紡織設備步進電機驅(qū)動電路設計畢業(yè)論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　紡織設備步進電機驅(qū)動電路設計</p><p>　　Stepping motor driver circuit design of Textile equipment</p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　學生專業(yè) 機械

2、電子工程 班級 機電1 </p><p>　　二級學院 機電工程學院 指導教師 </p><p><b>　　2012年5月</b></p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先誠摯的感謝我的論文指導老師xx老師，從確定課題，論文寫作，修改定稿的過程

3、，自始至終，老師都投入大量的精力。他多次詢問有關寫作過程中遇到的問題，幫助我探索新思路，老師治學嚴謹，以慷慨和仁慈的心，積極樂觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)，一絲不茍的工作作風和大膽創(chuàng)新，銳意進取精神，為我樹立一個終生的學習榜樣，他的教誨和鼓勵，激勵我在學習和生活的道路發(fā)奮圖強，勇于創(chuàng)新。他淵博的知識，廣闊的視野和敏銳的思維深深的啟發(fā)了我。在此真摯的感謝吳善強老師。</p><p>　　在畢業(yè)設計期間，我要感謝許多讓我分

4、享他們寶貴經(jīng)驗和知識的老師，教會我正確的思考方式。同時,也要感謝在論文寫作過程中，幫助過我、并且共同奮斗四年的大學同學們，能夠順利完成論文，離不開他們的幫助，在此表示最深的謝意。</p><p>　　紡織設備步進電機驅(qū)動電路設計</p><p>　　摘要：傳統(tǒng)的紡織機械都是人工操作，需要大量的勞動力，隨著社會的發(fā)展，紡織機械也越來越發(fā)達，自動化程度越來越高，現(xiàn)在紡織設備中都大量的應用步進電

5、機，從而實現(xiàn)代替人工操作，并且提高了生產(chǎn)效率。本次畢業(yè)設計就是針對紡織設備中的所用的步進電機進行電機驅(qū)動的設計使其實現(xiàn)正反轉并且能夠細分。本文的主要內(nèi)容是通過步進電機驅(qū)動電路設計的理論資料的閱讀和一些軟件的應用，設計了步進電機驅(qū)動電路，對電機進行控制。應用Protel 99 se軟件設計原理圖以及PCB圖，應用Keil C單片機編程實現(xiàn)對電機正反轉的控制以及轉速的控制。</p><p>　　關鍵詞：步進電機,驅(qū)動

6、電路，原理圖，編程。 </p><p>　　中圖分類號：TM383.6</p><p>　　Stepping motor driver circuit design of Textile equipment</p><p>　　Abstract: The traditional textile machinery is a manual operation, req

7、uires a large amount of labor force, with the development of society, more and more developed textile machinery, automation degree is more and more high, now is widely used in textile machines stepping motor, thus realiz

8、ing instead of manual operation, and improve the production efficiency. This graduation design is for the textile equipment used in the stepper motor drive is designed to achieve positive and subdivision.</p><

9、p>　　The main content of this article is through the stepping motor driving circuit design theory of data reading and some software applications, in order to design stepper motor drive circuit design, as well as for mo

10、tor control. Application of Protel99 SE software design schematic and PCB map, application of Keil C programming on the motor positive inversion control and speed control.</p><p>　　Key word: Stepping motor,

11、Driving circuit, Principle diagram, Programming.</p><p>　　Classification: TM383.6目 次</p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1. 緒論1<

12、/b></p><p><b>　　1.1 背景1</b></p><p><b>　　1.2 引言1</b></p><p>　　1.3 國內(nèi)外的研究概況2</p><p>　　2.步進電機及驅(qū)動控制選型4</p><p>　　2.1 步進電機簡介及選型4&

13、lt;/p><p>　　2.1.1 步進電機的概念、工作原理及分類4</p><p>　　2.1.2 本次設計選用步進電機5</p><p>　　2.2 常見的步進電機控制方案及本次設計選型5</p><p>　　2.2.1常見的步進電機控制方案5</p><p>　　2.2.2 本次設計控制方案的選型6<

14、/p><p>　　2.3 STC 12C5A60S2單片機選型6</p><p>　　2.3.1 STC 12C5A60S2簡介6</p><p>　　2.3.2 STC 12C5A60S2具體的優(yōu)勢7</p><p>　　2.4 TB6560AHQ驅(qū)動芯片選型8</p><p>　　2.4.1 TB6560AHQ

15、簡介8</p><p>　　2.4.2 TB6560AHQ在具體應用方面的優(yōu)勢10</p><p>　　3.控制系統(tǒng)整體軟硬件設計12</p><p>　　3.1 系統(tǒng)原理圖12</p><p>　　3.2 電源設計13</p><p>　　3.3 單片機在本次設計的功用13</p><

16、p>　　3.4 驅(qū)動設計14</p><p>　　3.5 方向和細分控制設計15</p><p>　　3.6 PCB繪制15</p><p>　　3.7 軟件設計16</p><p>　　3.7.1 程序流程圖16</p><p>　　3.7.2 步進電機正反轉程序設計17</p>&l

17、t;p>　　3.7.3 步進電機加減速程序設計18</p><p><b>　　4. 總結20</b></p><p>　　4.1 論文工作總結20</p><p>　　4.2 對后續(xù)工作的展望20</p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p&

