495202755毕业设计（论文）单片机步进电机控制系统设计.doc

第1章 引言1.1 步进电机控制的现状步进电机是机电设备中广泛使用的一种电机，以控制、驱动装置构成的步进电机伺服系统在经济型数控机床、机器人、工业过程控制及仪器仪表等领域得到了广泛的应用。过去由纯电路设计的步进电机控制和驱动电路，往往电路结构复杂，使用元器件多而成本高且通用性差。如果采用微型计算技术，以及软件编程的方法，将会避免复杂电路的设计，降低元器件的成本，使步进电机控制更具有通用性和灵活性。这次设计是基于AT89C51单片机的步进电机伺服系统，是以单片机作为步进电动机的下位控制、微机作为上位控制的一套系统，同时采用MAX232通讯模块将上位机和下位机两个部分连接，用以传输数据，实现对步进电机转向、转速及转角的有效控制。系统采用MCS-51系列单片机，电路简单可靠，结构紧凑，整个系统的性能优于传统的步进电机控制器。对于不同型号的步进电机的控制，不需改变硬件电路，通过修改软件，即能实现多种控制，灵活方便，通用性强，成本低，具有广阔的应用领域1。1.2 步进电机的特点步进电动机区别于其他用途电动机的最大特点是，它接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字/模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因此，随着运动控制系统数字化到来，步进电动机的应用日益广泛。例如，在计算机外围设备（如打印机、磁盘驱动器、数字绘图仪、纸带穿孔机）、现代办公室设备（如复印机、传真机）、各种自动机、仪器设备、材料输送机、数控机床、工业机器人等中获得大量应用。与之相适应，各国半导体厂商开发生产了大量适用与步进电动机控制的专用集成电路。1.3 本设计需要解决的问题本设计主要解决如下三个问题：1、设计通过硬件实现脉冲分配，用脉冲分配器芯片实现单片机定时器控制脉冲的产生。2、控制电机的转速和方向的时候，单片机需向脉冲分配器发送步进脉冲和控制旋转方向的电平信号。3、为了提高电机在启动时的响应速度，通过高低压驱动电路,解决了电机绕组电感作用较强产生的脉冲范围内平均电流太小的问题。1.4 本设计的优越性以往的步进电动机控制中，没有或极少对相绕组的阻尼问题加以解决，而直接利用单片机实现软件脉冲分配。在本设计中，通过方案论证、比较，从可行性，实用性等方面加以考虑，使控制方案更加完善。以微机作上位控制、单片机作下位控制的步进电机伺服系统结构合理，可靠性和灵活性高，成本低，能较好地完成多种实时控制任务，具有较好的推广和应用前景。第2章 步进电机控制原理2.1 步进电机概述步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为控制执行元件， 是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。随着电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用2。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。2.2 步进电机基本原理 步进电机两相邻磁极间的夹角60°。线圈绕过相对的2个磁极，构成一相(A-A，B-B，C-C)。磁极上有5个均匀分布的矩形小齿，转子上没有绕组，而有40个小齿均匀分布在其圆周上，且相邻2个齿之间的夹角为9°。当某组绕组通电时，相应的2个磁极就分别形成N-S极，产生磁场，并与转子形成磁路。如果这时定子的小齿与转子没有对齐，则在磁场的作用下转子将转动一定的角度，使转子齿与定子齿对齐，从而使步进电机向前“走”一步。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：1控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A-B-C-A相的通断。2 控制步进电机的转向如果给定工作方式正序通电换相，步进电机正转；如果按反序通电换相，则电机反转。3 控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机产生的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速3。2.3 步进电机控制方式如果通过单片机按顺序给绕组施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有3种方式。单相三拍方式(按单相绕组施加电流脉冲):ABC正转;ACB 反转。