步進電機驅動電路范文
時間：2023-03-17 04:55:14
導語：如何才能寫好一篇步進電機驅動電路，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
專用步進電機集成驅動模塊DRV8811由需求分析可知，設計兩相步進電機驅動電路，采用恒流驅動方式，相驅動電流0.4～3A，且可調節。目前常用的專用集成步進電機驅動芯片TA8435由于其峰值電流只能達到2.5A，故不能滿足相應的設計需求。在本文中，采用了德州儀器（TI）的高性能專用集成步進電機驅動芯片DRV8811設計步進電機的驅動電路。該芯片可以十分方便的為掃描器、打印機及其他一些自動化設備的運動執行單元—步進電機提供集成驅動方案，并且設計電路及其簡單易行。
DRV8811步進電機專用集成驅動芯片，內部集成了兩路H橋驅動電路，適用于兩相步進電機的驅動，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6A，完全滿足設計的需求。DRV8811步進電路驅動電路設計在詳細設計驅動電路之前，需要首先了解DRV8811的內部結構圖，在此基礎上才能完善設計。
電流檢測—恒流斬波參數選擇設計DRV8811的內部恒流斬波PWM模塊中，采樣電阻的輸入經過了一個8倍的放大器。故參與比較的電壓為采樣電壓的8倍。設步進電機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，則當斬波電路實現恒流輸出時，應用如下關系式。RCA和RCB兩個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，設該引腳外接的并聯的電阻值為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置電阻R，電容C的值來設置PWM恒流斬波的周期。細分電路設計DRV8811集成步進電機驅動芯片可以十分方便的用來配置步進電機的細分方式。與細分方式相關的引腳為USM0，USM1——12，13。本設計中采用撥碼開關硬件配置細分方式。
方向控制設計DRV8811有一個步進電機運行方向控制引腳DIR—3，該引腳電平狀態不一樣時對應的步進電機的旋轉方向相反。根據需求分析可知，在設計時步進電機的運行方向可調，故本設計使用了一個切換開關來對步進電機的旋轉方向進行切換。初始默認狀態為順時針旋轉。同時增加了方向指示燈。步進電機啟停切換及狀態顯示電路設計DRV8811有一個步進電機啟停控制引腳RESETn—17，該引腳為低電平時，復位DRV8811，步進電機停止旋轉；該引腳為高電平時，啟動DRV8811，步進電機開始旋轉。在電機運行時，用LED狀態燈顯示其運行狀態。
脈沖信號輸入電路DRV8811有一個步進電機電脈沖輸入引腳Step—19，該引腳接控制器的脈沖輸出。本設計中，需要調節主控制器的輸出脈沖頻率從100Hz～1000Hz可調，因此設計了4個輸入按鈕，分別用于輸入脈沖頻率的個位、十位、百位和千位。控制器的檢測信號為s1—s4，按鈕沒有動作時，輸入信號通過上來電阻被拉到高電平，當按鈕有動作時，檢測到輸入變為低電平，從而對應相應的動作。每次按鈕動作，對應的位加1，程序設計最高顯示至1000。DRV8811主電路設計步進電機驅動器芯片DRV8811的電路設計中RCA和RCB的外接并聯電阻和電容值的乘積為恒流斬波電路的PWM輸出脈沖頻率。可調電阻R即用來設定步進電機定子繞組上的電流，從而達到了設計需求中的電流可調的要求，另一個作用是作為電流檢測電路的采樣電阻，用來實現步進電機定子繞組的恒流。驅動總電路設計結合以上分析，控制采用AT89S52。
二、總結與展望
總結本文所做的主要研究工作和取得的成果總結如下：（1）在闡述了步進電機的概況基礎上，結合課題的需求，提出了開發某型掃描器的步進電機的驅動電路的項目設計目標；（2）根據需求分析，完成了采用專用集成步進電機驅動芯片來完成步進電機驅動電路的設計，采用專用集成步進電機驅動芯片設計步進電機驅動電路更簡單易行。
三、展望
篇2
關鍵詞:步進電機;驅動控制;多芯片模塊;工作模式
中圖分類號:TP23 文獻標識碼:A
文章編號: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
步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行設備,是現代機電一體化產品中的關鍵部件之一。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、控制簡單等特點廣泛應用于數控機床、包裝機械、計算機設備、復印機、傳真機等機電一體化產品。相應的步進電機驅動器也得到了快速的發展和改進\。但是目前在工業應用中,多數驅動器體積較大,通用性不強,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多芯片模塊設計步進電機的驅動電路,為步進電機提供穩定的輸出電流,并通過試驗和實際使用驗證了其通用性強、控制簡單、可靠性高的特性。
1 步進電機特點及驅動
步進電機受脈沖電流控制,每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。轉子的角位移正比于輸入脈沖的數量,轉子的角速度正比于輸入脈沖的頻率,轉子的旋轉方向取決于定子繞組的通電順序。在使用過程中步進電機有一定的步距誤差,但沒有累計誤差。若維持控制繞組的電流不變,則步進電機就可停在某一位置不動。其按力矩產生的原理可分為反應式步進電機和激磁式步進電機。按輸出力矩大小可分為伺服式步進電機和功率式步進電機。
由于步進電機是屬于感性器件,感抗與其輸入頻率是成正比。假設步進電機的轉速增加,其感抗也會增大。該狀態下流入電機線圈的電流就會減小,電機的輸出扭力達不到要求輸出,嚴重的情況下會造成電機失步或者電機只振動不轉。這就要求其驅動電路能夠提供穩定的輸出電流,使步進電機具有穩定的轉動。一般設計中步進電機驅動都用采用三極管或者是用ULN2803IC等來驅動,這些驅動在實驗板或一些轉速不高、帶動負載小的應用場所使用比較合適,在實際工作設計中遠遠達不到所需要求。針對這些問題,各大公司陸續推出了專用的步進電機驅動芯片,簡化其驅動設計。Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊就是一款性能使用簡單控制優良的步進電機控制模塊,該多芯片模塊能為步進電機提供穩定的輸出電流,使電機能夠穩定的轉動。
2 步進電機驅動設計
SMA7029M是專為高效率、高性能的兩相單極步進電機設計的多芯片模塊,它采用功率FET技術和單片邏輯控制電路對完成步進電機的運動控制。同一系列的還有SLA7024M和SLA7026M,三個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結構及驅動設計
SMA7029M內部主要包含電流峰值檢測部分,PWM關閉時間控制部分,電機邏輯控制部分,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前最大電流,根據其結果控制PWM工作時間,最終達到控制整個芯片組輸出電流的目的。
圖1 SMA7029M的內部結構及電路
圖1也給出基于SMA7029M芯片組電機驅動設計的電路,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 邏輯控制關系
SMA7029M可以通過外部邏輯控制實現電機狀態的改變,表1給出了詳細的控制方式及輸出結果。
表1 SMA7029M半步進操作狀態
Sequence狀 態
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,連接關系見圖1所示。從表1中可以看出,不同控制關系下輸出的不同狀態轉移,A和B兩個通道可以獨立控制,例如在狀態0及狀態2下A,B通道分別獨立工作,而在狀態1下二者可以同時工作。
2.3 工作模式選擇