18、gt;<b>　　附錄A22</b></p><p><b>　　附錄B23</b></p><p><b>　　1. 緒論</b></p><p><b>　　1.1 背景</b></p><p>　　紡織生產(chǎn)技術有著悠久的歷史，其發(fā)展過程經(jīng)歷了手工

19、織布、手工急切織布、普通機器織造、自動織機織造以及無梭織機織造這五個階段！在手工織布階段，人們用簡單的工具，將經(jīng)、緯紗交織成織物，所有動作都是人工操作，沒有任何機械。原始手工織布經(jīng)歷了漫長的演變后，出現(xiàn)了手織機，手織機由原動機件、傳動機件以及工作機件三部分組成，手織機的出現(xiàn)促進了近代的傳動機器進行大工業(yè)生產(chǎn)。</p><p>　　到18世紀后期，織布技術很快發(fā)展，英國人Edmund Cartwright 1785

20、年制造出能實現(xiàn)開口、透梭及卷布三個基本動作的動力織機，這是第一臺動力傳動的織機，從那時候起織布技術進入了工業(yè)化織造時代。</p><p>　　從20世紀初開始，提出了由引緯器直接從固定筒子上將緯紗引入梭口的新型引緯原理，并陸續(xù)獲得成功。但凡采用這種原理形成機織物的織機，統(tǒng)稱為無梭織機或新型織機。</p><p>　　現(xiàn)在的紡織機械中廣泛的使用步進電機，使用適當?shù)尿?qū)動電路控制步進電機，能夠得

21、到紡織機械所需要的速度以及力矩。要想紡織機械能夠達到完美（例如：操作簡單、震動小、噪音小、功耗低、加減速平穩(wěn)等），就必須要設計出最優(yōu)化的步進電機控制方案。</p><p>　　本次畢業(yè)設計就是設計紡織設備中步進電機的驅(qū)動電路，盡量的達到要求，能夠?qū)崿F(xiàn)電機正反轉以及速度的細分，降低噪音，調(diào)速以及轉動平穩(wěn)。</p><p><b>　　1.2 引言</b></p&g

22、t;<p>　　步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Stepping motor、 Pulse motor或Stepper servo，其應用發(fā)展已有約80年的歷史。步進電機是通過控制電機的電脈沖信號使其能夠發(fā)生直線位移或角位移的電機，位移速度和脈沖頻率是成正比的，位移量與脈沖數(shù)也成正比。步進電機由定子和轉子組成，可以對旋轉速度和旋轉角度高精度控制。電流流過定子繞組，定子繞組產(chǎn)生一個矢量磁場，矢量磁場會帶動轉

23、子旋轉一個角度，轉子磁極的磁場方向和定子磁場方向依這個磁場旋轉一個角度，所以，電機轉子的旋轉就是定子繞組電流產(chǎn)生的旋轉磁場，該電流具有一定的規(guī)律性。每到一個脈沖電壓，轉子將轉動一個步距角，這叫一步，根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機相繞組電流相互切換，提供一個連續(xù)的脈沖，可以一步一步，使電機連續(xù)的旋轉，步進電機轉每周的步數(shù)都是相同的，在不失步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在沒有超載的情況下，電機的轉速的高低以及電機的停止位置只取決

24、于脈沖頻率和脈沖數(shù)，跟負載的變化沒有關系，而且步進電機只有周期性誤差，沒有累積誤差，精度高，在很寬的步進電機頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率實現(xiàn)速度，快速啟</p><p>　　因為步進電機是具有突出優(yōu)勢的重點產(chǎn)品之一，所以成為機電一體化產(chǎn)品中比較應用廣泛的一款電機，廣泛應用于各種自動化和控制系統(tǒng)，隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，為步進電機的需求不斷增加的應用在國民經(jīng)濟的各個領域[2]。</p><

25、;p>　　由于近幾年的迅速發(fā)展，單片機在步進電機控制發(fā)生了革命性變化。步進電機廣泛應用于電腦周邊設備，如磁帶傳送機構，打印機，驅(qū)動輪驅(qū)動機制，內(nèi)存訪問機制和讀卡器，步進電機在軍事設備，通訊設備，雷達設備，照相系統(tǒng)，光電組件，閥門控制，數(shù)控機床，電子時鐘，醫(yī)療自動繪圖機，數(shù)字控制系統(tǒng)，機床控制，程序控制系統(tǒng)以及許多航天工業(yè)系統(tǒng)已經(jīng)被應用在。因此，步進電機的控制研究是特別重要的[3]。</p><p>　　為了

26、達到控制性能的優(yōu)越性，人們一直研究步進電機的控制方案，也取得了很多的研究成果。上世紀后期，由于多功能微型計算機的出現(xiàn)，各式各樣的步進電動機控制方式也隨之出現(xiàn)。舊式的步進電機控制系統(tǒng)采用集成電路或者分立元件的控制回路，相對于現(xiàn)在的步進電機控制方案，舊式的步進電機控制方案調(diào)試安裝繁雜，元器件的消耗量大，定型后，一旦改變控制方案改變就要重新設計電路，對系統(tǒng)的改進升級及改造造成很大不便?；谖⑿蛦纹瑱C的控制系統(tǒng)則通過軟件來控制步進電機，能夠更好