双相三拍方式(按双相绕组施加电流脉冲):ABBCCA正转;ACCBAB反转。三相六拍方式(单相绕组和双相绕组交替施加电流脉冲):AABBBCCCA正转;AACCCBBBA反转。单相三拍方式的每一拍步进角为3°，三相六拍的步进角则为1.5°，因此，在三相六拍下，步进电机的运行反转平稳柔和，但在同样的运行角度与速度下，三相六拍驱动脉冲的频率需提高1倍，对驱动开关管的开关特性要求更加高。2.4 步进电机驱动方法步进电机常用的驱动方式是全电压驱动，即在电机移步与锁步时都加载额定电压。为了防止电机过流及改善驱动特性，需加限流电阻，由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗掉大量的功率，故限流电阻要有较大的功率容量，并且开关管也要有较高的负载能力。所以在此次设计中采用高低压驱动，这是另一种步进电机的驱动方式，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移步；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可以减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度，但这种驱动方式的电路要复杂一些。驱动脉冲的分配可以使用硬件方法，即用脉冲分配器实现。步进电机控制(包括控制脉冲的产生和分配)也可以使用软件方法，即用单片机以软件方式驱动步进电机的实现方法。第3章 控制方案论证本设计的重点在于对步进电动机的控制和驱动，设计中被控制的电机为57BYG069型号的三相步进电机。3.1 系统控制方案方案一：使用PMM8713脉冲分配器参与控制电机。其原理如图3-1所示。PMM8713 单 片 机 步进电动机 高低驱动电路 图3-1方案一原理示意图 PMM8713是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用DIP16封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式（1相励磁，2相励磁，1-2相励磁三种励磁方式之一），每相最小的拉电流和灌电流为20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输入端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强。在PMM8713的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713有两种脉冲输入法：双脉冲输入法和单脉冲输入法。采用双脉冲输入法的连线方式，其中CP、CU两端分别输入步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输入法时CK为时钟脉冲输入，步进电机的正反转方向由U/D的高、低电位决定。片中的激励方式控制电路用来选择采用何种励磁方式。激励方式判断电路用于输出检测；而可逆环形计数器则用于产生步进电机在选定的励磁方式下的各相通断时序信号4。PMM8713的芯片结构和封装原理如图3-2所示。 Vdd PMM8713CoCu时钟选通Em激 励 判 断Cp1234可逆环型计数Ck2U/DEa激励方式控制RCEss图3-2 PMM8713的芯片结构和封装原理通过PMM8713脉冲分配器把控制信号自动的分配到电机的各相，既可以接三相、四相电机，又提高了CPU的利用率，使CPU有时间去从事其他工作。使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。方案二：使用L298N芯片控制电机。其原理如图3-3所示。单片机L298N步进电动机图3-3 方案二原理示意图L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，但在电机已选定的情况下，输出方式不能灵活地改变，且单片机要不停地发送脉冲，CPU利用率不高。通过对两种控制方案的比较与论证，方案一充分发挥了硬件的功能，在控制的时候更加直接，反应更加迅速，能提高步进电机启动时的响应速度，稳定地驱动步进电机，最后得出结论在设计中选用方案一。第4章 系统硬件设计综合以上选取的方案，总的系统原理示意图如图4-1所示。