié)果，并將其傳輸給STM32F103微控制器，實(shí)現(xiàn)STM32F103微控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正。

1.2 STM32F103微控制器設(shè)計(jì)

STM32F103微控制器是一款對(duì)8位單片機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后產(chǎn)生的32位控制器，其價(jià)格便宜、便于攜帶，并擁有很強(qiáng)的控制能力，在運(yùn)算速度和轉(zhuǎn)換效率上比8位單片機(jī)有很大提升。STM32F103微控制器擁有低耗、高兼容性和高通信能力等優(yōu)點(diǎn)，其電壓范圍為[2.0 V，3.6 V]，通常使用3.3 V電源供電。

STM32F103微控制器給用戶提供了三個(gè)工作模塊，分別是標(biāo)準(zhǔn)工作模塊、節(jié)能工作模塊和休眠工作模塊，用戶可根據(jù)自身控制需求選用最適合的工作模塊。其還擁有多種類型的通信接口，最大傳輸頻率為70 MHz，可進(jìn)行多方信號(hào)的同時(shí)、快速傳輸。

在STM32F103微控制器中，其最重要的功能電路是晶振電路和電源電路，如圖2、圖3所示。

由圖2可知，STM32F103微控制器最多可連接兩個(gè)晶振電路，分別為其提供高速標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)和低速精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，晶振Y的規(guī)格為10 MHz。電容C1和C2的主要功能是對(duì)晶振Y進(jìn)行激勵(lì)。

由圖3可知，電源電路為STM32F103微控制器提供了三種供能模式，分別是外接蓄電池供能、數(shù)據(jù)傳輸接口供能以及計(jì)算機(jī)軟件接口供能。電容C1和C4的規(guī)格為0.1 μF，C2，C3的規(guī)格是10 μF?？紤]到電路中的電能損失，電源電路所提供的電能是5 V，故需要對(duì)電源電路的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所使用的轉(zhuǎn)換器是LT1117穩(wěn)壓管。

1.3 FPGA設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用的FPGA擁有210個(gè)引腳和148個(gè)輸入/輸出端口，其電源電壓的輸入范圍為[1.2 V，3.5 V]，可在溫度為[0，90 ℃]的范圍下運(yùn)行。FPGA擁有兩種工作模式，分別是內(nèi)部測試和分頻測試，其價(jià)格便宜、控制成果好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的高精度控制。圖4為STM32F103微控制器與FPGA的接口連接圖。

由圖4可知，F(xiàn)PGA擁有5個(gè)輸入線接口和20個(gè)輸出門接口，微控制器的虛擬內(nèi)存用來進(jìn)行控制指令地址的傳輸，線接口用來對(duì)控制指令進(jìn)行重置、鎖定、編譯、寫入和只讀。門接口0～7可對(duì)8個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同時(shí)控制。FPGA的內(nèi)部測試和分頻測試將相互結(jié)合使用，對(duì)STM32F103微控制器中控制指令進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA輸出的控制信號(hào)格式為數(shù)字脈沖信號(hào)。

由于數(shù)控機(jī)床要求步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行流程必須包括初始化、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和休眠，故FPGA需要先對(duì)STM32F103微控制器中晶振電路的計(jì)時(shí)輸出進(jìn)行分頻，再進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。經(jīng)轉(zhuǎn)換后獲取的控制信號(hào)將傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行進(jìn)一步操作。

1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

由于FPGA給出的控制信號(hào)能量不高，無法喚醒步進(jìn)電機(jī)，故利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)FPGA的控制信號(hào)進(jìn)行放大。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)中控制位置的排序，依次將控制電流導(dǎo)入步進(jìn)電機(jī)，保證數(shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行。圖5為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路示意圖。由圖5可知，數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)是雙相細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，這種型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擁有精度高、噪音小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。電路中的時(shí)鐘接口選用的是光電耦合信號(hào)控制器，有效縮減了設(shè)計(jì)成本，并且操作更為簡單。當(dāng)12 V電源的輸出是穩(wěn)定電流時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將進(jìn)行反相轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行；無電流輸出時(shí)，步進(jìn)電機(jī)則進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)FPGA控制信號(hào)的放大工作是循環(huán)進(jìn)行的，分區(qū)接口與方向控制信號(hào)器相接，作用是對(duì)控制信號(hào)中控制位置的排序進(jìn)行依次讀取與準(zhǔn)確輸送。接口1與接口2則與數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)直接相連，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊對(duì)被控對(duì)象的準(zhǔn)確控制。

2 步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊軟件設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊中，通常選用直線或拋物線對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。其中，直線速度控制函數(shù)的運(yùn)算量小、效率高，所以模塊對(duì)被控對(duì)象的響應(yīng)效果較好，但控制誤差和控制成果不高。而拋物線控制函數(shù)的運(yùn)算量大，模塊的控制誤差較小，響應(yīng)效果卻不好。為此，所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用了綜合線性速度控制函數(shù)，將直線和拋物線的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，摒棄二者缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于加速運(yùn)行時(shí)，其加速函數(shù)分為三個(gè)階段，依次為拋物線、直線、拋物線，則有：

式中：為直線加速度；為直線方程與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位移；為拋物線斜率；為加速時(shí)間；為步進(jìn)電機(jī)初始速度；和分別是第一次和第三次加速拋物線的參數(shù)。將步進(jìn)電機(jī)加速拋物線的總參數(shù)設(shè)為，則：

此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在直線、拋物線1和拋物線2的加速階段速度，，滿足如下關(guān)系式：

此時(shí)，三個(gè)加速階段所能獲取的控制指令數(shù)量為：

根據(jù)式（1）～式（5）可得，當(dāng)STM32F103微控制器發(fā)出第個(gè)控制指令，該指令與三個(gè)加速階段中加速時(shí)間的關(guān)系式為：