27、地發(fā)揮步進電機的潛力。因此，采用單片機控制步進電機已成為必然趨勢，也符合數(shù)碼時代的發(fā)展。適應一些的高精度定位和運行平穩(wěn)性的要求，步進電機的細分驅(qū)動技術，包括振蕩器，環(huán)形分配器控制基于單片機細分驅(qū)動，斬波恒流驅(qū)動，驅(qū)動直流電壓采用三單片微機共同驅(qū)動模式，除了以上三種步進電機驅(qū)動方案，目前報告的驅(qū)動方案根據(jù)匯編語言或語言軟件開發(fā)，通過串行或并行通過實現(xiàn)上位機和步進電機控制器和數(shù)據(jù)之間的溝通，最終實現(xiàn)了電腦機直接控制步進電機的方法。</

28、p><p>　　1.3 國內(nèi)外的研究概況 </p><p>　　步進電機是國外發(fā)明的。中國在文化大革命中已經(jīng)生產(chǎn)和應用，例如江蘇、浙江、北京、南京、四川都生產(chǎn)，而且都在各行業(yè)使用，驅(qū)動電路所有半導體器件都是完全國產(chǎn)化的，當時是全分立元器件構成的邏輯運算電路，還有電容耦合輸入的計數(shù)器，觸發(fā)器，環(huán)形分配器。國外在大功率的工業(yè)設備驅(qū)動上，目前基本不使用大扭矩步進電動機，因為從驅(qū)動電路的成本，效率，噪

29、音，加速度，絕對速度，系統(tǒng)慣量與最大扭矩比來比較，比較不劃算，還是用直流電動機，加電動機編碼器整體技術和經(jīng)濟指標高。一些少數(shù)高級的應用，就用空心轉杯電機，交流電機。國外在小功率的場合，還使用步進電機，例如一些工業(yè)器材，工業(yè)生產(chǎn)裝備，打印機，復印件，速印機，銀行自動柜員機。國外用許多現(xiàn)代的手段將步進電機排擠出驅(qū)動應用，除了前面提到的旋轉編碼器，打印機還使用光電編碼帶或感應編碼帶配合直流電動機，實現(xiàn)閉環(huán)直線位移控制。國內(nèi)過去是用大力矩步進電

30、動機實現(xiàn)機床數(shù)控，有實力的公司現(xiàn)在也采用交流電動機驅(qū)動數(shù)控機床，在驅(qū)動設備的主要差距，是國外對交流電動機的控制理論與工程分析和應用能力強，先進的控制理論作為軟件，寫在控制器內(nèi)部。</p><p>　　總的來說，步進電機是一種簡易的開環(huán)控制，對運用者的要求低，不適合在大功率的場合使用。</p><p>　　在衛(wèi)星、雷達等應用場合，中國在文化大革命后期，就生產(chǎn)了力矩電機，就生產(chǎn)了環(huán)形力矩電機，

31、在高品質(zhì)的控制場合，有時還不能使用步進電機。步進電機的細分控制，在改革開放初期，國內(nèi)就已經(jīng)基本掌握，這與交流電動機的矢量控制相比，難度要低得多。</p><p>　　2.步進電機及驅(qū)動控制選型</p><p>　　2.1 步進電機簡介及選型</p><p>　　2.1.1 步進電機的概念、工作原理及分類</p><p>　　步進電機是通過控制

32、電機的電脈沖信號使其能夠發(fā)生直線位移或角位移的電機，每到一個脈沖電壓，轉子將轉動一個步距角，這叫一步，根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進電機相繞組電流相互切換，提供一個連續(xù)的脈沖，可以一步一步，使電機連續(xù)的旋轉，在沒有超載的情況下，電機的轉速的高低以及電機的停止位置只取決于脈沖頻率和脈沖數(shù)，跟負載的變化沒有關系。通過控制脈沖來控制角位移，從而達到準確定位的目的;通俗講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，驅(qū)動步進電機旋轉一個固定的角度來設定的方向

33、（和步進角）。通過控制脈沖的數(shù)量來控制角位移，從而達到頭準確定位的目的;在同一時間，你可以控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，以達到調(diào)速的目的，通常情況下，步進電機總角度和輸入脈沖的數(shù)量成正比;連續(xù)輸入一定頻率的脈沖，電機的轉速和輸入脈沖的頻率，以保持獨立之間嚴格對應電壓波動和負載變化[4]。步進電機可以直接接收數(shù)字輸入，它特別適合于微電腦控制</p><p>　　步進電機的分類方法有很多種。按步進電機的工

34、作原理大概可以分成四種：激磁式、永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）[5]。激磁式的步進電機的定子和轉子均有繞組，靠電磁力矩使轉子轉動，但是在實際中很少用。永磁式步進電機的轉子和定子的一方具有永久磁鋼，另一方是由軟磁材料制成的，繞組輪流通電，建立的磁場與永久磁鋼的恒定磁場相互作用產(chǎn)生轉矩。其主要特點是：步距角大，控制精度不高，控制功率小，效率高。反應式步進電機的轉子無繞組，定子繞組勵磁后產(chǎn)生反應力矩，使轉子轉動其主要特點是：