单 片 机 PMM8713 2SD1414 4位键盘 保护电路 步进电动机 发光二极管 PC机MAX232图4-1 系统原理示意图本文设计所采用方案原理分析如下（电路原理图见附录2）：由键盘输入需要的电机转向和转速以及方式控制值，按下确定键后，输入的速度值经程序转换成十六进制数作为单片机中定时器T1的初值并从二极管中显示出来，启动单片机内部定时器T1当定时器产生溢出时，向CPU申请中断，CPU执行中断服务程序，变换P1.0的电平。循环地变换P1.0的电平，单片机就可以发出所需频率的方波控制信号。方波信号频率决定了电机转速，方波信号由脉冲分配器的3引脚输入。电机转向由单片机的P1.1输出进行控制，信号送入脉冲分配器，控制脉冲分配器输出正或反相序的脉冲信号，相序的方向决定电机的转向，实现了电机的正反转控制。步进电机各相绕组通电方式控制由单片机的P1.2、 P1.3、 P1.4输出，信号分别由脉冲分配器的引脚5（EA）、引脚6（EB）、引脚7（c）输入，其中引脚5和引脚6的输入决定了电机的节拍方式，引脚7的输入决定了脉冲的三相或四相输出。从脉冲分配器的输出控制系统的驱动电路。此处，以电机绕组的其中一相为例说明驱动部分电路原理，当Q1输出高电平时，高电压电路的晶体管T9、T2和T1导通（2SD1414中有D1、D2、D3和D4四个晶体管）， Uv(24V)电压就加到绕组L1上。同时，Uv和Ucc同时加到二极管D9的两侧，低压侧Ucc (8V)被迫截止。由此，绕组L1中就会有较大的电流，电流迅速上升，克服了绕组的阻尼作用。当电流值上升到驱动的额定电流值，NE555输出的短时间脉冲变为低电平，高压驱动电路中T2和T1就截止，此时，二极管D9导通，低压驱动电路工作，电机工作在额定电压下。在Q1信号消失前步进电机就完成了一个步距角，再来一个信号步进电机又前进一个步距角，这样重复以上动作，使电机不停的运转起来，通过控制绕组的通电频率就可以控制电机的速度，获得良好的运行特性。高低压所需要的窄脉冲由NE555定时器构成的单稳态电路提供，而NE555的触发脉冲由PMM8713的15 脚提供5。功率晶体管采用达林顿管2SD1414。电路原理图见附录2。4.1脉冲分配电路PMM8713众所周知，在步进电机的控制系统中，主要由步进电机、控制器、驱动对象三个部分组成。早期的步进电机控制器采用分立元件，硬件电路复杂、可靠性差、体积大、价格昂贵，对于不同产品其参数需要重新设计，在推广应用中受到很大的限制。单板机问世以后，呈现出步进电机控制器被单板机取代的趋势，但单板机的抗干扰性差，而难以在工业现场中运行，所以这种取代又遇到了新的困难。近年来，MCS296 系列单片机的诞生，尤其是8098单片机及其开发系统的出现为步进电机的控制系统提供了比较理想的机种，但是这种控制系统开发周期相对较长，且需要费用仍然太高。为了克服这些不足，本设计应用到了PMM8713，它工作时不占用CPU 的时间，系统反应快。由于具有这些优点，使得本系统可以广泛应用于自动机床、机器人控制技术以及需要精确定位的装置等领域。而且组成本系统步进电机控制器所选用的电子元件均为一般电子元件，性价比高6。4.1.1 脉冲分配器的基本原理驱动步进电动机时，需要由单相脉冲电压得到多相步进电压，为此，采用脉冲分配电路。图4-2是晶体管脉冲分配电路，电路中，VT1、VT3、VT5的发射极电阻R1的阻值应确保一个晶体管导通，其余两个晶体管截止；同时，VT2、VT4、VT6的发射极电阻R2的阻值应确保两个晶体管导通，另一个晶体管截止，因此，若VT3导通时，VT1、VT5截止，VT2、VT6导通时，VT4截止等。在上述状态下，若输入脉冲信号，则通过二极管VD1、VD2、VD3强迫VT1、VT3、VT5全部截止，因此，原来截止的VT1、VT5不变，改变的仅是原来导通的VT3现变为截止。若VT3变为截止，则VT4导通。因此，通过C2使VT6截止，VT5导通，同时C3使VT2导通，但这时，VT4同时导通，不变化的循环状态到此停止。这样，输入一个脉冲信号，导通状态由VT3转移到VT5。若再输入一个脉冲信号，导通状态由VT5转移图4-2 晶体管脉冲分配电路到VT1。也就是说，正步进电压由U2转移到U3，再由U3转移到U1。这就成为产生一个相励旋转磁场的三相电源。 4.1.2 PMM8713引脚功能说明PMM8713是由日本Sanyo（三洋）电机公司生产的步进电机控制用的脉冲分配器（又称逻辑转换器），为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片，其管脚图如图4-3。图4-3 PMM8713外部封装图PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相三种方式，通过电路设计可任选其中一种激励方式。