兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）</p><p>　　2010屆 電氣工程及其自動(dòng)化 專業(yè) 班級(jí)</p><p>　　題 目 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　二О一二 年 五 月 二十五 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><

2、;p>　　本文源于解決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步問題。論文在了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制技術(shù)。</p><p>　　根據(jù)兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制特點(diǎn)，本文采用了雙極性驅(qū)動(dòng)方式，通過脈沖分配合理控制繞組中的電流保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部合成磁場的幅值恒定，合成磁場的角度均勻，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　　該驅(qū)動(dòng)

3、器以單片機(jī)8098為控制核心，選用PBL3717、H橋驅(qū)動(dòng)器件等構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，論文從驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案、硬件電路、控制軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了詳細(xì)地描述。在反饋檢測電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用光電編碼器來進(jìn)行步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過8279擴(kuò)展鍵盤顯示電路來顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和給定速度；另外利用ISD1420語音芯片實(shí)現(xiàn)語音報(bào)速功能。</p><p>　　最后對(duì)所設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了性能測試分析，結(jié)果表明：該驅(qū)動(dòng)器達(dá)到了系

4、統(tǒng)設(shè)計(jì)前所提出的各項(xiàng)指標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)電路簡單實(shí)用、性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)。設(shè)計(jì)原則適用于各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，有一定的實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞：</b></p><p>　　2相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，非線性動(dòng)態(tài)模型，單片機(jī)，細(xì)分控制</p><p><b>　　Abstract</b><

5、;/p><p>　　This dissertation is about a fundamental research that solve the problem of desynchronizing, Based on the characteristics and the work principle of stepping motor, the paper emphasizes the control tec

6、hnology of stepping motor which controlled by the 8098 SCM.</p><p>　　According to the character, the paper uses dual bridge driving control technology. Through analyzing and establishing the subdivision mode

7、l, this paper controls the winding current reasonably, and guarantees constant magnetic field value, even angle. A new driver for 2-phase stepping motor is designed.</p><p>　　The driver takes single chip 809

8、8 as the control core, selects BPL3717 and H-bridge as the driver circuit. The paper discusses the technology of driver, the hardware and software designing in detail .In order to design the feedback of the current and s

9、peed of 2-phase hybrid stepping motor, using speed monitor to detect the speed of stepping motor. At the same time, using key- board to input the speed and output by LED, which is taken by chip 8279.In the other way, we

10、use pronunciation chip ISD14</p><p>　　At last, a whole test for driver is made. The experiment result indicates that this driver reaches the qualities required. The system runs smoothly and safety. The circu

11、it is simple, and has a good performance. The design principle fits many kinds of stepping motor, and has a good practical value.</p><p>　　Key Words: 2-phase hybrid stepping motor, Nonlinear dynamic model S

12、ingle chip，Subdivision control</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景及主要內(nèi)容1</p><p>　　1.2.2系統(tǒng)硬件電路2</p><p>　　

13、1.2.3系統(tǒng)控制軟件2</p><p>　　1.3課題關(guān)鍵技術(shù)2</p><p>　　2 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理3</p><p>　　2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類及特點(diǎn)3</p><p>　　2.1.2性能分析3</p><p>　　2.2混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理3</p><p

14、>　　2.2.1混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2.2混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理4</p><p>　　3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)概述5</p><p>　　3.1.1一般驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3.1.2驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)6</p><p>　　3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析7&

15、lt;/p><p>　　3.2.1單電壓驅(qū)動(dòng)7</p><p>　　3.2.2雙電壓驅(qū)動(dòng)8</p><p>　　3.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)9</p><p>　　3.2.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)10</p><p>　　3.2.5雙極性驅(qū)動(dòng)11</p><p>　　4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11</p

16、><p>　　4.1系統(tǒng)總體概述12</p><p>　　4.2系統(tǒng)硬件13</p><p>　　4.2.1單片機(jī)主控制單元電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.2.2速度檢測反饋電路15</p><p>　　4.2.3功率驅(qū)動(dòng)電路15</p><p>　　4.2.4系統(tǒng)供電電源17&l

17、t;/p><p>　　4.3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原則18</p><p>　　4.3.2主程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制20</p><p>　　4.3.4 8279接口芯片擴(kuò)展鍵盤、顯示器21</p><p><b>　　結(jié) 論28</b></

18、p><p>　　附錄A系統(tǒng)控制總電路圖29</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)31</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景及主要內(nèi)容</p><p>　　我國步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究及制造起始于二十世紀(jì)50年代后期。從50年代后期到60年代后期，主要是高等院校

19、和科研機(jī)構(gòu)為研究一些裝置而使用或開發(fā)少量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主。70年代初期，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和研究有所突破。除反映在驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面的長足進(jìn)步外，對(duì)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體的設(shè)計(jì)研究也發(fā)展到了一個(gè)較高水平。70年代中期至80年代中期成為成品發(fā)展階段，新品種高性能電動(dòng)機(jī)不斷被開發(fā)。自80年代中期以來，由于對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確模型作了大量研究工作，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品廣泛應(yīng)用。</p><

20、;p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種新型增量式電機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件。它是利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多種不同的結(jié)構(gòu)。主要以混合式和反應(yīng)式為主?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)是在同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。既有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基于氣隙磁導(dǎo)變化的特征，又有軸向恒定磁場的永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特征。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專

21、用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)自身的性能有關(guān)外，還與驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)的振蕩及過沖問題，嚴(yán)重限制了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。對(duì)這個(gè)問題的解決辦法，除了改善負(fù)載特性及附加機(jī)械阻尼外，還可以在驅(qū)動(dòng)電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)等辦法來解決。課題以兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為代表作為研究對(duì)象，以先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)為研究目的，開發(fā)高性能，高可靠性的驅(qū)動(dòng)器