通過改變圖1中外部元器件取值來設置PWM電流啟動點。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,相應地選擇合適的電阻。在正常PWM模式(滿電流工作)下,Iout需要設置到電機工作所需的滿電流,它由式(1)決定:
Iout=R2R1+R2•VbRs
(1)
為了使輸出電流可調,可以將圖1中的固定電阻R2改用可調電位器。在保持電流模式下,圖2增加電路可以減小步進電機的電壓。
其中外部三極管可以改變分壓比,使參考電壓Vref發生變化,從而減小輸出電流。此時的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 語
步進電機驅動作為現代機電一體化產品中的關鍵部件之一,在當今社會中發揮的作用越來越重要,從數控機床、包裝機械到電腦的裝置、機器人系統、儀表儀器等各種信息工業產品中,都離不開步進電機,進而也對其驅動電路設計提出了進一步的要求。本文以Allegro公司的SMA7029M多芯片模塊為核心,實現了一種控制簡單、成本低廉的兩相單極性步進電機驅動器,通過設計合適參數控制步進電機輸入電流。通過在包裝機控制系統中的實際使用,進一步證明了該步進電機驅動器工作可靠,效率高,矩頻特性好,可以廣泛應用于小型機電一體化設備中。
參考文獻
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篇3
【關鍵詞】步進電機；細分驅動；單片機；電流控制
1.步進電機工作原理及分類
步進電機是一種特殊的直流同步電機，它由電脈沖信號進行控制。脈沖的個數決定了步進電機的轉角，而脈沖的頻率則決定了步進電機的轉速，且二者均為正比關系。
步進電機的分類方法很多，下面僅介紹按照勵磁方式的分類。
（1）永磁式步進電機。該類型的步進電機內部有轉子和定子，其中的轉子由永磁體制造而成。通過對其定子繞組的通電形成電磁場，從而帶動轉子運動。這一類的步進電機多為兩相，步距角多為7.5°或15°，常見于醫療設備等場合。
（2）反應式步進電機。該類步進電機由磁性轉子通過與定子形成的磁場相互作用形成運動。其轉子上均勻分布很多小齒，定子有三個勵磁繞組，其運動原理為“錯齒”。由于小齒加工困難，所以單段反應式步進電機的相數不能很大，多見有三相、四相、五相。相數更多時電機的制作成本過高，因此相應產品很少見。另外一種就是多段反應式步進電機，其特點就是將定子分布在一根長軸上。此類步進電機的缺點是電機的長度、重量很大，因此成本也很高。
（3）混合式步進電機。混合式步進電機綜合了永磁式步進電機和反應式步進電機的優點，可以提供更好的機械性能。其定子鐵心結構與反應式步進電機相同，可以分為幾個大齒，每個大齒上銑有若干小齒。而控制繞組則與永磁式步進電機相同。比如兩相步進電機的步距角可以達到1.8°。而隨著電機相數的增加，其步距角可以達到更小，提高了電機的工作精度，因此該類步進電機使用范圍更加的廣泛。
2.常見步進電機驅動系統及驅動技術
步進電機的驅動系統可以大致歸類為硬件實現與軟件實現兩種。
硬件實現類由脈沖信號控制器、硬環分電路、驅動電路三部分組成。其中脈沖信號控制器作用是產生脈沖信號，硬環分實現脈沖的分配，驅動電路是將硬環分電路的輸出信號隔離放大，以驅動步進電機的運行。此類系統可以作為開環使用，其設計簡單，成本較低，運動平穩，可以實現初步的細分驅動。缺點在于一套系統僅能驅動一個電機，系統的靈活性、可移植性均很差。
軟件實現類是目前常用的方式。在這類系統中，控制信號的產生和分配由單片機或者PLC實現并輸出，然后通過隔離電路、信號放大電路完成對電機的驅動。這類系統的靈活性很高，可以快速適用于不同的控制系統。同時由于單片機和PLC可編程，因此可以實現一些復雜的控制算法。同時隨著集成電路等技術發發展，單片機的性能越來越好，其內部集成了PWM模塊、A/D模塊等，可以更加方便地實現步進電機驅動系統的設計與實現。
常見的步進電機的驅動技術主要有單電壓驅動、單電壓串電阻驅動、高低壓驅動、恒流斬波驅動、升頻升壓驅動和細分驅動等。
其中高低壓驅動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繞組中的電流的步進電機驅動方式。這樣的方法實際上是加大了系統傳遞到繞組中的電流從而提升了電機的整體機械特性。但是在高壓結束和低壓開始的時刻會產生電流的短暫降低，導致局部機械特性的損失。這種方式在實際中仍有應用。
所謂恒流斬波驅動，就是利用斬波電路將繞組的電流限制在期望電流附近，從而實現“恒流驅動”。且由于電流在額定電流附近波動，電機的機械特性較好。但是斬波電路的電流紋波大，噪聲也比較大。
細分驅動是指在切換脈沖時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現驅動電流的同時或切斷。比如將一電機進行n細分驅動，則電流增大或減小n次才能實現完全的切斷或通入。這樣可是使定子磁場在旋轉過程中出現多個穩定的狀態，從而將步距角細分n份，提高了步進電機的分辨率，使得電機能夠更加平穩地運行。
兩相四線步進電機的常規驅動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。其中兩相八拍的運行模式是2細分驅動，因此兩相八拍的運行模式更加地平穩，且精度高。細分運行狀態下，A-A'相中與B-B'相中的電流的數值和始終為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，而是細分成四個小的階躍變化。而穩定的磁場狀態由原來的4個變為現在的16個，也就是增加了12個中間的穩定狀態，因此電機的運行更加平穩，而步距角相應的變為原來的1/4，電機的分辨率更高，也就是精度更高。
步進電機的電磁轉矩計算公式為：Te=pImM（iAcosθ-iBsinθ）
式中，Te為電磁轉矩，p為電機轉子的齒數，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為電機軸預置位置的電角度。
則電磁轉矩可改寫為
Te=pImMIsin（α-θ）
但是必須注意的一點是，電磁轉矩實在對電機的數學模型進行了簡化后計算得到。在一般場合下，電磁轉矩可以認為是步進電機的輸出轉矩。但是在一些高精度場合還要考慮到摩擦、電樞自身轉動慣量對電機輸出力矩的影響。如果步進電機作為直驅電機使用時，還要考慮電機與被驅動對象間連接件的剛度、轉動慣量等影響。
由于電機出廠后，它的電氣特性和機械特性已經確定。在不改變電機的結構的前提下，通過細分驅動仍能將電機的性能大大提升。控制電流的基本思路是進行電流的閉環控制，而電流則有一輸出電流可控的逆變電源獲得。當實際值小于理想值時，增大開關管的導通時間，電流變大；實際值大于理想值時，減小開關管的導通時間，電流變小。
3.單片機驅動系統的設計與實現
硬件電路采用模塊化設計，分為電源、主控電路、電流檢測、隔離電路、電機驅動電路。
系統使用STC12C5A60S2做為主控芯片，這是一款國產芯片，指令周期1T，內置PWM、AD模塊，最高可工作在24MHz的頻率下，有DIP40封裝和PQFP44封裝，以適應不同的尺寸需求。這款芯片完全能夠滿足本系統的應用需求。
隔離電路使用PLT521光耦設計完成。使用光耦是為了避免電機運行期間對主控板造成干擾。PLT521是一款常用的光耦芯片，由于步進電機工作的頻率不高，因此該芯片的速度完全能夠滿足。
電機驅動模塊使用L298設計完成，L298內置雙H橋，能夠結構TTL信號作為邏輯信號。其輸出端最高電壓可達42V，電流最大2.5A，開關頻率可達40KHz。由于實驗中所使用的步進電機功率較小，因此L298可以滿足需要。如果需要驅動較大功率的或相數更多的步進電機，可采用分立開關元件自行搭建H橋驅動電路。
開機運行后，程序即循環檢測按鍵輸入的指令。當檢測到鍵盤輸入的命令與當前單片機內保存的命令不同時，即更新保存的命令并重新計算控制參數；若沒有檢測到輸入或輸入與前次相同，則控制參數不變，進入電流檢測環節，然后根據檢測到的電流生成相應的PWM波形。
另外電機都有固定的額定工作電流和最大超載電流，當檢測到的電流超過最大超載電流后，應立即關斷電機，從而保護電機及其驅動的對象。這個功能可以由硬件電路實現，但是考慮到系統的通用性，因此將該功能改成由軟件實現。
【參考文獻】
[1]郭天祥.新概念51單片機C語言教程.2009，1.