35、氣隙小，定位精度高，步距角小，控制準確，但是勵磁電流較大要求驅(qū)動電源功率大。混合式步進是反應式和永磁式的結合。它的轉子上有永久磁鋼，所以產(chǎn)生同樣大小的轉矩所需要的勵磁電流大大減小。其主要特點是：步距角小，效率高，過載能力強控制精度高，啟動和運行頻率高等優(yōu)點。它是步進電機不斷優(yōu)化的產(chǎn)物，所以這種步進電機的應用最為廣泛。</p><p>　　2.1.2 本次設計選用步進電機</p><p>　

36、　混合式步進電動機(Hybrid，HB)，定子繞組相數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相等，兩相混合式步進電機在工業(yè)上應用最為廣泛，而本次設計的背景是紡織設備的步進電機驅(qū)動電路的設計，所以選用兩相混合式步進電機</p><p>　　本次設計選用的安川的42HM0401-24的步進電機，該步進電機是兩相四線混合式步進電機如圖2.1</p><p>　　圖2.1 AnChuan motor</

37、p><p>　　技術數(shù)據(jù)如表2.1：</p><p><b>　　表2.1 技術數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.2 常見的步進電機控制方案及本次設計選型</p><p>　　2.2.1常見的步進電機控制方案</p><p>　　1)、基于電子電路的控制， 該方案開環(huán)控制和閉環(huán)控制都可以。開環(huán)時，

38、其設計簡單，運行穩(wěn)定，而且成本低，但不能實現(xiàn)高精度的細分。閉環(huán)時，能實現(xiàn)高精度的細分，實現(xiàn)無級調(diào)速，只要控制策略正確，電機就不容易出現(xiàn)丟步現(xiàn)象[6]。這種方案大多都是通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，其功能相對單一，如需改變控制方案，必須需重新設計，因此靈活性低。</p><p>　　2)、基于PLC程序控制是由PLC，環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成的步進電機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC閉環(huán)控

39、制步進電機的脈沖信號來產(chǎn)生高速脈沖信號和PLC中的定時器產(chǎn)生的，這樣可以不用步進電機驅(qū)動器，從而降低了硬件成本[7]。然而，由于PLC的掃描周期一般，但由于PLC掃描周期一般是幾毫秒到幾十毫秒，相應的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到限制其掃描周期的PLC工作步進電機不能工作在高頻率下，無法實現(xiàn)高速控制。當速度較高時，由于掃描周期的影響，控制精度降低。</p><p>　　3)、基于單片機控制，單片機控制步進電機，

40、結合軟件和硬件控制。軟件替代環(huán)形分配器，以達到最好的步進電機控制。系統(tǒng)單片機的接口電纜直接控制步進電機驅(qū)動電路[8]。由于單片機的強大功能，還可以作為外部中斷源的大量的外圍電路，按鈕設計，設置步進電機正反轉，起停，以及分檔功能，用中斷和查詢相結合的方法來調(diào)用中斷服務程序，完成步進電機控制。脈沖的分配用軟件實現(xiàn)，用單片機實現(xiàn)環(huán)形分配器功能[9] 。</p><p>　　2.2.2 本次設計控制方案的選型</p

41、><p>　　基于單片機的控制方案有以下優(yōu)點：(1)單片機軟件編程可以使復雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響；(2)用軟件代替環(huán)形分配器，通過對單片機的設定，用同一種電路實現(xiàn)了多相步進電機的控制和驅(qū)動，大大提高了接口電路的靈活性和通用性[10]。</p><p>　　基于單片機的控制方案具有以下優(yōu)點：（1）單片機軟件編程使復雜的控制過程實現(xiàn)自動化控制和精確的

42、控制，以避免失步振蕩影響控制精度;（2）軟件代替環(huán)形分配器，由單片機，在同一電路，多相位控制步進電機和驅(qū)動器，大大提高了靈活性和多功能接口電路的通用性</p><p>　　所以本次設計采用基于單片機的控制。</p><p>　　2.3 STC 12C5A60S2單片機選型</p><p>　　2.3.1 STC 12C5A60S2簡介</p><

43、p>　　STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合[10]。如圖2.2</p><p>　　圖2.2 STC12C5A60S2 芯片封裝圖&l

44、t;/p><p>　　2.3.2 STC 12C5A60S2具體的優(yōu)勢</p><p>　　STC的12C5A60S2單片機的優(yōu)點：增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼兼容傳統(tǒng)8051。工作頻率范圍：0 - 35MHz時，這相當于普通8051的 0?420MHz。 8K / 16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)的

45、用戶應用程序空間。片上集成1280字節(jié)RAM。 ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（應用程式），無需特殊的編程，無需特殊的模擬器，可以通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，幾秒鐘完成一次。內(nèi)部集成MAX810復位電路（外部晶體12M，復位引腳可直接1K電阻接地）。時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部的R / C振蕩器（漂移是+ / -5％，+ / -10％），用戶在下載用戶程序可以選擇是使用內(nèi)部的R / C振蕩器或外部晶振/時鐘，

46、室溫下，內(nèi)部的R / C振蕩器的頻率如下：5.0V的MCU：11MHz?15.5MHz，3V單片機：為8MHz?12MHz的，最大的靈活性，你可以選擇使用內(nèi)部時鐘，但由于制造誤差和溫度漂移，實際測試為準。共有4個16位定時器，兩個傳統(tǒng)的8051兼容的定時器</p><p>　　2.4 TB6560AHQ驅(qū)動芯片選型</p><p>　　2.4.1 TB6560AHQ簡介</p>