22、，與兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)合理搭配使用，其技術(shù)指標(biāo)如下:</p><p>　　額定電壓：15V一50V</p><p>　　額定電流: 5A以下</p><p><b>　　工作方式: 連續(xù)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)矩輸出: 在一定頻率范圍內(nèi)恒定</p><p>　　鑒于上述原因，本課題對(duì)步進(jìn)

23、電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源及其驅(qū)動(dòng)控制方式進(jìn)行應(yīng)用性研究，做出適合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的驅(qū)動(dòng)控制方式及電路，對(duì)提高兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能，推動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，發(fā)展新一代高性能混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅具有較高的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。</p><p>　　1.2課題完成的主要工作</p><p>　　1.2.1系統(tǒng)總體方案論證

24、 本文研究了基于單片機(jī)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制技術(shù)、控制策略及其實(shí)現(xiàn)方法，確定了基于單片機(jī)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。該階段的工作主要包括:</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的論證:廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，研究了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制技術(shù)、控制策略，并對(duì)基于單片機(jī)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的各種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了論

25、證;</p><p>　　系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì):從控制器芯片即單片機(jī)芯片的選擇，系統(tǒng)硬件控制電路、驅(qū)動(dòng)電路基本框架以到系統(tǒng)基本控制策略的確定等各方面，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　1.2.2系統(tǒng)硬件電路</p><p>　　根據(jù)已確定的基于單片機(jī)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及硬件電路的性能測試工作。該階段

26、的工作主要包括：</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)：根據(jù)確定的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，如單片機(jī)芯片的選擇、驅(qū)動(dòng)集成電路的選擇、系統(tǒng)原理電路的繪制等；</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路性能測試：主要完成系統(tǒng)硬件的電器測試，系統(tǒng)各功能模塊的測試等。</p><p>　　1.2.3系統(tǒng)控制軟件</p><p>　　按照系統(tǒng)技

27、術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求和確定的系統(tǒng)控制策略，對(duì)系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行合理的分析、規(guī)劃及設(shè)計(jì)，確定軟件流程，并對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。該階段的工作主要包括：</p><p>　　系統(tǒng)軟件分析：根據(jù)系統(tǒng)的要求以及主控制器的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行整體的分析和規(guī)劃；</p><p>　　系統(tǒng)軟件與實(shí)現(xiàn)：根據(jù)系統(tǒng)軟件整體的分析和規(guī)劃，編寫流程圖，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)各功能模塊程序；</p><p><

28、;b>　　1.3課題關(guān)鍵技術(shù)</b></p><p>　　課題在設(shè)計(jì)過程中主要解決如下難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)：</p><p>　　1、兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型</p><p>　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組供電情況及運(yùn)行狀態(tài)較為復(fù)雜，難以用解析法來分析其運(yùn)行性能。近年來仿真模型逐漸成熟，但是由于對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能指標(biāo)要求的進(jìn)一步提高，其對(duì)仿真模型

29、的精度的要求也相應(yīng)提高;所以對(duì)繞組電感、電磁轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)電勢(shì)等的非線性特性要求有更精確的描述。</p><p><b>　　2、系統(tǒng)抗干擾技術(shù)</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在工作過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾，引起步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)不穩(wěn)，直接影響系統(tǒng)的可靠性。分析單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電磁干擾產(chǎn)生原因，在設(shè)計(jì)初將驅(qū)動(dòng)器的電磁兼容設(shè)計(jì)與整個(gè)系統(tǒng)電磁兼容性緊

30、密聯(lián)系起來考慮，采取光電隔離、系統(tǒng)有效監(jiān)控、軟件濾波等方法和措施有效抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)抗干擾特性。</p><p><b>　　3、控制電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　控制電路的好壞直接影響電機(jī)的運(yùn)行效果?？紤]到兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在A、B兩相電路的對(duì)稱性，在反饋放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用光電編碼器檢測速度來實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制;此外，驅(qū)動(dòng)電路中采用雙極性工作，

31、減少了驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)量。</p><p>　　2 混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類及特點(diǎn)</p><p>　　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)的角位移的機(jī)電元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸入是脈沖信號(hào)，它繞組內(nèi)的電流既不是通常的交流電，也不是恒定的直流電，而是脈沖電流。</p><

32、p>　　從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，一般常使用的電磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要類型有旋轉(zhuǎn)電機(jī)——反應(yīng)式電機(jī)、永磁式電機(jī)、混合式電機(jī)，直線電機(jī)——VR型、PM型、HB型。</p><p><b>　　2.1.2性能分析</b></p><p>　　反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上來說，定子上有多相繞組，定子磁極和轉(zhuǎn)子上開有小齒，定、轉(zhuǎn)子鐵心可做成單段式或多段式。其齒距角可以做得很小，起動(dòng)和

33、運(yùn)行頻率較高。斷電時(shí)無定位 力矩，需用帶電定位，消耗功率大。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上來說，定子上有多相繞組，但定子磁極上不開齒。轉(zhuǎn)子用永久磁鋼制成，轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子每相的極數(shù)相同。其步距角較小，起動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，斷電時(shí)有定位力矩，消耗功率小。</p><p>　　2.2混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　2.2.1混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p

34、>　　混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圖2.1為定子是四相八極，轉(zhuǎn)子上有50個(gè)小齒的典型二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁材料和軸組成。轉(zhuǎn)子被分成完全對(duì)稱的兩段，一段轉(zhuǎn)子的磁力線沿轉(zhuǎn)子表面呈放射形進(jìn)入定子鐵心稱為N極轉(zhuǎn)子，另一段轉(zhuǎn)子的磁力線從定子沿定子表面穿過氣隙回歸到轉(zhuǎn)子去，稱為S極轉(zhuǎn)子。為了滿足控制上的需要，從軸向看，N極轉(zhuǎn)子和S極轉(zhuǎn)子的齒中心線并不一致，而是彼此錯(cuò)開半個(gè)齒距。除此之外，N極轉(zhuǎn)子和S極轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上完全相