篇4
關鍵詞：PLC 組態 HMI 步進電機
中圖分類號： TM383.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）11-0000-00
一種基于PLC和組態的步進電機調速系統，其控制方案由硬件與軟件相結合的形式實現。其控制方式變得直觀且容易操作，可以實現對步進電機的調速功能。
1 步進電機驅動電路設計
1.1 步進電機原理及其控制
步進電機因為其工作的方式與特點，又被稱之為脈沖電機，是被廣泛應用于數字控制系統中的電機。步進電機的作用是將接收到的脈沖轉化為具體的角度偏移或線性移動。控制步進電機的方法，一般是通過控制輸送到其驅動器的脈沖個數，從而實現控制角位移；通過控制輸入驅動器的脈沖的周期來達到改變步進電機的轉速，實現調速。被廣泛應用于各種開環控制系統中。
1.2 步進電機的控制方式
步進電機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，基于單片機的控制系統以及基于PLC的控制系統。基于電子電路的步進電機控制系統，電路簡單；基于單片機的步進電機控制系統是實現硬件與軟件相結合的控制方法，通過編寫程序的方式實現脈沖分配，電路設計簡單，但卻有著工作不穩定的缺陷。基于PLC步進電機控制系統，由PLC、環形脈沖分配器和功率放大電路構成。對PLC進行軟件編程使其輸出所需數目的電脈沖信號，通過改變步進電機的轉動角度，來實現控制伺服機構的移動量。同時使用PLC程序編輯控制輸出電脈沖信號的頻率來實現調速，從而實現改變伺服機構的移速。
1.3 THB6064AH芯片
THB6064AH芯片為日本東芝半導體公司推出的兩相混合式步進電機驅動芯片，擁有高細分、衰減方式連續可調、大功率、溫度與電流過保護功能。步進電機的驅動電路功能主要有兩個，分別為脈沖分配與功率放大。上位機輸入的脈沖信號，經過環形脈沖分配器進行脈沖分配，經過功率放大電路對脈沖信號驅動能力進行放大，從而實現控制步進電機。
2硬件電路設計
通過腳3腳4的輸入電壓實現對衰減方式的控制，從而可以達到更好的驅動效果；腳5為電流輸出設定端以及參考電壓設置端，輸入的電壓以及電流大小進入恒流斬波電路的比較器中，實現對輸出電流大小的控制；腳7、8、9為細分數選擇端，通過輸入不同的數值可以選擇細分模式，實現對步進電機的細分控制，使步進電機運行更加平穩；腳18為使能端Enable，當使能端輸入為0時無脈沖輸出，輸入為1時正常工作，由此實現對電機啟停控制。
通過調節Vref端口的變阻器使調節輸出電流的大小。OSC2端口控制電流的衰減管段時間，通過串聯一個電阻來與內部電路形成RC振蕩回路。參考電機工作時輸入的脈沖頻率，選擇40KHz時衰減關斷，所以對應接51KΩ的電阻串聯。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，以實現更好的驅動。經過測試后選擇40%的快衰減模式可以使電機運行效果更為優秀，所以DY1輸入高電平，DY2懸空。M1、M2、M3為細分數控制端，通過改變M1、M2、M3的輸入電平來改變步進電機的細分數。細分越高，步進電機的運行更加平滑穩定，可以減小步進電機震蕩。本次設計所采用的為32細分，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。SGND、PGNDA、PGNDB接24V地線，VMA、VMB為電機驅動電源，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為復位輸入，通過PLC輸出來使步進電機的轉子在電機運行前復位，使其不會出現錯步的現象；EN為使能端口，由PLC輸出控制，實現電機的啟停控制；CLK與CW端口分別為脈沖信號輸入端口與方向信號輸入口，PLC通過向這兩個端口發送脈沖信號和方向信號，實現控制步進電機的調速與正反向控制。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電阻，使電壓合適THB6064AH的工作電壓。
3 PLC程序設計
3.1 工藝對象組態
在PLC1200系列中，用戶可通過添加工藝對象來控制電機，實現對給進機構的控制。通過定義工藝對象中的參數，即可實現對給進機構進行控制。在工藝對象中可以定義給進機構的導程，在運動控制模塊中無需通過計算所需發出的脈沖數量與頻率自動進行計算后再進行輸出，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完成動作。
3.2 運動控制模塊
PTO模塊是集成在運動控制模塊中。當用戶需要使用高速脈沖輸出時，通過組態工藝對象、調用運動控制模塊即可實現高速脈沖輸出功能，從而實現控制機械給進。通過控制MC_Power的使能狀態即可控制運動控制模塊的使能，實現對步進電機的起停控制。Axis為控制軸，輸入軸編號接對對應的軸進行控制。
4 結語
通過測試可以正常運行。重新接線后通電，通過HMI控制PLC輸出脈沖，脈沖經過自制THB6064H電路后驅動電機，可實現調速功能，步進電機調速系統正常。？
參考文獻
篇5
關鍵詞： 數控機床； 步進電機； STM32F103； 控制模塊
中圖分類號： TN876.3?34； TH39 文獻標識碼： A 文章編號： 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
步進電機是一種能夠實現控制信號數模轉換的控制設備，與其他控制設備相比，其擁有控制誤差不累計、魯棒性強等優點。在強調自動化辦公的當今社會中，步進電機被廣泛應用于數控、計量、器械等領域[1?3]。在數控領域中，步進電機以其穩定的控制水平成為數控機床中的核心控制設備。但在傳統的數控機床步進電機控制模塊無法有效協調步進電機速度參數間的關系，控制精度不高。現如今，數控領域對數控機床中步進電機高精度控制模塊，產生了較大的需求[4?6]。
控制精度包括響應效果、控制誤差和控制成果，傳統的數控機床步進電機控制模塊均無法完全實現高精度控制。如文獻[7]基于電磁鐵設計數控機床步進電機控制模塊，其將電磁鐵產生的電磁扭矩作為控制媒介，實現對被控對象的有效控制。但電磁鐵易受干擾，將導致整個模塊的魯棒性被破壞，故其響應效果、控制誤差和控制成果均不好。文獻[8]基于單片機設計數控機床步進電機控制模塊，該模塊利用單片機較為強大的控制性能，結合部分外接電路，實現了對被控對象的有效控制。其響應效果和控制誤差較好，但在多線程控制下單片機耗能較大，導致控制信號不穩定，故模塊的控制成果不好。文獻[9]設計基于電子電路的數控機床步進電機控制模塊，電子電路產生的控制信號可直接被步進電機所使用，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雜，故只適用于控制策略較為穩定的被控對象。文獻[10]設計基于可編程邏輯控制器的數控機床步進電機控制模塊，可編程邏輯控制器的本|就是工業計算機，其價格便宜、使用簡單，具有較強的實用性。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步進電機的速度進行控制，具有較高的響應效果和控制成果，但該模塊的控制誤差不易控制。