47、<p>　　TB6560AHQ 是東芝公司主推的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片，配合簡單的外圍電路即可開發(fā)出高性能的驅(qū)動電路。如圖2.3 </p><p>　　圖2.3 TB6560AHQ封裝圖</p><p>　　有如下特性：雙全橋MOSFET驅(qū)動、耐壓40V、電流3.5A（峰值）、具有整步，1/2 細分，1/8細分，1/16細分運行方式可供選擇、內(nèi)置溫度保護及過

48、流保護、采用HZIP25封裝外、外圍電路簡單[12]。</p><p><b>　　引腳介紹：</b></p><p><b>　　二、管腳說明： </b></p><p>　　1、TQ2：電機力矩控制端， 既可以選擇工作電流，又可以在電機不轉時作半流鎖定功能 </p><p>　　2、TQ1：如表

49、2.2 </p><p><b>　　表2.2電流衰減</b></p><p>　　3、CLK：輸入脈沖 </p><p>　　4、ENABLE：使能端 </p><p>　　5、RESET：上電復位 </p><p><b>　　6、地線 </b></p>&

50、lt;p>　　7、OSC：斬波頻率控制端：C=1000PF，f=44KHz；C=330PF，f=130KHz </p><p>　　8、VH：驅(qū)動電壓小于 40VDC </p><p>　　9、MB：電機繞組 B 相 </p><p><b>　　10、地線 </b></p><p>　　11、RB：B 相電流檢測

51、端，須大于 0.2Ω 0.2Ω/1W=2.5A 0.22Ω/1W＝2.0A </p><p>　　0.3Ω /1W=1.5A 0.35Ω/1W=1.25A 0.47Ω/1W＝1A </p><p>　　12、MB-：電機繞組 B 相 </p><p>　　13、MA：電機繞組 A 相 </p><p>　　14、RA

52、：A 相電流檢測端，須大于 0.2Ω 0.2Ω/1W=2.5A 0.22Ω/1W＝2.0A </p><p>　　0.3Ω /1W=1.5A 0.35Ω/1W=1.25A 0.47Ω/1W＝1A </p><p><b>　　15、地線 </b></p><p>　　16、MA-：電機繞組 A 相 </p>

53、<p><b>　　17、空 </b></p><p>　　18、VH：驅(qū)動電壓小于 40VDC </p><p>　　19、TSD：溫度保護，芯片溫度大于 150℃自動斷開所有輸出 </p><p>　　20、VCC：5V 穩(wěn)壓電源 </p><p>　　21：DIR：正反轉控制 </p>

54、<p>　　22、M2：細分數(shù)選擇端 </p><p>　　23、M1：細分數(shù)選擇端 如表2.3</p><p><b>　　表2.3 細分選擇</b></p><p>　　24、PFD2：衰減方式控制端 </p><p>　　25、PFD1：衰減方式控制端 如表2.4</p><p>

55、<b>　　表2.4 衰減組合</b></p><p><b>　　斬波頻率說明： </b></p><p><b>　　電容值：450P </b></p><p>　　慢衰減：2細分 斬波時間：40us 占空比（高—低）：4—36 </p><p>　　快

56、衰減：16細分 斬波時間：40us 占空比（高—低）：20—20 </p><p><b>　　電容值：150P </b></p><p>　　慢衰減：2細分 斬波時間：15us 占空比（高—低）：1.5—13.5 </p><p>　　快衰減：16細分 斬波時間：15us 占空比（高—低

57、）：7.5—7.5</p><p>　　2.4.2 TB6560AHQ在具體應用方面的優(yōu)勢</p><p>　　1、在低轉速運行系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢</p><p>　　低轉速運行系統(tǒng)，是指時鐘頻率不高、以小電流驅(qū)動為主的系統(tǒng)，比如轉速為每分鐘幾轉到100轉，用戶在此種應用條件下如使用傳統(tǒng)的驅(qū)動方案，要么因集成芯片細分太低，而使低速振動偏大；要么不得不選擇細分很高的驅(qū)動

58、器，使成本不必要的增加。</p><p>　　TB6560AHQ驅(qū)動芯片的優(yōu)勢：</p><p>　?。?）電機振動小噪音低：因為芯片自帶2、8、16細分可選，足夠滿足每分鐘從幾到近千轉的應用要求。</p><p>　?。?）嵌入式驅(qū)動器發(fā)熱少：芯片自帶的散熱面積足以單獨支持小電流驅(qū)動的散熱要求。</p><p>　　（3）支持各種步進電機選

59、型：客戶可選擇力矩稍大的混合式或永磁式步進電機，使電機工作在允許最大轉矩的百分之30至50之間，電機成本幾乎不變；芯片提供多檔電流設置和電流衰減模式，支持相同動力指標下各種不同參數(shù)的步進電機。</p><p>　　2、在高轉速運行系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢</p><p>　　高轉速運行系統(tǒng)，是指時鐘頻率較高、以大電流驅(qū)動為主的系統(tǒng)，比如轉速為每分鐘接近千轉，此種應用條件下如使用傳統(tǒng)的驅(qū)動方案，要么