此外，PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能。其内部有1、时钟选通，2、激励方式控制，3、可逆环形计数， 4、激励方式判断等电路。PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。输出电流大于20mA，可直接驱动微型步进电机。各引脚功能说明：CU（PIN1）、CD（PIN2）是双时钟工作的时钟输入端。CU端接正转时钟；CD端接反转时钟。CK（PIN3）为单时钟输入端，此时步进电机的正反转由U/D（PIN4）脚来控制。在电路处于单时钟输入控制的前提下，当U/D=高电平时，则输出端输出正转脉冲序列；当U/D=低电平时，则输出端输出反转脉冲序列。EA（PIN5）和EB（PIN6）为激励方式选择端。EAEB00时，为双激励方式；EAEB11时，为1-2相激励方式；EAEB01或10(即两电平相反)时，为单激励方式。3/4（PIN7）为三相或四相选择控制端。当该脚=0时，为三相输出；当该脚=1时，为四相输出，通过该脚可以选择控制三相或四相步进电机。（PIN1310）为4个相驱动端。3相用（=0），4相用端。EM（PIN14）是激励方式状态标志。双激励方式该端输出为高电平；单激励方式该端输出为低电平；1-2相激励时，该端输出两倍时钟周期的脉冲。CO（PIN15）为输入时钟检测端。当该电路有时钟脉冲输入时，在CO端可输出时钟的同步脉冲。R（PIN9）为复位控制端，加低电平使输出端复位为表1所示的初始状态。（其中0表示低电平，1表示高电平）。3相输出时11到13为输出引脚，4相输出时10到14为输出引脚7。表4-1 PMM8713各引脚功能说明 引脚号符号功能说明12345678910111213141516CUCDCKU/DEAEBCVSSR1234EMCO输入脉冲，正转CW时钟输入脉冲，反转CW时钟输入脉冲，(单时钟方式用)方向转换，0反转，1正转激励方式控制，EAEB:1112相，002相01，101相3/4相选择，0-3相，14相地复位端，低电平有效输出输出 输出 输出激励监视:01相，12相，脉冲表示12相激励输出与时钟同步脉冲正电源，+4+18V4.2 通信模块MAX232电路设计 4.2.1 MAX232介绍 1MAX232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。其供电电压5v，耗电5mA，外接4个1uF电容，这是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASICTM元件库中得到标准单元。MAX232的工作温度范围为0至70，MAX232I的工作温度范围为-40至85。如果通信距离很短用两个非门即可。具体方法是将非门串接在单片机与PC之间的RX和TX端。2MAX232有如下一些主要特点：1. 单5V电源工作。2. LinBiCMOS 工艺技术。3. 两个驱动器及两个接收器。4. ±30V输入电平。5. 低电源电流：典型值是8mA。6. 符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。7. ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。3MAX232的工作特性：1. 工作温度（自然通风）范围内的极限参数（除非另有说明）。2. 输入电源电压范围，Vcc-0.3V至6V。3. 正输出电源电压范围，VS+ Vcc-0.3V至15V。4. 负输出电源电压范围，VS 0.3V至-15V。5. 输入电压范围，VI：驱动器0.3VVcc+0.3V接收器±30V。6. 输出电压范围，VO：T1 OUT，T2 OUT VS0.3V至VS+0.3V，7. R1 OUT，R2 OUT -0.3V至Vcc+0.3V。8. 短路持续时间：T1OUT，T2OUT未限制。9. 工作温度（自然通风）范围，TA：MAX232：070。 10. MAX232I：-4085。11. 存储温度范围，Tstg： -65150。12. 引线温度，离外壳1.6mm(1/16英寸)，10秒260。强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。这些仅仅是极限参数，并不意味着在极限参数条件下,或在任何其它超出推荐工作条件所示参数的情况下器件能有效地工作,延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性8。4.2.2 MAX232原理图设计将数据采集后，需要及时的上传到上位机进行相应的处理，所以我们设计了RS-232接口。