35、同。定子上有均勻分布的8個(gè)磁極，每個(gè)磁極下有5個(gè)梳齒。在定子相鄰大極齒的槽內(nèi)放置繞組。為了和轉(zhuǎn)子配合，定子也分為兩段，但實(shí)際上作為一段處理，裝有兩相對(duì)稱繞組，沿定子軸向安裝一塊永久磁鐵，形成N極轉(zhuǎn)子和S極轉(zhuǎn)子。兩段定子鐵心使用同一套兩相繞組，實(shí)際上相當(dāng)于一段，從軸向看磁極中心線應(yīng)嚴(yán)格對(duì)齊，不允許產(chǎn)生任何錯(cuò)位。永磁材料為軸向充磁的圓環(huán)形，位于轉(zhuǎn)子的中部。從它的磁路內(nèi)含有永久磁鋼這點(diǎn)看，應(yīng)該說它也是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。磁鋼在電動(dòng)機(jī)工作中的作用

36、反映了永磁電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，另一方面又像反應(yīng)式一樣，定、轉(zhuǎn)子表面開有齒槽使步距角做得很小。它是反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)合，可以做成像</p><p>　　圖2.1 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.2混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢(shì)由兩部分組成:一是由永久磁鐵產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì);二是由定子繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)

37、。在每一個(gè)具體的磁極下，這兩種磁動(dòng)勢(shì)有時(shí)相加，有時(shí)相減，隨交流繞組中通電的電流方向變化。轉(zhuǎn)子上均勻分布著50個(gè)齒，按角度計(jì)算，定轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距應(yīng)嚴(yán)格相等。從電動(dòng)機(jī)的某一端看，當(dāng)定子的一個(gè)極上的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒軸線重合時(shí)，相鄰極上的定轉(zhuǎn)子的齒就錯(cuò)開1/4齒距。從另一端II來看，如果1極下定轉(zhuǎn)子齒軸重合，則2極下錯(cuò)開1/4齒距，3極下則定子齒與轉(zhuǎn)子槽軸線重合。當(dāng)轉(zhuǎn)子上沒有磁鋼或定子繞組不通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)基本上不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，只有轉(zhuǎn)子磁鋼與定子磁

38、勢(shì)相互作用下，才產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)常見的通電方式有單四拍(A—B———A—)、雙四拍(AB—B——A—AB—)和八拍(AB—B—B————A—A—AB—)等。當(dāng)定子各相繞組按A—B———A順序通電，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子沿方向轉(zhuǎn)過1/4齒距，即360°/(50×4)=1.8°。轉(zhuǎn)子的平衡位置為通電相定子磁極從繞組首端，沿繞組前進(jìn)方向，第1、3磁

39、極與轉(zhuǎn)子II端齒軸線重合，第2、4磁極與轉(zhuǎn)子II端槽軸線重合的位置。當(dāng)定子繞組按雙四拍和八拍通電時(shí)，每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子分別轉(zhuǎn)過1.8°和0.9°。單相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的平衡位置與單四拍運(yùn)行相同通電狀態(tài)下相同，兩相通電時(shí)轉(zhuǎn)子平衡位置為相鄰二同極性定子磁極分別和與之極性相反的一端轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開±1/8齒距的位置。</p><p>　　混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線圈電流產(chǎn)生的異極磁場作用子磁鋼產(chǎn)生的單

40、極磁場，改變了每極磁場的分布，使極間產(chǎn)生了磁位差，該磁位差隨定子通電相序同步變化，它作用于氣隙基波磁導(dǎo)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。它以軸向磁場為基礎(chǔ)，又受徑向磁場的作用，是基于反應(yīng)式的工作原理。由于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是基于反應(yīng)轉(zhuǎn)矩工作的，因此可把它看作一臺(tái)等效的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的差別只是極齒下的磁勢(shì)是異性磁勢(shì)和單極磁勢(shì)的合成。</p><p>　　3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)</p>

41、<p>　　在混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，本章就步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較。首先介紹了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式:單電壓驅(qū)動(dòng)(包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng))、雙電壓驅(qū)動(dòng)(包括高低壓驅(qū)動(dòng))和恒流斬波驅(qū)動(dòng)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式的原理及其模型。</p><p>　　3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)概述</p><p>　　3.1.1一般驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)&

42、lt;/p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不像直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)一樣，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的性能，除與電動(dòng)機(jī)木身的性能有關(guān)外，也在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)劣。因此，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的研究幾乎是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究同步進(jìn)行的。</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要構(gòu)成如圖3.1所示，一般由環(huán)形分配器、信號(hào)處理級(jí)、推動(dòng)級(jí)、

43、驅(qū)動(dòng)級(jí)等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器還需要有多種保護(hù)電路。</p><p>　　圖3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成</p><p>　　環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。每來一個(gè)CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者反序轉(zhuǎn)換，決定了步進(jìn)電

44、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動(dòng)或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率的高低。</p><p>　　信號(hào)放大與處理的作用是將環(huán)分輸出信號(hào)加以放大，變成足夠大的信號(hào)送入推動(dòng)級(jí)。</p><p>　　信號(hào)處理是實(shí)現(xiàn)某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號(hào)，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動(dòng)。本級(jí)還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動(dòng)輸出。<

45、;/p><p>　　推動(dòng)級(jí)的作用是將較小的信號(hào)加以放大，變成足以推動(dòng)驅(qū)動(dòng)級(jí)的較大的信號(hào)。有時(shí)推動(dòng)級(jí)還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。</p><p>　　保護(hù)級(jí)的作用是保護(hù)驅(qū)動(dòng)級(jí)的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。</p><p>　　3.1.2驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)</p><p>　　1．各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電動(dòng)機(jī)繞組都是連