根據上述內容可知，若想使數控機床步進電機控制模塊實現高精度控制，需要選擇性能高、成本低的控制器，并結合特定方法有效協調步進電機的速度關系。現基于STM32F103微控制器和綜合線性速度控制函數，設計數控機床步進電機高精度控制模塊。
1 數控機床中的步進電機高精度控制模塊設計
1.1 模塊整體方案設計
所設計的數控機床步進電機高精度控制模塊采用STM32F103微控制器作為其硬件控制核心，并結合綜合線性速度控制函數，提高模塊響應效果和控制成果，縮減控制誤差，最終實現高精度控制。圖1為模塊硬件結構圖。
圖1 模塊硬件結構圖
由圖1可知，控制工作開始后，STM32F103微控制器將給出控制步進電機運行流程的控制指令，該指令的實施由現場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，FPGA）實現。FPGA根據指令生成控制信號，對步進電機的初始化和速度進行控制。STM32F103微控制器也將對FPGA給出的步進電機運行狀況信息進行接收和顯示。
由于在實際應用中，數控機床中的步進電機往往不止一臺，因而，所設計的數控機床步進電機高精度控制模塊選用FPGA的一項重要因素就是：FPGA能夠對多臺數控機床實施同時控制，并可以對控制指令進行精準分配。這對提高模塊響應效果、縮減模塊控制誤差具有決定性作用。
由于步進電機只有在驅動器存在的情況下才能正常運行，故FPGA與步進電機并非直接相連。FPGA先將控制信號傳輸給步進電機驅動器，步進電機驅動器根據控制信號中控制位置的排序，依次將步進電機所需的控制電流導入步進電機，以實現對被控對象的準確控制。在所設計的數控機床步進電機高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是Σ澆電機的運行流程進行采集。其將所采集到的信息傳輸給FPGA，FPGA對信息內容進行判斷，得出步進電機的具體運行結果，并將其傳輸給STM32F103微控制器，實現STM32F103微控制器對步進電機運行流程的實時監控和修正。
1.2 STM32F103微控制器設計
STM32F103微控制器是一款對8位單片機進行優化后產生的32位控制器，其價格便宜、便于攜帶，并擁有很強的控制能力，在運算速度和轉換效率上比8位單片機有很大提升。STM32F103微控制器擁有低耗、高兼容性和高通信能力等優點，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工作模塊，分別是標準工作模塊、節能工作模塊和休眠工作模塊，用戶可根據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，可進行多方信號的同時、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晶振電路，分別為其提供高速標準計時和低速精準計時，晶振Y的規格為10 MHz。電容C1和C2的主要功能是對晶振Y進行激勵。
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、數據傳輸接口供能以及計算機軟件接口供能。電容C1和C4的規格為0.1 μF，C2，C3的規格是10 μF。考慮到電路中的電能損失，電源電路所提供的電能是5 V，故需要對電源電路的電壓進行轉換，所使用的轉換器是LT1117穩壓管。
1.3 FPGA設計
所設計的數控機床步進電機高精度控制模塊選用的FPGA擁有210個引腳和148個輸入/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 ℃]的范圍下運行。FPGA擁有兩種工作模式，分別是內部測試和分頻測試，其價格便宜、控制成果好，能夠實現對步進電機的高精度控制。圖4為STM32F103微控制器與FPGA的接口連接圖。
由圖4可知，FPGA擁有5個輸入線接口和20個輸出門接口，微控制器的虛擬內存用來進行控制指令地址的傳輸，線接口用來對控制指令進行重置、鎖定、編譯、寫入和只讀。門接口0～7可對8個步進電機進行同時控制。FPGA的內部測試和分頻測試將相互結合使用，對STM32F103微控制器中控制指令進行信號轉換，FPGA輸出的控制信號格式為數字脈沖信號。
由于數控機床要求步進電機的運行流程必須包括初始化、加減速運轉、穩定運轉和休眠，故FPGA需要先對STM32F103微控制器中晶振電路的計時輸出進行分頻，再進行信號轉換。經轉換后獲取的控制信號將傳輸給步進電機驅動器進行進一步操作。
1.4 步進電機驅動器設計
由于FPGA給出的控制信號能量不高，無法喚醒步進電機，故利用步進電機驅動器對FPGA的控制信號進行放大。步進電機驅動器根據控制信號中控制位置的排序，依次將控制電流導入步進電機，保證數控機床中步進電機的正常運行。圖5為步進電機驅動器電路示意圖。由圖5可知，數控機床步進電機高精度控制模塊所選用的步進電機驅動器型號是雙相細分驅動器，這種型號的步進電機驅動器擁有精度高、噪音小、便于攜帶的優點。電路中的時鐘接口選用的是光電耦合信號控制器，有效縮減了設計成本，并且操作更為簡單。當12 V電源的輸出是穩定電流時，步進電機將進行反相轉動運行；無電流輸出時，步進電機則進行正向轉動運行。
步進電機驅動器對FPGA控制信號的放大工作是循環進行的，分區接口與方向控制信號器相接，作用是對控制信號中控制位置的排序進行依次讀取與準確輸送。接口1與接口2則與數控機床中的步進電機直接相連，最終實現數控機床步進電機高精度控制模塊對被控對象的準確控制。
2 步進電機高精度控制模塊軟件設計
在傳統的數控機床步進電機控制模塊中，通常選用直線或拋物線對步進電機進行加減速控制。其中，直線速度控制函數的運算量小、效率高，所以模塊對被控對象的響應效果較好，但控制誤差和控制成果不高。而拋物線控制函數的運算量大，模塊的控制誤差較小，響應效果卻不好。為此，所設計的數控機床步進電機高精度控制模塊選用了綜合線性速度控制函數，將直線和拋物線的優點結合起來，摒棄二者缺點，實現模塊對被控對象的高精度控制。
當步進電機處于加速運行時，其加速函數分為三個階段，依次為拋物線、直線、拋物線，則有：
式中：為直線加速度；為直線方程與坐標軸的交點位移；為拋物線斜率；為加速時間；為步進電機初始速度；和分別是第一次和第三次加速拋物線的參數。將步進電機加速拋物線的總參數設為，則：
此時，步進電機在直線、拋物線1和拋物線2的加速階段速度，，滿足如下關系式：
此時，三個加速階段所能獲取的控制指令數量為：
根據式（1）～式（5）可得，當STM32F103微控制器發出第個控制指令，該指令與三個加速階段中加速時間的關系式為：
通過調節式（6）中的各項參數，能夠有效協調步進電機的速度關系，對模塊獲取優良的響應效果、控制誤差和控制成果，實現高精度控制具有一定的推動作用。
當步進電機處于減速運行時，其減速曲線和加速曲線是互為對稱的，運算方式與加速函數相近。
3 實驗分析
實驗利用對比方式對本文模塊、單片機控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊的響應效果、控制誤差和控制成果進行分析，確定本文模塊能否較好地實現對被控對象的高精度控制。在數控機床中，其主要被控對象為機器轉速和位移，令三個模塊在同等條件下對實驗機器的轉速和位移M行控制。