通过按键存储采集到的数据，之后就可以连接到上位机，将数据发送到上位机的数据窗口中。MAX232通过并口总线和上位机，也就是PC机相连接，通过11脚接单片机（89C51）的TXD，12脚接单片机的RXD端口，实现了数据的传输和交换，在本设计中MAX232的电路连接原理图如图4-4所示： 图4-4 MAX232原理图4.3反应式步进电动机4.3.1 步进电机基本结构图4-5 三相步进电机结构示意图反应式步进电机定子相数m=26，定子极数为2m，图4-5为一个三相反应式步进电机的示意图，定子上6个磁极，每个磁极上都套有控制绕组，相对两磁极的绕组为同一相，转子上有4个齿，齿宽与定子极靴宽度相等，定、转子铁心均为凸极结构，由硅钢片冲制叠压而成。步进电动机的结构形式和分类方法较多。按励磁方式分类，可将步进电动机分为永磁式（PM）、反应式（VB）和混合式（HB）三类。反应式步进电动机结构简单，使用较多。下面以一种简单的四相反应式步进电动机为例，简单说明其工作原理。反应式步进电动机每一步转过的角度为30°或15°，步距角较大，如在数控机床中应用根本不能满足加工精度的要求。因此，实际应用的步进电动机是小步距角电动机9。四相反应式步进电机的结构与三相电机类似，此处为了方便说明步进电机结构，以三相步进为例进行说明，参见图4-5。四相反应式电机的定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8均匀分布的磁极，每个磁极上又有若干小齿（本例有5个），各磁极上套有线圈，径向相对的两个磁极上的线圈构成一相。转子也是由硅钢叠成的，若干小齿（本例为50在圆周上均匀分布）。根据工作要求，定子小齿的齿距必须对于转子小齿的齿距，且转子的齿数有一定限制。定义每个小齿所占有的角度为齿距角： (41)式中 齿距角。 转子小齿数。定子一个极距所对的转子小齿数为： (42)式中 m相数。设电机为四相四拍通电方式。当A相控制绕组通电时，产生了沿A-A'极轴线方向的磁通，由于磁通力图通过磁阻最小路径，使转子受到反应转矩的作用而转动，直到转子齿轴线和定子磁极A-A'上的齿轴线对齐为止。因为转子共有50个齿，每个齿距角 ，定子一个极距所对的转子齿数为，不是整数，因此当A-A'极下的定、转子齿轴线对齐时，相邻两对磁极B-B'和D-D'极下的齿和转子齿必然错开1/4齿距角，即。如果断开A相而接通B相，产生沿B-B'极轴线方向的磁通，同样在反应转矩的作用下，转子按顺时针方向转过1.8°。依此类推，控制绕组按A-B-C-D-A的顺序循环通电时，转子就按顺时针方向一步一步连续地转动起来。每换接一次绕组，转子转过1/4齿距角。显然，如果要使步进电机反转，只要改变通电顺序，即按A-D-C-B-A的顺序循环通电时，则转子便按逆时针方向一步一步地转动起来，步距角同样为1/4齿距角，即。如果运行方式改为四相八拍，通电方式为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，即单相通电和两相通电相间隔，步距角为四相四拍运行时的一半，即。当步进电动机运行方式为四相双四拍，即AB-BC-CD-D-DA-AB方式通电时，步距角与四相单四拍运行时一样，为1/4齿距角，即。由此可见，步进电动机的步距角由转子齿数、定子相数和通电方式所决定，即： (43) 式中C-状态系数，用单双通电方式C=2，用单或双通电方式时C=1,N-拍数。既然每个控制脉冲使步进电动机转过一个，电机的实际角位移应为： (44)式中 N'-控制脉冲的个数。若步进电动机所加的通电脉冲频率为f，则其转速为： (r/min) (45)步进电动机的相数可以是两相、三相、四相、五相、六相或更多相数。相数和转子齿数越多，则步距角越小，精度越高。但供电电源和电机结构也越复杂，会增加成本。所以一般最多制成六相，大于六相的步进电动机极为少见10。图4-6是四相步进电动机的一、二相8拍通电顺序。输入脉冲A相B相C相D相A-相B-相C-相D-相图4-6 一、二相8拍通电顺序图4-2 三相步进电机结构示意图4.4 功率驱动电路功率放大电路的种类很多。按照电流流过绕组的方向是单向的还是双向的，可以把功率放大电路分为双极性驱动电路和单极性驱动电路两类。单极性驱动电路适用于反应式步进电动机，而双极性驱动电路适用于永磁式和混合式步进电动机。本设计中选用单极性驱动电路的高低压驱动。由于电感的存在，绕组的通电和断电不能瞬时完成。由于电流上升缓慢会导致电机的启动时的响应速度不高，采用高低驱动电路则可以解决这个问题。4.4.1 高低压驱动电路基本原理1、高低压驱动电路。