通過調(diào)節(jié)式（6）中的各項(xiàng)參數(shù)，能夠有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)的速度關(guān)系，對(duì)模塊獲取優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，實(shí)現(xiàn)高精度控制具有一定的推動(dòng)作用。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于減速運(yùn)行時(shí)，其減速曲線和加速曲線是互為對(duì)稱的，運(yùn)算方式與加速函數(shù)相近。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)利用對(duì)比方式對(duì)本文模塊、單片機(jī)控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果進(jìn)行分析，確定本文模塊能否較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。在數(shù)控機(jī)床中，其主要被控對(duì)象為機(jī)器轉(zhuǎn)速和位移，令三個(gè)模塊在同等條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)器的轉(zhuǎn)速和位移M行控制。

3.1 響應(yīng)效果分析

將本文模塊、單片機(jī)控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)器轉(zhuǎn)速、位移的響應(yīng)時(shí)間繪制成曲線，如圖6、圖7所示。響應(yīng)時(shí)間越短、越穩(wěn)定，則模塊的響應(yīng)效果越好。由圖6、圖7可知，各數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊對(duì)機(jī)器轉(zhuǎn)速的響應(yīng)效果要好于對(duì)機(jī)器位移的響應(yīng)效果，差值在3 s左右。本文模塊的響應(yīng)時(shí)間曲線要明顯低于其他兩個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間曲線，且曲線的穩(wěn)定性更強(qiáng)。由此可得出，本文模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果。

3.2 控制誤差分析

各數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊的控制誤差是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矩確定出來的，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的不確定性較大，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確控制的模塊，模塊的控制誤差必然較小。

在實(shí)驗(yàn)給出的控制指令中，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為1.8 kg?cm。在步進(jìn)電機(jī)頻率不斷增加的情況下，其輸出轉(zhuǎn)矩越貼近該數(shù)值，證明模塊的控制誤差越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在三個(gè)模塊中，本文模塊的步進(jìn)電機(jī)輸出曲線與控制指令中的1.8 kg?cm轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)最為接近。由此可得出，本文模塊具有優(yōu)良的控制誤差。

3.3 控制成果分析

數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊的控制成果是指，在模塊控制下由實(shí)驗(yàn)機(jī)器產(chǎn)生的加工元件。加工元件的規(guī)格越接近控制指令的目標(biāo)規(guī)格，則模塊的控制成果越好。根據(jù)上述定義，繪制出控制成果曲線，如圖9所示。

由圖9可知，本文模塊的控制成果范圍高達(dá)[97.6%，99.8%]，較其他兩個(gè)模塊而言，本文模塊具有優(yōu)良的控制成果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊，其采用STM32F103微控制器作為硬件控制核心，并結(jié)合綜合線性速度控制函數(shù)、現(xiàn)場可編程門陣列、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光柵傳感器，以提高模塊響應(yīng)效果和控制成果、縮減控制誤差為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)模塊的高精度控制。實(shí)驗(yàn)將本文模塊與單片機(jī)控制模塊，以及可編程邏輯控制器控制模塊的響應(yīng)效果、控制誤差、控制成果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，可較好地實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。

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篇6

【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；多模式；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1.引言

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，步進(jìn)電機(jī)能否更好的應(yīng)用，很大程度上取決于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的水平。伴隨著步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)生，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器就一直在不斷發(fā)展和進(jìn)步，目前國內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器種類很多，但是大部分功能比較單一，很多是針對(duì)固定的步進(jìn)電機(jī)或者固定的應(yīng)用領(lǐng)域，而且價(jià)格一般較高，很多不帶細(xì)分功能，很難滿足現(xiàn)實(shí)生活中需要靈活應(yīng)用且成本較低的場合。

本設(shè)計(jì)的目的就是解決現(xiàn)實(shí)生活中需要靈活應(yīng)用和低成本的問題，并且是使用應(yīng)用最廣泛的混合式步進(jìn)電機(jī)而制作的步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)采用三洋公司的2-4相兩用混和式步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，多模式選擇，圈數(shù)、速度設(shè)定和存儲(chǔ)，速度調(diào)節(jié)范圍寬，低速自動(dòng)細(xì)分，輸出轉(zhuǎn)矩大且可調(diào)，各種數(shù)據(jù)的液晶顯示，過熱和掉電保護(hù)等功能。

2.設(shè)計(jì)分析與方案的確定

2.1 設(shè)計(jì)方案

方案1：細(xì)分完全靠軟件實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電路采用三極管和A/D轉(zhuǎn)換芯片；脈沖用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生；顯示采用數(shù)碼管；存儲(chǔ)采用單片機(jī)內(nèi)部的特殊存儲(chǔ)單元。這種方法側(cè)重于軟件設(shè)計(jì)，當(dāng)脈沖太快時(shí)，定時(shí)器中斷就會(huì)和細(xì)分程序產(chǎn)生沖突，造成程序的混亂；存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)容易丟失；顯示內(nèi)容比較單一；控制的實(shí)時(shí)性不易保證，調(diào)試也比較煩瑣，可靠性較低；而且效率較低，大部分能量消耗在三極管得發(fā)熱上。

方案2：驅(qū)動(dòng)電路采用東芝公司最新推出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560AHQ，它內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)；最高耐壓40V，單相輸出最大電流3.5A(峰值)；具有整步、1/2、1/8、1/16細(xì)分方式；內(nèi)置溫度保護(hù)芯片，溫度大于150℃時(shí)自動(dòng)斷開所有輸出；具有過流保護(hù)；配合單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)細(xì)分、電流和力矩自動(dòng)控制、過流和溫度過高自動(dòng)保護(hù)等功能。掉電存儲(chǔ)電路采用Atmel公司的AT24C04（EEPROM）；顯示電路采用1602液晶顯示模塊；輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。