3.1 響應效果分析
將本文模塊、單片機控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊對實驗機器轉速、位移的響應時間繪制成曲線，如圖6、圖7所示。響應時間越短、越穩定，則模塊的響應效果越好。由圖6、圖7可知，各數控機床步進電機控制模塊對機器轉速的響應效果要好于對機器位移的響應效果，差值在3 s左右。本文模塊的響應時間曲線要明顯低于其他兩個模塊的響應時間曲線，且曲線的穩定性更強。由此可得出，本文模塊具有優良的響應效果。
3.2 控制誤差分析
各數控機床步進電機控制模塊的控制誤差是根據步進電機的數據轉矩確定出來的，這是因為轉矩的不確定性較大，能夠對其進行準確控制的模塊，模塊的控制誤差必然較小。
在實驗給出的控制指令中，步進電機的輸出轉矩應為1.8 kg?cm。在步進電機頻率不斷增加的情況下，其輸出轉矩越貼近該數值，證明模塊的控制誤差越小。實驗結果如圖8所示。
由圖8可知，在三個模塊中，本文模塊的步進電機輸出曲線與控制指令中的1.8 kg?cm轉矩標準最為接近。由此可得出，本文模塊具有優良的控制誤差。
3.3 控制成果分析
數控機床步進電機控制模塊的控制成果是指，在模塊控制下由實驗機器產生的加工元件。加工元件的規格越接近控制指令的目標規格，則模塊的控制成果越好。根據上述定義，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[97.6%，99.8%]，較其他兩個模塊而言，本文模塊具有優良的控制成果。
4 結 論
本文設計數控機床步進電機高精度控制模塊，其采用STM32F103微控制器作為硬件控制核心，并結合綜合線性速度控制函數、現場可編程門陣列、步進電機驅動器和光柵傳感器，以提高模塊響應效果和控制成果、縮減控制誤差為設計目標，最終實現模塊的高精度控制。實驗將本文模塊與單片機控制模塊，以及可編程邏輯控制器控制模塊的響應效果、控制誤差、控制成果進行對比。實驗結果表明，所設計的模塊具有優良的響應效果、控制誤差和控制成果，可較好地實現模塊對被控對象的高精度控制。
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篇6
【關鍵詞】步進電機；細分驅動；多模式；數據存儲
1.引言
步進電機驅動器是步進電機控制系統的核心，步進電機能否更好的應用，很大程度上取決于步進電機驅動器的水平。伴隨著步進電機的產生，步進電機驅動器就一直在不斷發展和進步，目前國內外步進電機驅動器種類很多，但是大部分功能比較單一，很多是針對固定的步進電機或者固定的應用領域，而且價格一般較高，很多不帶細分功能，很難滿足現實生活中需要靈活應用且成本較低的場合。
本設計的目的就是解決現實生活中需要靈活應用和低成本的問題，并且是使用應用最廣泛的混合式步進電機而制作的步進電機控制器，步進電機采用三洋公司的2-4相兩用混和式步進電機。系統可以實現正反轉控制，多模式選擇，圈數、速度設定和存儲，速度調節范圍寬，低速自動細分，輸出轉矩大且可調，各種數據的液晶顯示，過熱和掉電保護等功能。
2.設計分析與方案的確定
2.1 設計方案
方案1：細分完全靠軟件實現，驅動電路采用三極管和A/D轉換芯片；脈沖用單片機的定時器產生；顯示采用數碼管；存儲采用單片機內部的特殊存儲單元。這種方法側重于軟件設計，當脈沖太快時，定時器中斷就會和細分程序產生沖突，造成程序的混亂；存儲的數據容易丟失；顯示內容比較單一；控制的實時性不易保證，調試也比較煩瑣，可靠性較低；而且效率較低，大部分能量消耗在三極管得發熱上。
方案2：驅動電路采用東芝公司最新推出的步進電機驅動芯片TB6560AHQ，它內部集成雙全橋MOSFET驅動；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細分方式；內置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護；配合單片機可以實現自動細分、電流和力矩自動控制、過流和溫度過高自動保護等功能。掉電存儲電路采用Atmel公司的AT24C04（EEPROM）；顯示電路采用1602液晶顯示模塊；輸入設備采用4*4矩陣鍵盤。
2.2 方案對比及確定
用分立元件做的驅動電路比較復雜，調試繁瑣，如果設計的電路稍有瑕疵，就會造成故障率急劇上升，效率較低，很大一部分能量浪費在驅動電路上，而且很難實現細分和正弦波電流驅動。集成芯片驅動方式具有電路簡單，調試容易，穩定性高，效率高，體積小，功能齊全等優點，能做到自動細分和正弦波電流驅動，但是功率一般不能做的很大。
當速度增大時單片機定時器中斷較快，因此細分不能全部用軟件實現，若使用三極管和A/D轉換芯片時必須大量依靠軟件實現細分；圈數和速度必須牢靠的存儲起來，方便應用，因此必須使用專業的掉電存儲芯片；使用中必須實時顯示速度和圈數，因此應該選用能顯示多個數據的1602液晶顯示模塊；使用中對穩定性和實用性有很高的要求，使用集成芯片電路簡單、功能強大，可以把單片機大量的資源用在其他地方，不僅增加了系統的整體穩定性和實用性，而且還能增加許多其他功能，使系統的實用性更強。
所以綜合以上情況考慮，選用方案2來設計步進電機智能控制器。總體設計框圖如圖1。
3.主要模塊設計
3.1 驅動模塊
3.1.1 TB6560AHQ簡介
TB6560AHQ是東芝公司最新推出的步進電機驅動芯片，通過采用BICD工藝將低電阻與高許可損耗封裝相結合，使其與其它同類產品相比能夠極大減少熱量的產生，還能支持使用時鐘輸入控制的無微控制器應用環境下的微步驅動。自動產生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度步進電機控制芯片相比，在相同高轉速下力矩不但不會下降，反而有所增加；支持各種步進電機選型。
TB6560AHQ的主要特點有：
內部集成雙全橋MOSFET驅動；
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細分方式；
內置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；
具有過流保護。
3.1.2 硬件電路的設計及驅動原理
驅動芯片硬件電路如圖2。
工作原理如下：M1（22）和M2（23）引腳通過單片機的程序控制細分，共有2、8、16三種細分模式，CW/CCW(21)引腳控制電機的正反轉，當需要正轉時單片機P1.2輸出高電平，需要反轉時輸出低電平；PROTECT（19）引腳是芯片的保護輸出端，當芯片正常工作時由于上拉電阻的作用，單片機P1.3口采集到高電平，當芯片過熱保護時，把單片機P1.3口拉低，此時可令程序斷開所有輸出，從而保護芯片；MO（17）引腳是芯片初始化引腳，芯片初始化結束后會輸出低電平，通過這個引腳單片機可以查詢芯片初始化是否結束。
TQ2(1)和TQ1(2)控制驅動芯片的輸出電流，通過這兩個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%。改變電機的驅動電流也就改變了電機力矩的大小。