46、續(xù)的交或直流而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的。</p><p>　　2．電動(dòng)機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以有較大的電感。繞組通電時(shí)電流上升率受到限制，因此影響電動(dòng)機(jī)繞組電流的大小。</p><p>　　3．繞組斷點(diǎn)時(shí)，電感中磁場的儲(chǔ)能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。為使電流盡快截止，必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦m(xù)流回落。繞組導(dǎo)通和截止都

47、會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，而截止時(shí)反電勢(shì)將對(duì)驅(qū)動(dòng)級(jí)器件的安全產(chǎn)生有害的影響。</p><p>　　4．電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，這些電勢(shì)的大小和方向?qū)?duì)繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢(shì)基本上與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電勢(shì)越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。驅(qū)動(dòng)級(jí)線路，既要保證繞組有足夠的電流電壓及正確的波形，同時(shí)要保證功率放大器件的安全運(yùn)行，另外，還應(yīng)有較高的效率、較小的功耗

48、、較低的成本。這就必須要設(shè)計(jì)合理的線路，選用合適的功率器件。</p><p>　　目前步進(jìn)電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)方式有單電壓驅(qū)動(dòng)(包括單電壓串電阻驅(qū)動(dòng))、雙電壓驅(qū)動(dòng)(包括高低壓驅(qū)動(dòng))、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。以下分別簡單介紹前二種驅(qū)動(dòng)方式的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)。將在后面詳細(xì)介紹細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式。</p><p>　　3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析</p><p>　　3.2.1單電

49、壓驅(qū)動(dòng)</p><p>　　單電壓驅(qū)動(dòng)是指在電動(dòng)機(jī)繞組工作過程中，只用一個(gè)方向電壓對(duì)繞組供電。其原理圖如圖3.2所示，前面推動(dòng)級(jí)輸出信號(hào)In作用于三極管的基級(jí)，其集電極接電動(dòng)機(jī)的一相繞組，繞組另一端直接與電源電壓連接。因此，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓全部作用在電動(dòng)機(jī)繞組上。歸結(jié)起來，單電壓驅(qū)動(dòng)器有如下特點(diǎn)：線路簡單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)較好；有共振區(qū)，高頻時(shí)，帶載能力迅速下降。</p><p>

50、;　　圖3.2 單電壓驅(qū)動(dòng)的原理圖</p><p>　　單電壓驅(qū)動(dòng)的致命弱點(diǎn)是繞組導(dǎo)通的回路電氣時(shí)間常數(shù)較大，致使導(dǎo)通時(shí)繞組電流上升較慢、使電機(jī)在導(dǎo)通脈寬T接近時(shí)繞組電流迅速下降。由于，故要減小電氣時(shí)間常數(shù)的方法是減小繞組的電感或增加繞組回路的電阻R。對(duì)于確定的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，繞組電感已經(jīng)確定。因此在電路中只有用增加回路電阻的方法。即單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)，其原理圖如圖3.3所示。單電壓串電阻驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是損耗大，效率低

51、。對(duì)比前述單電壓驅(qū)動(dòng)，其導(dǎo)通時(shí)銅損為，而串電阻后的導(dǎo)通銅損為，所以電源提供的功率大部分都消耗在串聯(lián)電阻上。</p><p>　　3.2.2雙電壓驅(qū)動(dòng)</p><p>　　雙電壓驅(qū)動(dòng)的基本思想是在較低頻段用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，而在高頻段用較高電壓驅(qū)動(dòng)，原理線路見圖3.4所示。電源直接接到由大功率管和二極管組成的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)上。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，低壓電源通過給電路提供驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，高壓電源通過給電路

52、提供驅(qū)動(dòng)電壓，處于反向截止?fàn)顟B(tài)，低壓電源自動(dòng)停止供電。</p><p>　　圖3.4 雙電壓驅(qū)動(dòng)的原理圖</p><p>　　高低壓驅(qū)動(dòng)的原理線路如圖3.5所示，初看起來，與雙電壓驅(qū)動(dòng)電路似乎差別不大，但實(shí)際上工作過程截然不同。圖中所示為每相的單元線路。主回路由高壓管、電動(dòng)機(jī)繞組、低壓管串聯(lián)而成。加高壓，加低電壓，電動(dòng)機(jī)繞組回路不串電阻。在每相導(dǎo)通期間，低壓管輸入信號(hào)與高壓管輸入信號(hào)見圖3

53、.6所示。當(dāng)為高電平時(shí)，該相導(dǎo)通；當(dāng)為低電平時(shí)，該相截止。高壓管的輸入信號(hào)是由信號(hào)的前沿信號(hào)獲得的，前沿與同步。但脈沖寬度要比小得多，高低壓驅(qū)動(dòng)可保證在很寬的頻段內(nèi)都能保證相繞組有較大的平均電流，在截止時(shí)又能迅速釋放，因此能產(chǎn)生較大的且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可得到較高的響應(yīng)。</p><p>　　圖3.5 高低壓驅(qū)動(dòng)的原理圖</p><p>　　圖3.6 高低壓管輸入信號(hào)<

54、/p><p>　　3.2.3斬波恒流驅(qū)動(dòng)</p><p>　　斬波恒流驅(qū)動(dòng)的電路圖如圖3.7所示。其工作原理為：當(dāng)環(huán)形分配器輸出導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，輸出高電平使和兩管導(dǎo)通，高電壓經(jīng)向電動(dòng)機(jī)繞組供電。當(dāng)電流超過所設(shè)定值時(shí)，比較器輸入的電流取樣電壓超過給定電壓，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出變低電平，關(guān)斷高壓管。此時(shí)磁場能量將使繞組電流按原方向繼續(xù)流動(dòng)，經(jīng)由低壓管、取樣電阻、地線、二極管Dl構(gòu)成的續(xù)流回路消耗磁場的能量