高低压驱动的基本思路是不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始由高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。高低压驱动电路的原理如图4-7所示。当要求某相绕组通电时，开关管VT1和VT2的基极都有信号电压输入。高压控制脉冲UH与低压控制脉冲UL同时起步，但高压控制脉冲宽度要窄得多。两个控制脉冲使开关管VT1和VT2同时导通，于是高电压UH为电动机绕组供电。这时，二极管VD2承受反向电压处于截止状态，使得低电压UL不对绕组起作用。在高电压作用下，绕组中电流I快速上升，电流波形的前沿很陡。当脉冲UH降为低电平时，VT1图4-7 高低压驱动原理图截止，高电压被切断，低电压UL通过二极管VD2为绕组继续供电。由于绕组电阻小，回路中又没串联电阻，所以低电压只需要数伏即可为绕组提供较大电流。当要求绕组断电时，VT2基极上的信号电压消失，于是VT2截止，绕组中的电流经二极管VD1和二极管VD2放电，电流迅速下降。采用高低压切换型驱动电路，电机绕组上不需要串联电阻，所以电源功耗比较小。高低压驱动电路可以使相绕组的电流迅速上升并达到额定值，在关断时电流又能迅速泄放，因此改善了电机启动时的响应速度。由于这种驱动电路在低频时绕组通电周期长，绕组电路有较大的过冲，所以低频时电机的振动噪声较大。因此，对于不同的应用要求可选用不同的驱动电路。例如：单电压驱动电路结构简单，功放元件少、成本低。但是效率低，只适用于驱动小功率步进电动机或用于性能指标要求不高的场合11。1、高低压驱动电路波形如4-8所示： 图4-8 高低压驱动电路波形图4.4.2 高低压电路的触发信号高电压所需要的短时间脉冲由NE555定时器构成的稳态电路提供，而NE555的触发脉冲由PMM8713的15脚提供。NE555引脚1接地；引脚2接触发脉冲Vi；引脚3输出脉冲Vo；引脚4接高电平，否则输出为低电平；引脚5接电容后再接地；引脚6、引脚7分别接可调电阻和可调电容，电容电压Vc；引脚8接电源。NE555的外部封装如图4-9所示。图4-9 NE555定时器当触发脉冲Vi下降沿到达，使Vi跳变到1/3Vcc以下时，Vo跳变成高电平，电路进入暂稳态，与此同时，Vcc经R、Rp开始向电容C充电。当充电至Vc=2/3Vcc时，若此时输入端的触发脉冲已消失，Vi回到了高电平，于是输出Vo返回到低电平，同时电容C迅速放电，直到为零，电路恢复稳态，图4-10画出了在触发信号作用下Vc和Vo的相应波形。 VoVcVittt0002/3Vcc图4-10 电压波形图tw输出脉冲的宽度tw等于暂稳态的持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻和电容的大小。由图4-10可知，tw等于电容电压在充电过程中从0上升到2/3Vcc所需要的时间，因此得到：=RCLn3=1.1RC （4-6）4.5 4位键盘电路在设计中，使用了4位键盘，单片机的P0口前4位为键盘的接口，设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制。如果为了性能在后面的功能扩展可以采用4*4键盘，但是本设计出于简单明了的角度出发，同时为了节约器件，仔细论证后决定才用4位键盘作为输入设备12。电路图如图4-11所示：图4-11 4位键盘电路4.6 二极管显示电路方案方案一：数码管串行接法。原理示意图如图4-12。74LS164 单片机 数码显示管 串口I/O输出 图4-12 方案一原理示意图此原理可以显示2位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约I/O口资源，发送数据时容易控制，但是其采用的是一个芯片和数码管，成本过高。方案二：二极管并行接法。原理示意图如图4-13。三极管和电阻保护电路二极管显示二极管显示二极管显示二极管显示三极管电阻保护电路三极管电阻保护电路三极管电阻保护电路三极管电阻保护电路单片机图4-13 方案二原理示意图二极管并行接法。直接采用二极管显示方法，同时在二极管前面连接三极管和保护电阻，构成回路，能够起到保护的作用，在各个小电路接入单片机的相应引脚。由于方案一中采用芯片控制数码管显示，造价和成本都更高。方案二中采用二极管、三极管和保护电阻构成回路，降低了整个硬件部分的成本，且电路连接清晰明了，发光二极管发出的不同颜色的光更加直观。比如：电机启动用绿颜色，电机停止用红颜色，便于观察。故在这个设计中的显示部分采用方案二。