2.2 方案對(duì)比及確定

用分立元件做的驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，調(diào)試繁瑣，如果設(shè)計(jì)的電路稍有瑕疵，就會(huì)造成故障率急劇上升，效率較低，很大一部分能量浪費(fèi)在驅(qū)動(dòng)電路上，而且很難實(shí)現(xiàn)細(xì)分和正弦波電流驅(qū)動(dòng)。集成芯片驅(qū)動(dòng)方式具有電路簡單，調(diào)試容易，穩(wěn)定性高，效率高，體積小，功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，能做到自動(dòng)細(xì)分和正弦波電流驅(qū)動(dòng)，但是功率一般不能做的很大。

當(dāng)速度增大時(shí)單片機(jī)定時(shí)器中斷較快，因此細(xì)分不能全部用軟件實(shí)現(xiàn)，若使用三極管和A/D轉(zhuǎn)換芯片時(shí)必須大量依靠軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)分；圈數(shù)和速度必須牢靠的存儲(chǔ)起來，方便應(yīng)用，因此必須使用專業(yè)的掉電存儲(chǔ)芯片；使用中必須實(shí)時(shí)顯示速度和圈數(shù)，因此應(yīng)該選用能顯示多個(gè)數(shù)據(jù)的1602液晶顯示模塊；使用中對(duì)穩(wěn)定性和實(shí)用性有很高的要求，使用集成芯片電路簡單、功能強(qiáng)大，可以把單片機(jī)大量的資源用在其他地方，不僅增加了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和實(shí)用性，而且還能增加許多其他功能，使系統(tǒng)的實(shí)用性更強(qiáng)。

所以綜合以上情況考慮，選用方案2來設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)智能控制器?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1。

3.主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)模塊

3.1.1 TB6560AHQ簡介

TB6560AHQ是東芝公司最新推出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過采用BICD工藝將低電阻與高許可損耗封裝相結(jié)合，使其與其它同類產(chǎn)品相比能夠極大減少熱量的產(chǎn)生，還能支持使用時(shí)鐘輸入控制的無微控制器應(yīng)用環(huán)境下的微步驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)產(chǎn)生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度步進(jìn)電機(jī)控制芯片相比，在相同高轉(zhuǎn)速下力矩不但不會(huì)下降，反而有所增加；支持各種步進(jìn)電機(jī)選型。

TB6560AHQ的主要特點(diǎn)有：

內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)；

最高耐壓40V，單相輸出最大電流3.5A(峰值)；

具有整步、1/2、1/8、1/16細(xì)分方式；

內(nèi)置溫度保護(hù)芯片，溫度大于150℃時(shí)自動(dòng)斷開所有輸出；

具有過流保護(hù)。

3.1.2 硬件電路的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)原理

驅(qū)動(dòng)芯片硬件電路如圖2。

工作原理如下：M1（22）和M2（23）引腳通過單片機(jī)的程序控制細(xì)分，共有2、8、16三種細(xì)分模式，CW/CCW(21)引腳控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)需要正轉(zhuǎn)時(shí)單片機(jī)P1.2輸出高電平，需要反轉(zhuǎn)時(shí)輸出低電平；PROTECT（19）引腳是芯片的保護(hù)輸出端，當(dāng)芯片正常工作時(shí)由于上拉電阻的作用，單片機(jī)P1.3口采集到高電平，當(dāng)芯片過熱保護(hù)時(shí)，把單片機(jī)P1.3口拉低，此時(shí)可令程序斷開所有輸出，從而保護(hù)芯片；MO（17）引腳是芯片初始化引腳，芯片初始化結(jié)束后會(huì)輸出低電平，通過這個(gè)引腳單片機(jī)可以查詢芯片初始化是否結(jié)束。

TQ2(1)和TQ1(2)控制驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流，通過這兩個(gè)端的選擇可以選擇不同的工作電流，具體選擇模式如表1。可以通過J1和J2跳線選擇最大電流的100%、75%、50%和25%。改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流也就改變了電機(jī)力矩的大小。

DCY2（24）和DCY1（25）是電流衰減模式控制端，通過這兩個(gè)端的選擇可以選擇不同的衰減模式，具體模式如表2?？梢酝ㄟ^J3和J4跳線選擇0、25%、50%和100%四種衰減模式。

由于電機(jī)本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，通過選擇不同的電流衰減模式可以很好的降低甚至消除這種噪聲。

OSC(7)引腳是斬波頻率控制端，所接電容的大小可以控制斬波頻率的大小。當(dāng)所驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)固定后，電容值也隨之確定。

當(dāng)單片機(jī)上電后，在初始化程序中對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位(把RESET(5)拉低，然后再置高電平)，當(dāng)檢測到M0(17)出現(xiàn)低電平時(shí)，表示芯片已經(jīng)初始化。然后根據(jù)按鍵輸入或者24C04存儲(chǔ)的信息輸出脈沖，芯片在脈沖的作用下產(chǎn)生正弦波驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。在芯片運(yùn)行期間，保持ENABLE(4)引腳為高電平；當(dāng)按下停止鍵或者PROTECT（19）引腳出現(xiàn)低電平時(shí)，保持ENABLE(4)引腳為低電平，斷開所有輸出。

3.1.3 軟件程序流程

驅(qū)動(dòng)芯片的控制程序采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，便于主程序的調(diào)用，程序流程如下：