60、因集成芯片細分太低，而使系統(tǒng)調(diào)速范圍過?。灰匆蚣毞趾芨叨^多增加了成本，還可能會出現(xiàn)因高頻力矩下降導致的振動和噪音[17]。</p><p>　　TB6560AHQ驅(qū)動芯片的優(yōu)勢：</p><p>　?。?）電機振動小噪音低：由于TB6560AHQ芯片芯片自帶16細分功能，能夠滿足每分鐘從幾到近千轉的應用要求，且自動產(chǎn)生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度芯片相比，在相同高轉速下力矩不但

61、不會下降，反而有所增加；由于TB6560AHQ芯片可承受峰值40V的驅(qū)動電壓、峰值3.5A的電流，為電機在大力矩、高轉速下持續(xù)運行提供了的技術保障；</p><p>　　（2）支持各種步進電機選型：客戶可選擇力矩稍大的的混合式或永磁式步進電機，使電機工作在最大轉矩的百分之30至50之間，電機成本幾乎不變；芯片提供大電流設置和多檔電流衰減模式，支持相同動力指標下各種不同參數(shù)的步進電機；</p><

62、;p>　?。?）嵌入式驅(qū)動器體積小巧易散熱：大電流驅(qū)動時，芯片的散熱面便于外連散熱器，也可以直接連接在用戶原有控制器金屬殼體上，嵌入式驅(qū)動器體積小巧、易于散熱；</p><p>　　總之，因TB6560AHQ芯片集成度很高，外圍電路極其簡單，可靠性極高，支持57和部分86步進電機從每分鐘幾十到近千轉的寬調(diào)速應用，可使數(shù)控設備研發(fā)成本和生產(chǎn)成本雙雙下降[13]。</p><p>　　綜

63、合上面優(yōu)點，所以本次設計選用TB6560AHQ芯片</p><p>　　3.控制系統(tǒng)整體軟硬件設計</p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　系統(tǒng)整體圖如圖3.1所示</p><p><b>　　3.1原理圖</b></p><p><

64、b>　　3.2 電源設計</b></p><p>　　利用LM2596T -5.0芯片得到5V的電壓，產(chǎn)生5V電壓則給單片機和驅(qū)動芯片供電[14]。分別如圖3.2所示</p><p>　　圖3.2 5V電源轉換部分</p><p>　　3.3 單片機在本次設計的功用</p><p>　　按鍵給單片機一個觸發(fā)信號按下或不按單片

65、機檢測到來判斷正反轉，還有產(chǎn)生不同頻率的PWM波去控制電機啟動與加速。如圖3.3</p><p>　　圖3.3 單片機部分電路</p><p><b>　　3.4 驅(qū)動設計</b></p><p>　　此電路是步進電機的驅(qū)動部分，我選用的是TOSHIBA TB6560AHQ芯片來驅(qū)動的，9、12、13、16引腳分別連接電機的四線，TQ1、TQ

66、2連接Subdivision Control電路對應的引腳，以實現(xiàn)電流的衰減模式，M1、M2分別連接Subdivision Control電路對應的引腳，以實現(xiàn)速度的細分，如圖3.4</p><p>　　圖3.4 驅(qū)動部分電路</p><p>　　3.5 方向和細分控制設計</p><p>　　開關S3右側介入一個上拉電阻，通過判斷高低電平控制控制方向，開關閉合后，

67、接地為低電平，電機反轉，開關打開接5V高電平，電機正轉，如圖3.5。</p><p>　　對速度進行控制，實現(xiàn) 1/2、1/8、1/16細分，開關3，4的不同組合可以實現(xiàn)不同的調(diào)速，如圖3.6：</p><p>　　為了該電路板適用于不同動力的的步進電機電機，對電流進行控制，實現(xiàn)可以實現(xiàn)電流75%、50%、20%的衰減，開關1，2的不同組合可以實現(xiàn)不同的電流衰減模式，如圖3.6：</

68、p><p>　　圖3.5 方向控制電路圖 圖3.6 細分控制電路</p><p><b>　　3.6 PCB繪制</b></p><p>　　通過學習Protel 99 se 軟件，學習了PCB的繪制，PCB在現(xiàn)在工業(yè)中應用的很廣泛，我們平時看到的高集成的電路板都是用99se繪制的PCB，這樣可以

69、節(jié)省很多時間并且除去了手工焊接布線的繁瑣手續(xù)，大大的提高了電路板的集成度。</p><p>　　如圖3.7所示，是本次設計的PCB</p><p><b>　　圖3.7 PCB圖</b></p><p><b>　　3.7 軟件設計</b></p><p>　　3.7.1 程序流程圖</p&g

70、t;<p>　　按系統(tǒng)分為電機正反轉、電機加減速及勻速的幾部分組成如圖3.8</p><p><b>　　圖3.8 流程圖</b></p><p>　　按下開始按鈕，判斷運動方向的正反，開始加速，運動到達到預定速度，勻速運動，通過組合開關調(diào)節(jié)速度，速度變?yōu)榘胨?，程序調(diào)節(jié)，開始減速，減到半速后，勻速運行。最后關閉開關時，電機減速到停止為止。整個速度調(diào)節(jié)的過