55、。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，逐漸下降。當(dāng)取樣電阻上得到的電壓小于給定電壓時(shí)，比較器又翻轉(zhuǎn)回去，輸出高電平，打開高壓管，電源又開始向繞組供電，電流又會(huì)上升。如此反復(fù)，電動(dòng)機(jī)繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波。</p><p>　　斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通相電流不論在鎖定、低頻或高頻工作時(shí)都保持額定值。而且低頻共振現(xiàn)象基本消除，在任何頻率下，電動(dòng)機(jī)都可穩(wěn)定運(yùn)行。</p>&

56、lt;p>　　圖3.7斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖</p><p><b>　　3.2.4細(xì)分驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過程非常簡單，即通電—斷電反復(fù)進(jìn)行。</p><p>　　眾所周知，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)。當(dāng)通電相的電流并不馬上上升到位，而斷電相的電流也

57、并不立即降為0時(shí)，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)平衡位置是在原來的步距角范圍內(nèi)。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個(gè)近似方波，而是一個(gè)分成N個(gè)階級(jí)的近似階梯波，則電流每升或降一個(gè)階梯時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過N小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，就稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有如下特點(diǎn)：&l

58、t;/p><p>　　1、避免了電機(jī)工作時(shí)的共振點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由其自身原因，導(dǎo)致其電器機(jī)械特性在某個(gè)頻率下，會(huì)產(chǎn)生丟步或跳步現(xiàn)象。采用細(xì)分電路后，改善了電器特性，消除了共振點(diǎn)，解決了低頻振蕩問題。細(xì)分后，驅(qū)動(dòng)電流的變化幅度減小，故轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡位置時(shí)的過剩能量也減少。另一方面，控制信號(hào)的頻率提高了N倍(細(xì)分?jǐn)?shù))，可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。</p><p>　　2、低頻、低轉(zhuǎn)速工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩增大，

59、噪聲降低。由于采用了細(xì)分電路，在低速工作時(shí)電機(jī)的加速力矩明顯減小，因?yàn)楣ぷ髁?(輸出力矩—加速力矩)，輸出力矩為步進(jìn)電機(jī)靜止時(shí)可產(chǎn)生的最大力矩，它的值一般大于工作輸出力矩。由于加速力矩的減小，可以使輸出工作力矩增加，所以細(xì)分后電機(jī)變得有勁，帶負(fù)載能力提高，尤其在啟動(dòng)和低速狀態(tài)。由于加速度的減小，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行噪聲也大大減小，改善了工作環(huán)境。</p><p>　　3、在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，減小步距角、

60、減小步進(jìn)誤差，即提高了分辨率和步距精度。</p><p>　　3.2.5雙極性驅(qū)動(dòng)</p><p>　　雙極性驅(qū)動(dòng)是指對(duì)繞組正向和反向通電。兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)雙極性驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　為了是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙極性驅(qū)動(dòng)，最常用的方法是使用H驅(qū)動(dòng)橋。如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的雙

61、極性驅(qū)動(dòng)</p><p>　　4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　本部分將主要介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)硬件電路的每個(gè)主要組成部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹；對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想及各部分軟件的流程作了詳細(xì)論述。</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)總體概述</b></p><p>　

62、　本課題所要做的工作是基于單片機(jī)的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。硬件電路構(gòu)成原理框圖參見如圖4.1所示。驅(qū)動(dòng)器作為外部信號(hào)與兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口，接受外部的控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按給定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。此驅(qū)動(dòng)器接受外部信號(hào)如:正反轉(zhuǎn)信號(hào)、速度改變信號(hào)、及脈沖信號(hào)后。當(dāng)接受到這些信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)以8098單片機(jī)為控制核心，8098單片機(jī)通過對(duì)輸入信號(hào)判斷比較，輸出存儲(chǔ)器中給

63、定電流波形的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過PBL3717驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該信號(hào)和電機(jī)繞組中反饋回來的電流信號(hào)進(jìn)行比較，若電流信號(hào)大于控制電壓，電路將功放管截止，反之使功放管導(dǎo)通來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。輸出不同的控制電壓，繞組中流過不同的電流值。</p><p>　　由圖4.1中可看出，系統(tǒng)按功能可分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　　圖 4.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p&

64、gt;　　1.以8098單片機(jī)為核心的電路單片機(jī)在外部脈沖到來后，輸出控制脈沖信號(hào)到DPBL3717以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部H橋電路來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。通過單片機(jī)擴(kuò)展芯片8279實(shí)現(xiàn)鍵盤顯示功能。</p><p>　　2.功率與驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)部分采用專用集成驅(qū)動(dòng)芯片PBL3717。一片PBL3717可驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂的上下IGBT管，功率電路設(shè)計(jì)為H橋式功率驅(qū)動(dòng)電路，所以一相繞組需一片PBL3717?？偣残枰獌善琍BL3717驅(qū)動(dòng)八只

65、IGBT管。</p><p>　　3.保護(hù)電路主要是對(duì)主功率電路進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)主回路電流高過一定值之后，保護(hù)電路輸出信號(hào)，該信號(hào)電平被送至單片機(jī)進(jìn)行判斷處理。當(dāng)保護(hù)信號(hào)為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片PBL3717被封鎖，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。</p><p>　　4.給定顯示功能通過單片機(jī)的擴(kuò)展應(yīng)用電路實(shí)現(xiàn)，利用8279實(shí)現(xiàn)鍵盤的給定和LED的顯示功能。</p><p&g

66、t;　　5.串行通信電路，采用MAX-232芯片，利用單片機(jī)的串行口實(shí)現(xiàn)RS-232的串行通信方式。</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　4.2.1單片機(jī)主控制單元電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)中，通過分析系統(tǒng)的功能和要求，比較各種單片機(jī)性能，最終采用8098單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)主控制電路圖詳見附錄&