⑴初始化TB6560AHQ；

⑵根據(jù)速度的大小定義芯片細(xì)分管腳；

⑶發(fā)送脈沖和正反轉(zhuǎn)信號(hào)；

⑷監(jiān)控芯片保護(hù)端，當(dāng)溫度過高時(shí)自動(dòng)斷開所有輸出。

驅(qū)動(dòng)芯片的細(xì)分程序流程圖如圖3所示。

驅(qū)動(dòng)芯片TB6560AHQ自帶2、8、16三種細(xì)分模式，單片機(jī)通過M1（22）和M2（23）兩個(gè)引腳可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)分的控制。在程序設(shè)計(jì)中定義了一個(gè)細(xì)分標(biāo)志位t2，當(dāng)執(zhí)行完上述程序后t2會(huì)自動(dòng)的被覆上細(xì)分值，在圈數(shù)程序處理單元，把t2自動(dòng)的乘上，因此就能實(shí)現(xiàn)在細(xì)分情況下，速度和圈數(shù)的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

3.2 掉電存儲(chǔ)模塊

3.2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

掉電存儲(chǔ)模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C04芯片，它的容量是512字節(jié)×8位，既4k位，對(duì)于本系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。電路的連接如圖4所示。

電路中的SDA接單片機(jī)的P3.0口，SCL接單片機(jī)的P3.1口，由單片機(jī)模擬I2C的工作與存儲(chǔ)芯片進(jìn)行通信；上拉電阻如4圖所示，選用5.1k的普通電阻。

3.2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

3.3 顯示模塊

3.3.1 硬件電路的選擇與設(shè)計(jì)

顯示電路使用RT1602C顯示模塊，其接線圖如圖5。

3.3.2 顯示設(shè)置

本設(shè)計(jì)中，0—04h顯示"MODE"；06h—0Bh顯示"SPEED:"；0Ch—0Eh顯示三位速度值；然后第二行和第一行對(duì)應(yīng)顯示模式、圈數(shù)。

設(shè)計(jì)中采用P2口作為數(shù)據(jù)口；采用P3.5、P3.6、P3.7三個(gè)接口作為控制接口，通過設(shè)置電平高低控制1602的工作狀態(tài)。

3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

3.4.1 硬件電路中晶振選擇

單片機(jī)的電路選擇：因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的速度靠定時(shí)器的定時(shí)中斷產(chǎn)生，因此中斷頻率要求高一些，所以晶振選用24MHZ。電容選用30PF的瓷片電容。

3.4.2 定時(shí)器初值計(jì)算

根據(jù)所用步進(jìn)電機(jī)(三洋公司的2-4相兩用混和式步進(jìn)電機(jī))的資料進(jìn)行分析和現(xiàn)場試驗(yàn)得出：當(dāng)用四相四拍方式運(yùn)行時(shí)，每個(gè)脈沖周期走過1.8°，也就是200個(gè)脈沖周期走一圈；當(dāng)用兩相兩拍(本設(shè)計(jì)所選驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)方式)時(shí)，每個(gè)脈沖周期走過0.9°，也就是400個(gè)脈沖周期走一圈。當(dāng)使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖數(shù)還要乘上細(xì)分?jǐn)?shù)。

因此可以得出公式如下：

S=M/(400*N) (1)

式中：S—速度，單位：圈數(shù)/分；M—定時(shí)器每分鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)；N—細(xì)分?jǐn)?shù)，有2、8、16三種。

脈沖的周期：

P=400*N*S/60*1000　 (2)

式中：P—脈沖的周期，單位：毫秒；定時(shí)器定時(shí)時(shí)間：T=P/2。

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得出：

T=10000*N*S/3 (3)

根據(jù)定時(shí)器計(jì)算公式：

T=(65536-T0初值)*振蕩周期*12 (4)

式中：T0—定時(shí)器初值；振蕩周期—1/24MHZ。

根據(jù)公式(3)和公式(4)可以得出：

T0初值=65536-20000*N*S/3 (5)

當(dāng)S=100轉(zhuǎn)/分，T=2.5ms；當(dāng)S=200轉(zhuǎn)/分，T=1.5ms。

根據(jù)定時(shí)器計(jì)算軟件，根據(jù)T可以得出對(duì)應(yīng)的定時(shí)器T0初值。因此把T0初值和S帶入公式(4)，并經(jīng)過修正，可以得出：

T0=65536-150000/S+630 (6)

這樣就可以根據(jù)速度自動(dòng)求出定時(shí)器初值：

TH1=（65536-150000/S+630）/256；

TL1=（65536-150000/S+630）%256。

3.4.3 圈數(shù)計(jì)算

由3.4.2的介紹可以得出每400個(gè)脈沖周期走一圈。當(dāng)使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖數(shù)還要乘上細(xì)分?jǐn)?shù)?？梢栽诔绦蛑性O(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，標(biāo)志位初值為0，每產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)器中斷，標(biāo)志位就自動(dòng)加1，當(dāng)標(biāo)志位的值和400*N(N：細(xì)分?jǐn)?shù))的值相等時(shí)，就表示走過了一圈，此時(shí)圈數(shù)自動(dòng)減1或者加1，標(biāo)志位自動(dòng)清零。

3.5 按鍵模塊

使用4*4矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，[4]硬件電路如圖6，可以很方便的輸入各種數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種操作，方便用戶使用。

其中數(shù)字鍵10個(gè)，用來輸入圈數(shù)和速度值、模式選擇鍵1個(gè)，用來選擇模式(共有2種模式：模式1和模式2。模式1能進(jìn)行存儲(chǔ)；模式2不能存儲(chǔ))、正轉(zhuǎn)鍵1個(gè)，按下后電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)鍵1個(gè)，按下后電機(jī)反轉(zhuǎn)、停止鍵1個(gè)，按下電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)、確定鍵1個(gè)，用來把輸入的圈數(shù)和速度值寫進(jìn)程序的相應(yīng)位置、調(diào)整鍵1個(gè)，按下后進(jìn)行速度和圈數(shù)的設(shè)定。