DCY2（24）和DCY1（25）是電流衰減模式控制端，通過這兩個端的選擇可以選擇不同的衰減模式，具體模式如表2。可以通過J3和J4跳線選擇0、25%、50%和100%四種衰減模式。
由于電機本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進電機可能會產生高頻噪聲，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。當所驅動的步進電機固定后，電容值也隨之確定。
當單片機上電后，在初始化程序中對芯片進行復位(把RESET(5)拉低，然后再置高電平)，當檢測到M0(17)出現低電平時，表示芯片已經初始化。然后根據按鍵輸入或者24C04存儲的信息輸出脈沖，芯片在脈沖的作用下產生正弦波驅動電流，驅動步進電機運轉。在芯片運行期間，保持ENABLE(4)引腳為高電平；當按下停止鍵或者PROTECT（19）引腳出現低電平時，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
驅動芯片的控制程序采用C語言進行程序設計，便于主程序的調用，程序流程如下：
⑴初始化TB6560AHQ；
⑵根據速度的大小定義芯片細分管腳；
⑶發送脈沖和正反轉信號；
⑷監控芯片保護端，當溫度過高時自動斷開所有輸出。
驅動芯片的細分程序流程圖如圖3所示。
驅動芯片TB6560AHQ自帶2、8、16三種細分模式，單片機通過M1（22）和M2（23）兩個引腳可以實現對細分的控制。在程序設計中定義了一個細分標志位t2，當執行完上述程序后t2會自動的被覆上細分值，在圈數程序處理單元，把t2自動的乘上，因此就能實現在細分情況下，速度和圈數的準確對應。
3.2 掉電存儲模塊
3.2.1 硬件電路設計
掉電存儲模塊采用ATMEL公司生產的AT24C04芯片，它的容量是512字節×8位，既4k位，對于本系統來說已經足夠了。電路的連接如圖4所示。
電路中的SDA接單片機的P3.0口，SCL接單片機的P3.1口，由單片機模擬I2C的工作與存儲芯片進行通信；上拉電阻如4圖所示，選用5.1k的普通電阻。
3.2.2 軟件程序設計
3.3 顯示模塊
3.3.1 硬件電路的選擇與設計
顯示電路使用RT1602C顯示模塊，其接線圖如圖5。
3.3.2 顯示設置
本設計中，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應顯示模式、圈數。
設計中采用P2口作為數據口；采用P3.5、P3.6、P3.7三個接口作為控制接口，通過設置電平高低控制1602的工作狀態。
3.4 單片機最小系統模塊
3.4.1 硬件電路中晶振選擇
單片機的電路選擇：因為步進電機運行時的速度靠定時器的定時中斷產生，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 定時器初值計算
根據所用步進電機(三洋公司的2-4相兩用混和式步進電機)的資料進行分析和現場試驗得出：當用四相四拍方式運行時，每個脈沖周期走過1.8°，也就是200個脈沖周期走一圈；當用兩相兩拍(本設計所選驅動芯片驅動方式)時，每個脈沖周期走過0.9°，也就是400個脈沖周期走一圈。當使用細分驅動時，脈沖數還要乘上細分數。
因此可以得出公式如下：
S=M/(400*N) (1)
式中：S—速度，單位：圈數/分；M—定時器每分鐘產生的脈沖數；N—細分數，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；定時器定時時間：T=P/2。
根據公式(1)和公式(2)可以得出：
T=10000*N*S/3 (3)
根據定時器計算公式：
T=(65536-T0初值)*振蕩周期*12 (4)
式中：T0—定時器初值；振蕩周期—1/24MHZ。
根據公式(3)和公式(4)可以得出：
T0初值=65536-20000*N*S/3 (5)
當S=100轉/分，T=2.5ms；當S=200轉/分，T=1.5ms。
根據定時器計算軟件，根據T可以得出對應的定時器T0初值。因此把T0初值和S帶入公式(4)，并經過修正，可以得出：
T0=65536-150000/S+630 (6)
這樣就可以根據速度自動求出定時器初值：
TH1=（65536-150000/S+630）/256；
TL1=（65536-150000/S+630）%256。
3.4.3 圈數計算
由3.4.2的介紹可以得出每400個脈沖周期走一圈。當使用細分驅動時，脈沖數還要乘上細分數。可以在程序中設置一個標志位，標志位初值為0，每產生一個定時器中斷，標志位就自動加1，當標志位的值和400*N(N：細分數)的值相等時，就表示走過了一圈，此時圈數自動減1或者加1，標志位自動清零。
3.5 按鍵模塊
使用4*4矩陣鍵盤作為輸入設備，[4]硬件電路如圖6，可以很方便的輸入各種數據和執行各種操作，方便用戶使用。
其中數字鍵10個，用來輸入圈數和速度值、模式選擇鍵1個，用來選擇模式(共有2種模式：模式1和模式2。模式1能進行存儲；模式2不能存儲)、正轉鍵1個，按下后電機正轉、反轉鍵1個，按下后電機反轉、停止鍵1個，按下電機停止轉動、確定鍵1個，用來把輸入的圈數和速度值寫進程序的相應位置、調整鍵1個，按下后進行速度和圈數的設定。
由于按鍵較多且各自都具有自己獨立的功能，在聯合調試時經常出現按鍵混亂的現象，因此解決的辦法是在程序中增加按鍵判斷標志位，當進行設置速度、圈數時用對應標志位屏蔽正、反轉按鍵，當電機運行時用標志位屏蔽設置按鍵的操作。
4.主程序設計
主程序模塊中包含了系統初始化、速度和圈數采集、定時器初值計算、按鍵的判斷、驅動芯片控制、以及各個模塊的調用等。其中定時器用的是單片機16位的定時器3。主程序流程圖如圖7所示。
5.聯合調試
5.1 細分的實現
步進電機細分技術是步進電機控制器的重要性能指標，細分可以有效降低步進電機運行時的震動和噪音，特別是低速狀態下。
但是，當電機需要高速運轉時，過多的細分會限制速度的提高，而且，在電機高速運轉的時候細分的效果已經不太明顯，因此，什么狀態下細分、細分數的多少是細分驅動技術的關鍵點。本設計通過軟、硬件聯合實現細分驅設置細分數。因此可以達到很好的驅動效果。以八細分為例，通過細分可以很明顯觀察到細分后電流變化的效果，本來每個脈沖對應的是一個方波的輸出，現在經過8細分后每個脈沖只能達到原來的1/8，這樣電機的步進角就變為原來的1/8，而且根據速度的大小程序會自動的精度就提高為原來的8倍。這樣就很好的解決了電機在低速時的震動和精度問題。本設計采用軟硬件聯合實現細分實現容易、可靠性高，具有很好的應用價值。
5.2 正弦波驅動電流的實現
傳統的控制器由于種種原因大部分采用方波驅動，方波驅動實現容易。但是噪音和振動很大，而且不可能使轉速做的很高，輸出力矩也較小。正弦波驅動可以顯著提高步進電機的運行性能，可以增加電機的轉矩，可以提高空載轉速，可以降低電機運行時的震動和噪音，因此是新型控制器的首選方案。
5.3 加速曲線的設計