71、程如圖3.9</p><p>　　圖3.9 PWM調(diào)節(jié)速度</p><p>　　3.7.2 步進電機正反轉程序設計</p><p>　　如下程序：首先判斷輸入端P2.0口的高低電壓，若輸入是高電平， 則direction_key等于1，打開定時中斷，電機開始正轉；若輸入是低電平， 則direction_key等于0，打開定時中斷，電機開始反轉</p>

72、<p>　　void main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　en=0;</b></p><p>　　delayus(20);</p><p><b>　　en=1;</b></p><p><b

73、>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　pulse_num=130;</p><p>　　final_frequency=0xA0;</p><p>　　if(direction_key==1)</p><p><b>

74、;　　{</b></p><p>　　motor_direction=1;</p><p>　　delayms(3000);</p><p>　　t0h=0x00; //初始頻率設定</p><p><b>　　t0l=0x00;</b></p><p>　　TH0 = t0h

75、; //初始頻率</p><p>　　TL0 = t0l; </p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p>　　while(direction_key==1)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　}</b

76、></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(direction_key==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_direction=

77、0;</p><p>　　delayms(3000);</p><p>　　t0h=0x00; //初始頻率設定</p><p><b>　　t0l=0x00;</b></p><p>　　TH0 = t0h; //初始頻率</p><p>　　TL0 = t0l; </p>

78、<p><b>　　TR0=1;</b></p><p>　　while(direction_key==0)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　TR0=0;</b><

79、;/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　RI=0;</b></p><p>　　} //第一個大while循環(huán)</p><p>　　} //main函數(shù)</p><p>　　3.7.3 步進電機加減速程序設計</p><p>　

80、　程序的主要作用就是產(chǎn)生一個頻率逐漸增加（加速階段）然后頻率固定（勻速階段）最后在頻率逐漸降低（減速階段）的PWM波，電機轉必須要有一個頻率合適的PWM波，如果這個PWM波的P頻率太低，電機會轉的很慢，如果太高，電機會反應不過來 出現(xiàn)丟步 有嘯叫聲[16]。</p><p>　　如下中斷子程序所示，通過改變頻率來實現(xiàn)電機的加減速，直到頻率達到final_frequency，速度穩(wěn)定為止，加減速

81、完畢，電機持續(xù)平穩(wěn)運轉。</p><p>　　void t0int() interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p><b>　　i++;</b></p><p>　

82、　if(i==pulse_num) //每個頻率對應脈沖數(shù)，變相加速時間。</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(t0l<final_frequency) //最終頻率</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　t0h++

83、;</b></p><p><b>　　t0l++;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　i=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　TH0 =

84、t0h; </p><p>　　TL0 = t0l; </p><p>　　motor_drive=~motor_drive;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　完整程序見附錄B</b></p><p><b>　　4. 總結&l

85、t;/b></p><p>　　4.1 論文工作總結</p><p>　　本次畢業(yè)設計能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的啟停、正反轉以及速度的調(diào)節(jié)，通過本次畢業(yè)設計加強了我對軟件編程和硬件設計的掌握，并且熟悉了STC 12C5A60S2、TB6560AHQ、LM2596T等芯片。步進電機在控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。它可以把脈沖信號轉換成角位移，并且可用作電磁制動輪、電磁差分器、或角位移發(fā)生器等，所以

86、說步進電機有著廣闊的市場和遠大的發(fā)展前景。本設計實現(xiàn)了占用CPU時間少，效率高；易于控制步進電機的轉向轉速；提高了步進電機的步進精度等。再有，本設計過程考慮比較周全，可以方便靈活地控制步進電機的運行狀態(tài)，以滿足不同用戶的要求，因此常把單片機步進電機控制電路稱之為可編程步進電機控制驅(qū)動器。步進電機控制（包括控制脈沖的產(chǎn)生和分配）使用軟件方法，即用單片機實現(xiàn)，這樣既簡化了電路，也減低了成本。</p><p>　　4.

87、2 對后續(xù)工作的展望 </p><p>　　本文雖然在應用單片機對步進電機的控制果真取得了一些研究成果，提出了解決方案和可行性算法。但是在芯片的發(fā)展，以及出現(xiàn)了更高級的芯片能夠很好的控制步進電機，能夠很大程度上提高電機的精確性和穩(wěn)定性。</p><p>　　從總體來說，本文重點是實現(xiàn)了STC 12C5A60S2對步進電機的控制實現(xiàn)以及對單片機的外圍電路等進行了基礎性的研究，由于時間和條件的

88、限制，雖然取得了一定的效果，但尚存在一定不足之處有待今后進一步解決。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M].復旦大學出版社.2005.</p><p>　　李夙.異步電動機直接轉矩控制[M].機械工業(yè)出版社.1998.</p><p>　　王鴻鈺.步進

89、電機控制入門[M].同濟大學出版社.1990.</p><p>　　韓利虎.淺談步進電機的基本原理[J].內(nèi)蒙古石油化工出版社.2007</p><p>　　孫笑輝,韓曾晉.減少感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)轉矩脈動的方法[J].電氣傳動.2001</p><p>　　袁任光,張偉武.電動機控制電路選用與258實例[M].機械工業(yè)出版社.2005.</p>