由于按鍵較多且各自都具有自己獨(dú)立的功能，在聯(lián)合調(diào)試時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)按鍵混亂的現(xiàn)象，因此解決的辦法是在程序中增加按鍵判斷標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)行設(shè)置速度、圈數(shù)時(shí)用對(duì)應(yīng)標(biāo)志位屏蔽正、反轉(zhuǎn)按鍵，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)用標(biāo)志位屏蔽設(shè)置按鍵的操作。

4.主程序設(shè)計(jì)

主程序模塊中包含了系統(tǒng)初始化、速度和圈數(shù)采集、定時(shí)器初值計(jì)算、按鍵的判斷、驅(qū)動(dòng)芯片控制、以及各個(gè)模塊的調(diào)用等。其中定時(shí)器用的是單片機(jī)16位的定時(shí)器3。主程序流程圖如圖7所示。

5.聯(lián)合調(diào)試

5.1 細(xì)分的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制器的重要性能指標(biāo)，細(xì)分可以有效降低步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音，特別是低速狀態(tài)下。

但是，當(dāng)電機(jī)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，過多的細(xì)分會(huì)限制速度的提高，而且，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候細(xì)分的效果已經(jīng)不太明顯，因此，什么狀態(tài)下細(xì)分、細(xì)分?jǐn)?shù)的多少是細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過軟、硬件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)。因此可以達(dá)到很好的驅(qū)動(dòng)效果。以八細(xì)分為例，通過細(xì)分可以很明顯觀察到細(xì)分后電流變化的效果，本來每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的是一個(gè)方波的輸出，現(xiàn)在經(jīng)過8細(xì)分后每個(gè)脈沖只能達(dá)到原來的1/8，這樣電機(jī)的步進(jìn)角就變?yōu)樵瓉淼?/8，而且根據(jù)速度的大小程序會(huì)自動(dòng)的精度就提高為原來的8倍。這樣就很好的解決了電機(jī)在低速時(shí)的震動(dòng)和精度問題。本設(shè)計(jì)采用軟硬件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)細(xì)分實(shí)現(xiàn)容易、可靠性高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

5.2 正弦波驅(qū)動(dòng)電流的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的控制器由于種種原因大部分采用方波驅(qū)動(dòng)，方波驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)容易。但是噪音和振動(dòng)很大，而且不可能使轉(zhuǎn)速做的很高，輸出力矩也較小。正弦波驅(qū)動(dòng)可以顯著提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，可以增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，可以提高空載轉(zhuǎn)速，可以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪音，因此是新型控制器的首選方案。

5.3 加速曲線的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候很重要的一個(gè)性能指標(biāo)就是空載啟動(dòng)頻率，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，特別是需要高速運(yùn)動(dòng)的場合，直接啟動(dòng)頻率更是決定了步進(jìn)電機(jī)控制器的應(yīng)用領(lǐng)域。提高電機(jī)啟動(dòng)頻率的方法基本上有兩種：使用更好電流驅(qū)動(dòng)波形和做一個(gè)加速曲線。本設(shè)計(jì)所用的電機(jī)在使用方波電流驅(qū)動(dòng)和沒有加速曲線的情況下直接啟動(dòng)的速度最高為200轉(zhuǎn)/分。本設(shè)計(jì)采用TB6560AQH驅(qū)動(dòng)芯片，它內(nèi)部自帶正弦波電流驅(qū)動(dòng)波形，能很好的提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率，但是經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)得出也只能提高到300轉(zhuǎn)/分左右，還是差強(qiáng)人意。

最終使用階躍式加速，速度一階一階遞進(jìn)式加速，這種方法易于實(shí)現(xiàn)，占用單片機(jī)資源較少，但是用這種方法時(shí)如果階躍得速度過大，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)和噪聲。

但是為了不使電機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)和噪音，本設(shè)計(jì)在單片機(jī)資源允許的前提下使速度階躍盡可能的小。具體的做法是：單片機(jī)上電工作后首先對(duì)速度進(jìn)行比較，以200轉(zhuǎn)/分為基準(zhǔn)，如果速度小于200轉(zhuǎn)/分則完全可以直接啟動(dòng)，不需要加速曲線；當(dāng)速度高于200轉(zhuǎn)/分時(shí)，首先把速度差求出來，讓定時(shí)器首先以200轉(zhuǎn)/分的速度產(chǎn)生脈沖，在定時(shí)器中斷函數(shù)中根據(jù)速度差把速速逐漸提高，直到速度差為零。具體的流程圖如圖8。

5.4 本設(shè)計(jì)達(dá)到的主要性能指標(biāo)

⑴運(yùn)行速度精度：可以使速度精度達(dá)到96%以上(速度精度=實(shí)際速度/設(shè)定速度*100%)。

⑵最大空載起動(dòng)頻率：可達(dá)到的最大空載啟動(dòng)頻率為1.5KHZ。

⑶最大空載的運(yùn)行頻率：最大空載運(yùn)行頻率3KHZ。

⑷運(yùn)行矩頻特性：本設(shè)計(jì)由于沒有專業(yè)的轉(zhuǎn)矩測試儀器，因此無法給出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的頻率為800HZ。