步進電機在啟動的時候很重要的一個性能指標就是空載啟動頻率，在現實應用中，特別是需要高速運動的場合，直接啟動頻率更是決定了步進電機控制器的應用領域。提高電機啟動頻率的方法基本上有兩種：使用更好電流驅動波形和做一個加速曲線。本設計所用的電機在使用方波電流驅動和沒有加速曲線的情況下直接啟動的速度最高為200轉/分。本設計采用TB6560AQH驅動芯片，它內部自帶正弦波電流驅動波形，能很好的提高步進電機的啟動頻率，但是經過多次的實驗得出也只能提高到300轉/分左右，還是差強人意。
最終使用階躍式加速，速度一階一階遞進式加速，這種方法易于實現，占用單片機資源較少，但是用這種方法時如果階躍得速度過大，電機會出現震動和噪聲。
但是為了不使電機出現震動和噪音，本設計在單片機資源允許的前提下使速度階躍盡可能的小。具體的做法是：單片機上電工作后首先對速度進行比較，以200轉/分為基準，如果速度小于200轉/分則完全可以直接啟動，不需要加速曲線；當速度高于200轉/分時，首先把速度差求出來，讓定時器首先以200轉/分的速度產生脈沖，在定時器中斷函數中根據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 本設計達到的主要性能指標
⑴運行速度精度：可以使速度精度達到96%以上(速度精度=實際速度/設定速度*100%)。
⑵最大空載起動頻率：可達到的最大空載啟動頻率為1.5KHZ。
⑶最大空載的運行頻率：最大空載運行頻率3KHZ。
⑷運行矩頻特性：本設計由于沒有專業的轉矩測試儀器，因此無法給出準確的轉矩數值，轉矩變化時的頻率為800HZ。
6.結論
步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現定角轉動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環精確控制、無積累誤差等優點，在眾多領域中獲得了廣泛的應用。國內研究步進電機驅動器的科研單位和公司很多，但是功能大多單一化，很多都是只能驅動固定用途的步進電機，且多不帶細分，價格較貴。很難滿足社會生活中需要靈活運用、低成本且功能要求較全的場合。
本設計是根據現實生活中常用的步進電機和常用功能設計的驅動器，設計的主要目的是解決步進電機驅動器功能單一和生產成本的問題。
參考文獻
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篇7
關鍵詞：LD3320語音芯片；無線控制；MSP430G2553單片機
1 系統方案設計
系統方案如圖1所示，由單片機2個最小系統、語音識別模塊、無線發送及接收模塊、顯示模塊、按鍵組成。
語音識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，經過去除噪音、放大語音信號后，經過MSP430G2553微處理器處理，控制NRF24L01無線發送及接收一體化芯片發送信號，當無線接收模塊接收到信號后，傳送給微處理器控制步進電機做出相應動作。
2 硬件設計
2.1 單片機
本系統設計的微處理器采用的是美國德州儀器（TI）公司生產的低功耗MSP430G系列的2553單片機作為核心控制芯片，該芯片具有16位的RISC CPU，DCO可在不到1us時間內，從低功耗模式到運行模式的喚醒，以CCS v5.0作為軟件開發平臺，通過Cadence Allegro 16.5 軟件設計原理圖、PCB圖[1]。
2.2 語音識別電路
語音識別電路主要采用LD3320芯片，LD3320支持非特定語音辨別，每次識別的過程是把用戶說出的語音內容， 通過頻譜轉換為語音特征， 再將這個轉換后的語音特征和 “關鍵詞語列表” 中的條目一一進行匹配， 最優匹配的一條即作為識別結果[2]，工作原理框圖如圖2所示。
2.3 無線收發電路
無線收、發電路都采用NRF24L01芯片作為信號的發送和接收，它工作在世界通用的ISM頻段2.4-2.5GHZ內。無線收發器芯片由頻率發生器、SchockburstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器組成。
2.4 步進電機電路
步進電機原理是將電脈沖轉化為角位移，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（即步進角）。可以通過控制脈沖來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。
MSP430G2553微型處理不能通過IO口直接控制步進電機的轉動，需要在處理器和電機之間加入一個驅動電路，可采用ULN2003驅動電機的專用芯片進行驅動電路的設計[3]。
3 程序設計
程序的設計在整個系統中占有很重要的作用，對LD3320進行初始化，將其調整為接受模式，接收語音數據，開辟語音數據存放空間；然后對將NRF24L01調整其為接受模式，讀取狀態寄存器，開辟接受數據存放空間；最后對ULN2203進行初始化，從LD3320得到語音信號后，經過NRF24L01處理使電機做正、反轉的反應，流程圖如圖3所示。
4 實物制作與測試
通過Cadence Allegro 16.5 軟件設計完成PCB圖并打印出來后，通過熱轉印法，把原理圖轉印到覆銅板表面，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，測試語音識別芯片是否可以識別出用戶發出的指令，再測試無線接收模塊是否接收到語音信號，然后再測試驅動電路是否可以正常驅動電機的轉動。
5 結論
本文給出了低功耗的MSP430G2553語音無線控制步進電機系統的設計，利用TI公司的2553單片機作為核心控制芯片，LD3320作為語音識別電路主要語音芯片，采集到用戶發出的指令，通過NRF24L01無線收發模塊發送和接收，進而驅動電機做出相應的動作，由于采用語音識別，本系統具有良好用戶體驗，具備一定的實際應用價值。
參考文獻
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篇8
摘要：各種步進電機專用開發系統，適用于數控機床及某些特定條件及系統。本文通過單片機為開發平臺，對步進電機進行控制，主要介紹步進電機控制器、驅動電路和LED顯示電路的設計，其中在步進電機控制器的設計中，重點闡述脈沖產生電路以及對速度的控制，實現對步進電機速度精確控制的開發系統。
關鍵詞：單片機；步進電機；恒變速控制系統
中圖分類號：TP273文獻標識碼：A
1引言
步進電機是一種將電脈沖轉換成相應的角位移或線位移的電磁裝置，它具有低價格，易實現調速，系統簡單，能快速啟動和停止，易定位準確，功率小等優點。因此，它作為唯一能以開環結構用于數控機床中的電動機，在經濟型數控機床系統獲得了廣泛的應用。在早期的控制方案中，控制步進電機運轉的時序脈沖由信號發生器產生，這種方式通用性差，成本高。采用單片機控制，則可以很方便的使不同相數的步進電機按任意一種可行的通用方式進行控制。本文就是實現的單片機對步進電機的數字控制系統。在這個控制系統中，控制器是它的核心，因為它擔負著產生脈沖，發送、接受控制命令的任務。
2系統總體方案硬件設計