90、<p>　　康晶.采用反饋控制的步進電機高低壓驅(qū)動電路[J].電力電子技術.2003 </p><p>　　張巍.淺談單片機控制步進電機[J].安防科技.2006</p><p>　　孫進平，張大鵬,丁金濱.51單片機系列單片機原理、開發(fā)與應用實例.中國電力出版社，2009</p><p>　　王秀和.永磁電機[M].中國電力出版社.2007.</

91、p><p>　　STC 12C5A60S2系列單片機器件手冊</p><p>　　TOSHIBA BiCD Integrated Circuit Silicon Monolithic TB6560AHQ TB6560AFG</p><p>　　王黨利,寧生科,馬寶吉.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用.西安工業(yè)大學工業(yè)中心.2012年01期</p><p>

92、　　LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150kHz 3A Step-Down Voltage Regulator </p><p>　　劉晨.帶寄存器的雙倍速率內(nèi)存模組中信號完整性分析及設計.上海交通大學.2006</p><p>　　孫笑輝,韓曾晉. 減少感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)轉矩脈動的方法[J]. 電氣傳動.2001</p>

93、<p>　　M. Abouzeid, Use of a reluctance stepper motor for solartracking based on a programmable logic array(PLA) controller[J], Renewable Energy 23 (2001) 551–560.</p><p><b>　　附錄A：實物圖</b><

94、;/p><p><b>　　附錄B：主程序</b></p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　#include<intrins.h> // 聲明了void _nop_(void);不然_nop_()函數(shù)不能使用。</p><p>　　#include<stdio

95、.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　uint pulse_num;</p><p>　　sbit motor_direction=P1^0;</p><p>　　sbit

96、 motor_drive=P1^1;</p><p>　　sbit en=P1^2;</p><p>　　sbit direction_key=P2^0;</p><p>　　uchar t0h,t0l;</p><p>　　uchar final_frequency;</p><p>　　void delayus(u

97、int);</p><p>　　/*************************************************************</p><p>　　* 名稱 : Com_Init()</p><p>　　* 功能 : 串口初始化，晶振11.0592,波特率9600，使能了串口中斷</p><p><b>

98、;　　* 輸入 : 無</b></p><p><b>　　* 輸出 : 無</b></p><p>　　*************************************************************/</p><p>　　void Com_Init(void)</p><p>&

99、lt;b>　　{</b></p><p>　　TMOD = 0x22; //22設置定時器1為工作方式2 0010 0000 ，用著比特率，定時器0為方式2</p><p>　　PCON = 0x80;//此處SMOD=1，必須設置為加倍，不然達不到115200的波特率。用9600時可以不加倍。</p><p>　　SCON = 0x50;<

100、;/p><p>　　IP = 0X02;</p><p>　　TH1 = 0xFF; //1150200波特率可以正常工作</p><p>　　TL1 = 0xFF; //115200波特率可以正常工作</p><p>　　TR1 = 1;//啟動定時器1</p><p>　　ET0 = 1;//定時器T0的中斷

101、打開</p><p>　　ES = 1;//開串口中斷</p><p>　　EA = 1;//開總中斷</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*************************************************************</p>

102、<p>　　* 名稱 : Delay_1ms()</p><p>　　* 功能 : 延時子程序，延時時間為 1ms * x</p><p>　　* 輸入 : x (延時一毫秒的個數(shù))</p><p><b>　　* 輸出 : 無</b></p><p>　　***************************

103、**********************************/</p><p>　　void delayus(uint z) //延時約10us 示波器測試</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=

104、z;x>0;x--) </p><p>　　for(y=1;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delayms(uint z) //延時約1ms</p><p><b>　　{</b></p><p>&l

105、t;b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--) </p><p>　　for(y=300;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void t0int() interrupt 1</p>&

106、lt;p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p><b>　　i++;</b></p><p>　　if(i==pulse_num) //每個頻率對應脈沖數(shù)，變相加速時間。</p><p><b>　　{

107、</b></p><p>　　if(t0l<final_frequency) //最終頻率</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　t0h++;</b></p><p><b>　　t0l++;</b></p>&

108、lt;p><b>　　}</b></p><p><b>　　i=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　TH0 = t0h; </p><p>　　TL0 = t0l; </p><p>　　motor_dri

109、ve=~motor_drive;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main() </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　en=0;</b></p><p>　　delayus(20

110、);</p><p><b>　　en=1;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　pulse_num=130;</p><p>　　final_frequency=0

111、xA0; </p><p>　　if(direction_key==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_direction=1;</p><p>　　delayms(3000);</p><p>　　t0h=0x00; //初始頻率設定</p&

112、gt;<p><b>　　t0l=0x00;</b></p><p>　　TH0 = t0h; //初始頻率</p><p>　　TL0 = t0l; </p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p>　　while(direction_key==1)</p

113、><p><b>　　{</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(direction_key==0)</p

114、><p><b>　　{</b></p><p>　　motor_direction=0;</p><p>　　delayms(3000);</p><p>　　t0h=0x00; //初始頻率設定</p><p><b>　　t0l=0x00;</b></p>

115、<p>　　TH0 = t0h; //初始頻率</p><p>　　TL0 = t0l; </p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p>　　while(direction_key==0)</p><p><b>　　{</b></p><p&

116、gt;<b>　　}</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　RI=0;</b></p><p>　　} //第一個大while循環(huán)</p><p&g