本设计显示部分使用的是二极发光管，发光二极管不能直接接入到单片机上面，需要有外加的保护电路，每一个发光二极管的保护电路由一个电阻和一个三极管构成回路，再接入单片机89C51相应的端口，从而达到对二极管的保护作用13.其电路原理图如4-14所示。图4-14 二极管显示电路第5章 系统软件设计5.1 上位主机部分软件设计 本设计中单片机控制系统的程序流程图如5-1所示。上位主机部分的主要功能包括用户界面管理、步进电机运行状态监视、故障显示、设定通讯协议、指令格式及发送控制指令等，采用VC+编写。YYN初始化串口输入控制命令暂存控制命令发送连接信号计时发送指令显示出错信息返回可发送否计时满否再发送指令N图5-1上位主机发送指令的程序流程图用户输入指令后，由计算机查询单片机是否可以接收指令，若可以接收，则发送用户的指令，如果此时单片机还没空，就计时等待一段时间，在等待期间，不断询问单片机是否可以接收命令，如果计时满，单片机还不能接收指令，则报告出错信息，并显示给用户。每当发送一条指令后，用户可以选择是否继续发送，即用户可以预先编制一系列的控制指令，连续发送，通过步进电机控制执行机构完成一系列连贯的动作。5.2 下位机控制单片机部分软件设计下位控制程序的主要功能包括串口初始化、定时器1初始化并设定相应的传送波特率、中断接收指令、指令解释、电机驱动以及返回指令等。它负责从上位计算机接收指令，并解释指令，然后将其转换成控制信号，从并行口输出到功率放大电路14。单片机控制步进电机的具体程序流程图5-2所示。开 始 串口初始化查询按键有无按键NY根据按键控制电机设置显示标志N查命令标志是否准备好Y根据命令控制电机并显示 图5-2 单片机控制程序流程图在进行通信连接的时候，MAX232接收到上位机的数据时，内部有一个中断程序来判别是否接收，并按其进行相应的中断运行程序，其程序流程图如图5-3所示。开始接受串口数据通讯标志是否准备好NYY是否55H接受并存储数据命令NN是否01HY置通讯标志置命令准备好标志清通讯标志中断返回图5-3 中断程序流程图结合上述流程图的逻辑控制思想，可以写出其核心之一的电机驱动的子程序，如下:Void moto-run (distance，rate，command)Unsign intdistance，rate; /distance，rate分别表示转动脉冲数和转速bitcommand; /commamd=1正转，commamd=0反转unsign charplus8=0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09;/正Unsign charmenus8=0x01，0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03;/反Unit round;if (n!=2) /n记录上一次的转向，n=2为初始值、n=1正转、n=0反转 if (command!=n) k=8-k+2; /转动方向与上次不同时的位置换算 distance=k+distance; if (command) for (round=k;round<distance;round+) if (round>7) P1=plusround%8; k=round%8+1;n=1; /k记录当前的停留位置 elseP1=plusround; k=round+1;n=1; delay (rate); else for (round=k;round<distance;round+ ) if (round>7) P1=menusround%8; k=round%8+1;n=0; else P1=menusround; k=round+1;n=0; delay (rate); 综合整理上述思想，可以得出完整的程序设计或函数，详见附录1。下位控制程序从上位主机接收的每一条指令都包含转动脉冲数、转速、转向等参数，分别存放在变量distance、rate、command中，每执行完一条指令后，用变量k、n记录当前位置及转向，以便下一条指令执行时，能由当前位置继续运转。数组plus、menus当前存放四相步进电机在四相八拍工作方式下的正反转控制模型。若控制不同相数的步进电机在不同的工作方式下运转，只需改变此控制模型及相应的参数即可。由此可见，其灵活性及适应性明显优于传统的步进电机控制器15。5.3 结论通过论证表明：以PC机作为上位控制、单片机作为下位控制，中间通过MAX232及其相关电路进行连接通信的步进电机伺服系统结构合理，可靠性，灵活性高，成本低廉，能够较好的完成多种实时控制任务，同时具有很强的扩充性能，有较好的推广和应用前景。第6章 系统综合调试6.