67、lt;/p><p>　　1.8098單片機(jī)簡介</p><p>　　8098是Intel公司于1988年推出的96系列準(zhǔn)16位單片機(jī)，所謂準(zhǔn)16位是指片內(nèi)數(shù)據(jù)總線采用16位，外部數(shù)據(jù)總線采用8位。8098單片機(jī)具有16位機(jī)性能，8位機(jī)的價(jià)格，并解決了與8位 I/O口接口芯片的匹配問題，因而易于應(yīng)用和推廣，具有廣闊的前景。</p><p>　　8098單片機(jī)的主要性能、特

68、點(diǎn)如下：</p><p>　　★. 16位的中央處理單元CPU；</p><p>　　★. 可直接提供一路脈沖寬度調(diào)制輸出PWM;</p><p>　　★. 自帶波特率發(fā)生器的全雙工串行口；</p><p>　　★. 高速輸入、輸出部件（HIS/HSO）；</p><p>　　★. 多用途的并行接口P0、P2、P3和P

69、4；</p><p>　　★. 中斷系統(tǒng)功能；</p><p>　　★. 16位監(jiān)視定時(shí)器（WDT）俗稱看門狗；</p><p>　　★. 兩個(gè)16位硬件定時(shí)器T1、T2；</p><p>　　★. 4個(gè)16位軟件定時(shí)器；</p><p>　　★. 256個(gè)字節(jié)的寄存器陣列和特殊功能寄存器SFR；</p>

70、<p>　　★. 存儲(chǔ)器統(tǒng)一的編址方式。</p><p>　　由上所述，可見8098單片機(jī)特別適合用于要求很高的高精度、快速的實(shí)時(shí)控制場合，8098單片機(jī)常常是現(xiàn)場微控制器的理想機(jī)種。</p><p><b>　　2. I/O口電路</b></p><p>　　在8098單片機(jī)I/O口中，P0口作為輸入口，有ACH7(P0.7)～A

71、CH4(P0.4)共4個(gè)引腳。</p><p>　　P2口有4個(gè)引腳：TXD(P2.0),串行口輸出；RXD(P2.1)，串行口輸入；EXTINT(P2.2),外部中斷源輸入信號(hào)；PWM(P2.5)，脈沖寬度調(diào)制輸出（或D/A轉(zhuǎn)換）。其中，P2.0與P2.1連接MAX-232的輸入和輸出口進(jìn)行RS-232串行通信方式。</p><p>　　P3口作為地址總線低8位和8位數(shù)據(jù)總線；接8279

72、的數(shù)據(jù)端，實(shí)現(xiàn)8279擴(kuò)展鍵盤顯示功能。通過P3.0、P3.1、P3.2連接ISD1420的錄音、放音控制口達(dá)到語音報(bào)速功能。</p><p>　　P4口作為地址總線高8位。</p><p>　　3. 高速輸入、輸出器（HIS/HSO）</p><p>　　HIS有4個(gè)輸入端：HIS.～HIS.3，可同時(shí)接收4個(gè)引腳的脈沖變化信號(hào)；HSO有6個(gè)輸出端：HSO.0～H

73、SO.5，可由用戶程序設(shè)定在規(guī)定的時(shí)刻輸出觸發(fā)信號(hào)。通過HSO口連接PBL3717的輸入端以輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。</p><p><b>　　4. 輸入隔離電路</b></p><p>　　光電隔離電路為了是防止步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過輸入輸出接口進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)而燒毀器件，影響它的正常工作。因此，在輸入輸出口與單片機(jī)之間加上以

74、TLP521為主要元件的光電隔離電路，從而提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。TLP521的輸入端信號(hào)是單片機(jī)控制信號(hào)，經(jīng)TLP521隔離后輸出CP脈沖信號(hào)進(jìn)入PBL3717驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按要求運(yùn)行，輸入與輸出電平是同相的。TLP521的輸出端用+5V電壓作為提拉，該電壓與單片機(jī)控制電路的供電電壓相同。這樣可提高了工作的可靠性。</p><p><b>　　5.晶體振蕩電路</b><

75、/p><p>　　晶體振蕩電路主要給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。在單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體振蕩器CRYS和微調(diào)電容C1、C2形成反饋電路，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。其中CRYS為6M晶體，C1、C2取20pF。</p><p>　　4.2.2速度檢測反饋電路</p><p

76、>　　圖4.2 光電速度檢測電路原理圖</p><p>　　光電編碼盤角度檢測傳感器是一種廣泛應(yīng)用的編碼式數(shù)字傳感器，它將測得的角度位移轉(zhuǎn)換為脈沖形式的數(shù)字信號(hào)輸出。其電路原理圖見圖4.2所示。</p><p>　　4.2.3功率驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路如圖4.3所示，在本驅(qū)動(dòng)電路中，開關(guān)管選用絕緣柵型功率管IGBT。驅(qū)動(dòng)功率IGBT管方面，傳統(tǒng)

77、上采用由分離元件組成的TTL電路、功率管MOSFET、線性運(yùn)放電路或者混合電路來實(shí)現(xiàn)，但這些電路存在的問題是工作頻率上不去，開啟和關(guān)斷時(shí)間較長，而且元器件多、電路復(fù)雜，可靠性也不高，鑒于此，本系統(tǒng)選用了美國SGS公司生產(chǎn)的專用集成驅(qū)動(dòng)芯片PBL3717。</p><p><b>　　圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　1. PBL3717功能原理簡介<