6.結(jié)論

步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)控制相繞組電流實(shí)現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)電元件，與其他類型電機(jī)相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)研究步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的科研單位和公司很多，但是功能大多單一化，很多都是只能驅(qū)動(dòng)固定用途的步進(jìn)電機(jī)，且多不帶細(xì)分，價(jià)格較貴。很難滿足社會(huì)生活中需要靈活運(yùn)用、低成本且功能要求較全的場合。

本設(shè)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中常用的步進(jìn)電機(jī)和常用功能設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)的主要目的是解決步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能單一和生產(chǎn)成本的問題。

參考文獻(xiàn)

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篇7

關(guān)鍵詞：LD3320語音芯片；無線控制；MSP430G2553單片機(jī)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案如圖1所示，由單片機(jī)2個(gè)最小系統(tǒng)、語音識(shí)別模塊、無線發(fā)送及接收模塊、顯示模塊、按鍵組成。

語音識(shí)別電路主要芯片采用的是LD3320語音芯片，采集到用戶聲音指令后，經(jīng)過去除噪音、放大語音信號(hào)后，經(jīng)過MSP430G2553微處理器處理，控制NRF24L01無線發(fā)送及接收一體化芯片發(fā)送信號(hào)，當(dāng)無線接收模塊接收到信號(hào)后，傳送給微處理器控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微處理器采用的是美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的低功耗MSP430G系列的2553單片機(jī)作為核心控制芯片，該芯片具有16位的RISC CPU，DCO可在不到1us時(shí)間內(nèi)，從低功耗模式到運(yùn)行模式的喚醒，以CCS v5.0作為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過Cadence Allegro 16.5 軟件設(shè)計(jì)原理圖、PCB圖[1]。

2.2 語音識(shí)別電路

語音識(shí)別電路主要采用LD3320芯片，LD3320支持非特定語音辨別，每次識(shí)別的過程是把用戶說出的語音內(nèi)容， 通過頻譜轉(zhuǎn)換為語音特征， 再將這個(gè)轉(zhuǎn)換后的語音特征和 “關(guān)鍵詞語列表” 中的條目一一進(jìn)行匹配， 最優(yōu)匹配的一條即作為識(shí)別結(jié)果[2]，工作原理框圖如圖2所示。

2.3 無線收發(fā)電路

無線收、發(fā)電路都采用NRF24L01芯片作為信號(hào)的發(fā)送和接收，它工作在世界通用的ISM頻段2.4-2.5GHZ內(nèi)。無線收發(fā)器芯片由頻率發(fā)生器、SchockburstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器組成。

2.4 步進(jìn)電機(jī)電路

步進(jìn)電機(jī)原理是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

MSP430G2553微型處理不能通過IO口直接控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要在處理器和電機(jī)之間加入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，可采用ULN2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)的專用芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[3]。

3 程序設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)中占有很重要的作用，對(duì)LD3320進(jìn)行初始化，將其調(diào)整為接受模式，接收語音數(shù)據(jù)，開辟語音數(shù)據(jù)存放空間；然后對(duì)將NRF24L01調(diào)整其為接受模式，讀取狀態(tài)寄存器，開辟接受數(shù)據(jù)存放空間；最后對(duì)ULN2203進(jìn)行初始化，從LD3320得到語音信號(hào)后，經(jīng)過NRF24L01處理使電機(jī)做正、反轉(zhuǎn)的反應(yīng)，流程圖如圖3所示。

4 實(shí)物制作與測試

通過Cadence Allegro 16.5 軟件設(shè)計(jì)完成PCB圖并打印出來后，通過熱轉(zhuǎn)印法，把原理圖轉(zhuǎn)印到覆銅板表面，然后通過三氯化鐵腐蝕銅板，腐蝕完畢，焊接元器件，采用CCS v5.0編寫程序并通過Flash仿真工具下載到芯片中，測試語音識(shí)別芯片是否可以識(shí)別出用戶發(fā)出的指令，再測試無線接收模塊是否接收到語音信號(hào)，然后再測試驅(qū)動(dòng)電路是否可以正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 結(jié)論

本文給出了低功耗的MSP430G2553語音無線控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用TI公司的2553單片機(jī)作為核心控制芯片，LD3320作為語音識(shí)別電路主要語音芯片，采集到用戶發(fā)出的指令，通過NRF24L01無線收發(fā)模塊發(fā)送和接收，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，由于采用語音識(shí)別，本系統(tǒng)具有良好用戶體驗(yàn)，具備一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]《單片機(jī)原理及接口技術(shù)》 ，李朝青，2012，電子工業(yè)出版社.

篇8

摘要：各種步進(jìn)電機(jī)專用開發(fā)系統(tǒng)，適用于數(shù)控機(jī)床及某些特定條件及系統(tǒng)。本文通過單片機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要介紹步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電路和LED顯示電路的設(shè)計(jì)，其中在步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)闡述脈沖產(chǎn)生電路以及對(duì)速度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度精確控制的開發(fā)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；恒變速控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁裝置，它具有低價(jià)格，易實(shí)現(xiàn)調(diào)速，系統(tǒng)簡單，能快速啟動(dòng)和停止，易定位準(zhǔn)確，功率小等優(yōu)點(diǎn)。因此，它作為唯一能以開環(huán)結(jié)構(gòu)用于數(shù)控機(jī)床中的電動(dòng)機(jī)，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。在早期的控制方案中，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)序脈沖由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，這種方式通用性差，成本高。采用單片機(jī)控制，則可以很方便的使不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)按任意一種可行的通用方式進(jìn)行控制。本文就是實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，控制器是它的核心，因?yàn)樗鼡?dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令的任務(wù)。