78、;/p><p>　　PBL3717是SGS公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相繞組驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部采用是H-橋脈寬調(diào)制電路。利用外部邏輯電路構(gòu)成邏輯分配器或微處理器分配信號(hào)，由若干片這種電路和少量無源元件可組成一個(gè)完整多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可實(shí)現(xiàn)整步（基本步距）、半步或微步距控制?？刂品绞绞请p極性、固定OFF（關(guān)斷）時(shí)間斬波電流控制。下面介紹一下PBL3717引腳功能。它采用16腳雙列直插塑料封裝。1腳和15腳為輸出端，分別接

79、一相繞組線圈兩端；2腳外接RC定時(shí)元件；3、14腳是繞組線圈供電電源，可在10～46V范圍內(nèi)選擇；4、5、12、13腳接地端，可接至熱片；6腳是IC供電電源接 5V；7、9腳用于選擇繞組線圈電流；8腳（為相位輸入端，用于控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向；16腳外部繞組電流采樣電阻，采樣信號(hào)通過RC低通濾波器送至10腳，與內(nèi)部電壓比較器基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；11腳外接參考電壓。</p><p>　　PBL3717具有欠壓告警、欠壓封鎖、過

80、流保護(hù)之功能等比較完善的保護(hù)功能。所以驅(qū)動(dòng)電路選用2片PBL3717驅(qū)動(dòng)兩個(gè)H橋。</p><p>　　4.2.4系統(tǒng)供電電源</p><p>　　在一個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)，往往需要不同的供電電壓，如數(shù)字TTL，CMOS</p><p><b>　　圖4.5 電源電路</b></p><p>　　器件需要+5V電壓，而執(zhí)行電動(dòng)機(jī)

81、及其驅(qū)動(dòng)電路的供電電壓、電流要求更是各有不同。此外還要求電源體積小、運(yùn)行可靠、效率盡可能高。所以電源的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。</p><p>　　本系統(tǒng)中要求驅(qū)動(dòng)器的工作電壓范圍10V—50VDC，單片機(jī)及邏輯芯片采用5VDC。為了滿足系統(tǒng)要求，本文采用采用三端集成穩(wěn)壓芯片L7805CT及L7812CT設(shè)計(jì)了如圖4.5所示電路。該電源模塊能為該驅(qū)動(dòng)器提供可靠的電源保證，滿足系統(tǒng)要求，且電路簡單實(shí)用。為了保證其能長時(shí)

82、間穩(wěn)定工作，安裝時(shí)應(yīng)注意給，LM7805CT及LM7824CT添加大散熱片。</p><p>　　4.2.5語音報(bào)速電路</p><p>　　ISD1420為單片語音錄放電路，由振蕩器、語音存儲(chǔ)單元、前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個(gè)最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按鈕、一個(gè)電源、少數(shù)電阻電容組成。錄音內(nèi)容存入永久存儲(chǔ)單元，提供零功率信息存儲(chǔ)，這個(gè)

83、獨(dú)一無二的方法是借助于美國ISD公司的專利--直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)（DAST TM）實(shí)現(xiàn)的。利用它，語音和音頻信號(hào)被直接存儲(chǔ)，以其原本的模擬形式進(jìn)入EEPROM存儲(chǔ)器。直接模擬存儲(chǔ)允許使用一種單片固體電路方法完成其原本語音的再現(xiàn)。</p><p><b>　　圖4.6 語音電路</b></p><p>　　不僅語音質(zhì)量優(yōu)勝，而且斷電語音保護(hù)。根據(jù)ISD1420的語音功能設(shè)

84、計(jì)如圖4.6所示語音電路。</p><p><b>　　4.3系統(tǒng)軟件</b></p><p>　　4.3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本原則</p><p>　　系統(tǒng)中控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)最終是靠控制軟件來完成的，控制軟件的設(shè)計(jì)將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。</p><p><b>　　1. 實(shí)時(shí)性</b><

85、;/p><p>　　單片機(jī)必須在一定的時(shí)間內(nèi)，完成一系列的軟件處理過程，如對(duì)系統(tǒng)的被控參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等)的反饋信號(hào)進(jìn)行采樣、計(jì)算、邏輯判斷和分析，按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，輸出各種控制信號(hào)，以及對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行處理。</p><p><b>　　2. 可靠性</b></p><p>　　軟件的可靠性是指軟件在運(yùn)行過程中避免發(fā)生故障的能

86、力，以及一旦發(fā)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(shè)計(jì)時(shí)要考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的非正常情況，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，要有一定的對(duì)策，以防止對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p失。</p><p><b>　　3. 可維護(hù)性</b></p><p>　　一個(gè)完整的控制軟件，通常需要一個(gè)不斷地設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改和完善的過程，才會(huì)最終滿足系統(tǒng)所需的功能要求。因此，在軟

87、件的總體設(shè)計(jì)時(shí)，必須要有良好的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　本系統(tǒng)控制軟件采用匯編語言編寫。匯編語言是用符號(hào)表示的指令，是對(duì)機(jī)器語言的改進(jìn)。匯編語言是直接對(duì)硬件操作的語言，因此，每一條匯編語句對(duì)應(yīng)一定的硬件操作，意義明確，調(diào)試時(shí)十分方便，它具有很高的編譯效率和執(zhí)行效率。本控制系統(tǒng)軟件的主要工作是大量的對(duì)硬件進(jìn)行操作，程序相對(duì)短小，運(yùn)算量也不大，所以建議使用匯編語言編寫程序。</p><p

88、>　　4.3.2主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，使程序流程清晰明了。系統(tǒng)主程序主要完成的內(nèi)容:系統(tǒng)參數(shù)初始化、判斷保護(hù)信號(hào)、打開中斷啟動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.7所示?？梢钥闯觯鞒绦蚴且粋€(gè)死循環(huán)，在系統(tǒng)上電初始化完畢后，系統(tǒng)一直在不斷的執(zhí)行這個(gè)循環(huán)程序。在循環(huán)過程中，若產(chǎn)生中斷，則程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在后面將逐一介紹中斷服務(wù)程序，功能子程序等的設(shè)計(jì)。<