2系統(tǒng)總體方案硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用89C51單片機(jī)為控制核心，由89C51，74LS373，EPROM2732等器件構(gòu)成最小系統(tǒng)，擴(kuò)展的2732用來存放程序和表格。P1.0，P1.1，P1.2分別控制步進(jìn)電機(jī)A，B，C各相繞線，89C51單片機(jī)的P1口只能驅(qū)動(dòng)三個(gè)LSTTL輸入端，而被控制的步進(jìn)電機(jī)要求高壓，大電流，故在P1口后加驅(qū)動(dòng)器，以便驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大級(jí)的復(fù)合晶閘管，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流。此外考慮到計(jì)算機(jī)的抗干擾能力及安全，將計(jì)算機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間加上隔離接口[1]。系統(tǒng)硬件圖如圖1所示。

通過上面的系統(tǒng)框圖，我們可以看到本系統(tǒng)主要由四部分組成，即步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，步進(jìn)電機(jī)和LED狀態(tài)顯示，本文著重介紹步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，LED顯示狀態(tài)三部分。

2.1步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器主要由單片機(jī)、晶振電路、8K RAM 存儲(chǔ)模塊、光電隔離等電路組成，如圖2所示[2]。

1）晶振電路

單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖1所示。本系統(tǒng)選C1和C2值為22pF.

2）光電隔離電路

利用光隔離器組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗千擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，應(yīng)注意通常其值為0.2-0.9.輸入數(shù)字信號(hào)提供一定的電流（5-10mA）時(shí)，光隔離器才會(huì)把放大的數(shù)字電平輸出。光隔離器聯(lián)結(jié)時(shí)注意信號(hào)正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號(hào)可能通過電源串到系統(tǒng)中來。

3）存儲(chǔ)模塊

由于89C51單片機(jī)片內(nèi)只有128個(gè)字節(jié)的RAM，而本系統(tǒng)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多，需要擴(kuò)展外部RAM。

2.2步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路

在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。

延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是CP脈沖的周期。該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。

定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新啟動(dòng)開始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加，為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個(gè)因素一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間。二是重裝初值指令所占用的時(shí)間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因。綜合這兩個(gè)因素后，重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取8個(gè)機(jī)器周期，即要使定時(shí)時(shí)間縮短8個(gè)機(jī)器周期。

用定時(shí)中斷方式來控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運(yùn)行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[3]。

2.3LED運(yùn)行狀態(tài)顯示

在本系統(tǒng)中，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，帶鎖存，采用串行接法，這樣可以節(jié)約I/0口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。

3系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是產(chǎn)生脈沖序列，并能按規(guī)定的順序送出脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

3.1產(chǎn)生脈沖序列

其方法為先輸出一個(gè)高電平，對(duì)某一個(gè)記數(shù)單元進(jìn)行累加，輸出一個(gè)高電平之后維持一段時(shí)間，然后輸出一個(gè)低電平在延時(shí)，延時(shí)長短由步進(jìn)電機(jī)的速度決定。

3.2方向控制

通常有三種方法：

（1）三相單三拍：ABCA；

（2）三相雙三拍：ABBCCAAB；

（3）三相六拍：AABBBCCCAA；

按以上順序通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按相反順序通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3速度控制

控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出CP脈沖的頻率或換相的周期。利用單片機(jī)芯片內(nèi)部定時(shí)器的可編程性及定時(shí)功能，可以產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的控制[4]。

3.4程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要介紹三相六拍的控制軟件，具體設(shè)計(jì)過程詳見表1，圖3所示。

4小結(jié)

單片機(jī)作為性能極佳的控制處理器，它比步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)控制器件，無論從功能，靈活性，可靠性等方面來說，更為優(yōu)越。步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在此方案設(shè)計(jì)中，負(fù)載位置對(duì)控制電路無反饋，因此步進(jìn)電機(jī)必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠到新的要求位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)于控制器所期待位置便會(huì)出現(xiàn)永久性誤差，也就是“失步”和“過沖”現(xiàn)象，可以采用位置反饋或位置反饋確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的正確相位轉(zhuǎn)換，可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的性能，這樣就可以獲得更加精確的位置控制和高很多、平穩(wěn)很多的速度了。

參考文獻(xiàn)

[1]婁俊，朱志甫.基于單片機(jī)AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，9：34-36.

[2]楊忠寶，林海波.基于80C196MC的步進(jìn)電機(jī)斬波恒流均勻細(xì)分電路的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003，7：59-61.

篇9

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線控制；車位鎖

隨著汽車數(shù)量的迅速增加，研究一種能夠?qū)崿F(xiàn)無線遙控的紅外車位鎖就是十分必要的。當(dāng)用戶靠近停車位時(shí)，不必下車手動(dòng)翻轉(zhuǎn)車位鎖的檔桿，只需要輕觸手中的遙控器，便可控制檔桿的起降[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

無線紅外遙控車位鎖控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、HX1838接收器、指示燈光模塊，ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊以及按鍵模塊等。軟件程序：采用Proteus軟件對(duì)系統(tǒng)的控制過程進(jìn)行模擬，采用當(dāng)今較為熟悉和成熟的C語言來對(duì)軟件部分進(jìn)行編程。該控制系統(tǒng)是基于AT89C51無線紅外遙控控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：在車位鎖中應(yīng)有無線遙控接收裝置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程，無線控制；該無線紅外遙控控制系統(tǒng)應(yīng)可以接受該小區(qū)的物業(yè)管理信號(hào)，對(duì)車位鎖的杠桿的升降進(jìn)行控制；防止電路過流；良好的防水設(shè)施；以單片機(jī)為控制器，提高其保密性以及設(shè)備的可靠性。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)是一種將運(yùn)算器，總線，I/O以及存儲(chǔ)陣列全部集成在一塊小芯片中的CPU。得益于現(xiàn)在發(fā)展越來越快的半導(dǎo)體制造技術(shù)，現(xiàn)在單片機(jī)可以將越多越多的原本屬于PC機(jī)的功能全部集成到一塊小小的芯片中去。本控制系統(tǒng)所采用的單片機(jī)是支持MCS-51指令集的AT89C51。選用AT89C51作為核心CPU是因?yàn)锳T89C51高可靠度，成本低廉，同時(shí)兼容C語言程序作為軟件部分。

Hx1838紅外接收模塊。本系統(tǒng)需要無線遠(yuǎn)程控制車位鎖，故選用紅外作為傳遞信號(hào)的載體。其中選用Hx1838作為紅外接收器。完整的紅外通信過程分為發(fā)送端和接收端兩大部分，本控制系統(tǒng)紅外發(fā)送端采用的市面上較常用的紅外線遙控器，所以只需在車位鎖上加裝一個(gè)紅外線接收器，負(fù)責(zé)接收紅外遙控器發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)放大，檢測波形，整形。在Hx1838接收到相對(duì)應(yīng)頻率的紅外信號(hào)之后，Hx1838會(huì)自動(dòng)的將紅外信號(hào)解碼成為TTL電平中的低電平，輸送給單片機(jī)。

ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊。由于對(duì)本系統(tǒng)的執(zhí)行器步進(jìn)電機(jī)的控制是通過一系列的脈沖信號(hào)完成，但是如果通過單片機(jī)對(duì)執(zhí)行器直接控制的時(shí)候，僅僅靠單片機(jī)輸出端口的電流的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的水平，因此需要一個(gè)中介來對(duì)單片機(jī)輸出的電流進(jìn)行放大。本控制系統(tǒng)選用ULN2003來負(fù)責(zé)這部分--即對(duì)電流的放大。

步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行模塊[2]。步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格低廉，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、可靠，并且由于步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制的方法，所以其控制過程簡單，不需要負(fù)反饋的存在。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制需要一系列的脈沖信號(hào)來對(duì)其進(jìn)行控制，所以根據(jù)不同的控制需求，其脈沖信號(hào)也有不同。本控制系統(tǒng)所采用的執(zhí)行器是28BJ-48步進(jìn)電機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的核心控制器是AT89C51，再給單片機(jī)配以最小配置、驅(qū)動(dòng)電路、紅外遙控接收電路構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路。但是，光一個(gè)硬件電路是不足以完成本系統(tǒng)的控制，一個(gè)完整的系統(tǒng)包含硬件部分以及軟件部分。在根據(jù)對(duì)本控制系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行軟件編程的時(shí)候，既可以采用匯編語言，也可以采用C語言進(jìn)行編程。在初始化中，包括將程序指針，定時(shí)器以及中斷初始化。在紅外解碼之后，在比對(duì)之后，選擇相對(duì)應(yīng)的脈沖序列，來控制步進(jìn)電機(jī)。

當(dāng)Hx1838接受到來自遙控器的控制信號(hào)之后，單片機(jī)需對(duì)Hx1838傳遞過來的信號(hào)進(jìn)行解碼處理。當(dāng)單片機(jī)將紅外信號(hào)解碼處理好之后，根據(jù)解碼之后的結(jié)果，選擇相對(duì)應(yīng)的脈沖序列來控制步進(jìn)電機(jī)。

4 結(jié)束語

在制作實(shí)物之前，將全部的電路圖在Proteus軟件中進(jìn)行模擬，然后將本控制系統(tǒng)的程序加載到AT89C51單片機(jī)中，對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行測試。得到以下結(jié)論：由單片機(jī)、Hx1838紅外接收模塊、ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊和步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行模塊構(gòu)成地硬件模塊，配上C語言設(shè)計(jì)的軟件模塊，可以完好的實(shí)現(xiàn)紅外遙控車位鎖控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]施新華.利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的紅外遙控技術(shù)[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，9（3）：69-71.

篇10

【關(guān)鍵詞】數(shù)字――模擬混合集成電路，施密特觸發(fā)器，波形的產(chǎn)生與交換

1概述

1.1555定時(shí)器的簡介。555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字――模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的產(chǎn)生與交換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 555定時(shí)器的應(yīng)用：（1）構(gòu)成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或脈沖鑒幅等；（2）構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號(hào)產(chǎn)生電路；（3）構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時(shí)延時(shí)整形及一些定時(shí)開關(guān)中。

2 、555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理

555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC 若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。

它的各個(gè)引腳功能如下：

1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。

8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 ～ 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 ～ 18V。一般用5V。

3腳：輸出端Vo

2腳：低觸發(fā)端

6腳：TH高觸發(fā)端

4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。

5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。

7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。

3步進(jìn)電機(jī)簡介

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專門的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以用作伺服電動(dòng)機(jī)。它在工業(yè)過程控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應(yīng)用更為廣泛。

雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

3.1工作特點(diǎn)

1.一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。

2.步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

3.步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

4.步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。以上為555定時(shí)器構(gòu)成的脈沖信號(hào)發(fā)生器，由555的原理可知接通電源后，V+通過R1，R2，RP1對(duì)C3充電，當(dāng)UC3=2/3V+時(shí)，振蕩器輸出UO翻轉(zhuǎn)成0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，，使放電端接地，電容C3通過RP1，R2放電是UC3下降，當(dāng)UC3下降到小于1/3V+時(shí)，UO又翻轉(zhuǎn)成1，周而復(fù)始。該裝置產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的脈寬T=TH+TL。

TH由定容C3充電時(shí)間決定TH=0.7（R1+R2+PR1）*C3

TL由定容C3放電時(shí)間決定TL=0.7（R2+PR1）*C3