89、/p><p>　　圖4.7 主程序流程圖</p><p>　　4.3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。根據(jù)調(diào)速原理，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度的方法可有兩種：</p><p>　　1. 通過軟件延時(shí)的方法。改變延

90、時(shí)的時(shí)間長度就可以改變輸出脈沖的頻率，但這種方法使CPU長時(shí)間等待，占用大量機(jī)時(shí)，因此沒有實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　2. 通過定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(wù)子呈現(xiàn)中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可</p><p>　　本系統(tǒng)軟件延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從HSO.0通道輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。在50H單元存放脈沖處于“1”電平時(shí)間值（單位為2），52H單元存放脈沖處于“0”電平時(shí)間值（單

91、位為2）。改變50H和52H單元的內(nèi)容，就可以改變脈沖輸出的頻率及占空比。</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　??；主程序</b></p><p>　　ORG 2080H</p><p>　　OUPSS: LD SP,#00C0H

92、 ;設(shè)棧指針</p><p>　　DI ;關(guān)中斷</p><p>　　ORB INT-MASK,#8H ;允許HSO中斷</p><p>　　LD TEMP,#HSO-INT ;送HSO中斷服務(wù)程序入口地址</p><p>　　ST TEMP,2006H

93、[0]</p><p>　　ADD 54H,T1,52H ;計(jì)算上跳變時(shí)刻</p><p>　　SCALL LDCAM ;調(diào)CAM裝載子程序</p><p>　　EI ;開中斷</p><p>　　HERE: SJMP H

94、ERE ;等待中斷</p><p><b>　?。恢袛喾?wù)程序</b></p><p>　　HSO-INT: PUSHF ;保護(hù)PSW，同時(shí)清PSW</p><p>　　SCALL LDCAM ;調(diào)CAM裝載子程序</p><p&g

95、t;　　POPF ;恢復(fù)PSW</p><p>　　RET ;返回主程序</p><p><b>　　；CAM裝載子程序</b></p><p>　　LDCAM: LDB HSO-COMMAND,#20H ;1→HSO.0

96、</p><p>　　LD HSO-TIME,54H</p><p>　　ADD 54H,50H ;計(jì)算下跳變時(shí)刻</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　NOP ;空操作</p>

97、;<p>　　LDB HSO-COMMAND,#10H ;0→HSO.0并產(chǎn)生HSO中斷</p><p>　　LD HSO-TIME,54H</p><p>　　ADD 54H,52H ；計(jì)算上跳變時(shí)刻</p><p><b>　　RET</b></p>

98、<p>　　其它高速輸出口(HSO)的連續(xù)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生程序可依據(jù)如上程序?qū)懭搿＿@樣可通過改變輸出脈沖的頻率達(dá)到控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度和方向</p><p>　　4.3.4 8279接口芯片擴(kuò)展鍵盤、顯示器</p><p>　　8279是Intel公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤和顯示器I/O接口芯片。利用8279，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤/顯示器的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，這樣可以大大節(jié)省C

99、PU對(duì)鍵盤/顯示器的操作時(shí)間，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定，程序簡單，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。主程序框圖如圖4.8所示。</p><p><b>　　圖4.8主程序框圖</b></p><p>　　圖4.9 中斷服務(wù)子程序框圖</p><p><b>　　;主程序</b></p><p>　　STAT

100、US EQU 7FFFH</p><p>　　DATA EQU 7FFEH</p><p>　　AX EQU 20H</p><p>　　AL EQU 20H</p><p>　　AH EQU 21H</p>

101、;<p>　　BX EQU 22H</p><p>　　BL EQU 22H</p><p>　　BH EQU 23H</p><p>　　CX EQU 24H</p><p>　　CL

102、EQU 24H</p><p>　　CH EQU 25H</p><p>　　DX EQU 26H</p><p>　　DL EQU 26H</p><p>　　DH EQU 27H</p><p

103、>　　EX EQU 28H</p><p>　　EL EQU 28H</p><p>　　EH EQU 29H</p><p>　　FX EQU 2AH</p><p>　　FL EQU

104、2AH</p><p>　　FH EQU 2BH </p><p>　　LD AX,#200EH</p><p>　　LD BX,#3000H</p><p>　　ST BX,[AX]</p><p>　　LDB BL,#0DEH</p>

105、<p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,#00H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,#34H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p&

106、gt;　　LDB AH,#00H</p><p>　　LDB AL,#00H</p><p>　　LDB AH,#00H</p><p><b>　　EI</b></p><p><b>　　;中斷服務(wù)程序</b></p><p>　　LDB

107、 BL,#40H</p><p>　　STB BL,STATUS[R0]</p><p>　　LDB BL,DATA[R0]</p><p>　　STB BL,[EL]</p><p><b>　　CLRC</b></p><p>　　SUBB

108、 BL,#38H</p><p>　　JC L1</p><p>　　LDB BL,[AH]</p><p>　　SHRB BL,#01H</p><p>　　JNC L2</p><p>　　INCB AL</p

109、><p>　　LDB BL,[AL]</p><p>　　SHRB BL,#01H</p><p>　　JC L3</p><p>　　LDB BL,[EL]</p><p>　　STB BL,[EH]</p><

110、;p>　　INCB [FL]</p><p>　　L8: LJMP L4</p><p><b>　　EI</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>　　L3: LDB BL,[EL

111、]</p><p>　　STB BL,[DL]</p><p>　　LDB [FL],#80H</p><p>　　LJMP L8</p><p>　　L1: CLRC</p><p>　　SUBB BL,#38H</p&g

112、t;<p>　　JNZ L5</p><p>　　INCB AH</p><p>　　LDB BL,[DH]</p><p>　　SHRB BL,#04H</p><p>　　ANLB BL,#0FH</p><p&