本系統選用89C51單片機為控制核心，由89C51，74LS373，EPROM2732等器件構成最小系統，擴展的2732用來存放程序和表格。P1.0，P1.1，P1.2分別控制步進電機A，B，C各相繞線，89C51單片機的P1口只能驅動三個LSTTL輸入端，而被控制的步進電機要求高壓，大電流，故在P1口后加驅動器，以便驅動脈沖功率放大級的復合晶閘管，使電機繞組的靜態電流達到驅動電流。此外考慮到計算機的抗干擾能力及安全，將計算機與驅動器之間加上隔離接口[1]。系統硬件圖如圖1所示。
通過上面的系統框圖，我們可以看到本系統主要由四部分組成，即步進電機控制器，步進電機驅動電源，步進電機和LED狀態顯示，本文著重介紹步進電機控制器，步進電機驅動電源，LED顯示狀態三部分。
2.1步進電機控制器
步進電機控制器主要由單片機、晶振電路、8K RAM 存儲模塊、光電隔離等電路組成，如圖2所示[2]。
1）晶振電路
單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內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，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。內部振蕩方式的外部電路如圖1所示。本系統選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動電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統，從而提高系統的可靠性，增強抗千擾能力。光隔離器最重要的參數是電流傳輸比CTR，應注意通常其值為0.2-0.9.輸入數字信號提供一定的電流（5-10mA）時，光隔離器才會把放大的數字電平輸出。光隔離器聯結時注意信號正負邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號可能通過電源串到系統中來。
3）存儲模塊
由于89C51單片機片內只有128個字節的RAM，而本系統中需要存儲的數據比較多，需要擴展外部RAM。
2.2步進脈沖產生電路
在采用單片機的步進電機開環系統中，控制系統的CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進電機的運行速度。系統可用兩種辦法實現步進電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。
延時方法是在每次換向之后調用一個延時子程序，待延時結束后再次執行換向，這樣周而復始就可發出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期。該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現，調用不同的子程序可以實現不同速度的運行。但占用CPU時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。
定時方法是利用單片機系統中的定時器定時功能產生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統輸出CP脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統及其周期進行加計數，當定時器溢出時，定時器產生中斷，系統轉去執行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中，定時中斷一次，電機換向一次，從而實現電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現精確定時，要對重裝的計數初值作適當的調整。調整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中斷響應所需的時間。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務程序重的其他指令因。綜合這兩個因素后，重裝計數初值的修正量取8個機器周期，即要使定時時間縮短8個機器周期。
用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統設計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統的ROM中，系統在運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的時間，提高系統的響應速度[3]。
2.3LED運行狀態顯示
在本系統中，用74LS164作為顯示驅動，帶鎖存，采用串行接法，這樣可以節約I/0口資源，但要使用SIO，發送數據時容易控制。
3系統軟件部分
系統軟件的主要任務是產生脈沖序列，并能按規定的順序送出脈沖，從而控制步進電機的轉向和轉速。
3.1產生脈沖序列
其方法為先輸出一個高電平，對某一個記數單元進行累加，輸出一個高電平之后維持一段時間，然后輸出一個低電平在延時，延時長短由步進電機的速度決定。
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，步進電機正轉；按相反順序通電，步進電機反轉。
3.3速度控制
控制步進電機的運行速度，實際上就是控制系統發出CP脈沖的頻率或換相的周期。利用單片機芯片內部定時器的可編程性及定時功能，可以產生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統輸出CP脈沖的周期，實現對電動機速度的控制[4]。
3.4程序設計
本系統主要介紹三相六拍的控制軟件，具體設計過程詳見表1，圖3所示。
4小結
單片機作為性能極佳的控制處理器，它比步進電機的傳統控制器件，無論從功能，靈活性，可靠性等方面來說，更為優越。步進電機開環控制系統具有成本低、簡單、控制方便等優點。在此方案設計中，負載位置對控制電路無反饋，因此步進電機必須正確響應每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當，電機不能夠到新的要求位置，那么實際的負載位置相對于控制器所期待位置便會出現永久性誤差，也就是“失步”和“過沖”現象，可以采用位置反饋或位置反饋確定與轉子位置相適應的正確相位轉換，可以大大改善步進電機的性能，這樣就可以獲得更加精確的位置控制和高很多、平穩很多的速度了。
參考文獻
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篇9
關鍵詞：單片機；無線控制；車位鎖
隨著汽車數量的迅速增加，研究一種能夠實現無線遙控的紅外車位鎖就是十分必要的。當用戶靠近停車位時，不必下車手動翻轉車位鎖的檔桿，只需要輕觸手中的遙控器，便可控制檔桿的起降[1]。
1 總體設計
無線紅外遙控車位鎖控制系統由以下幾個部分構成：單片機最小系統模塊、HX1838接收器、指示燈光模塊，ULN2003驅動模塊以及按鍵模塊等。軟件程序：采用Proteus軟件對系統的控制過程進行模擬，采用當今較為熟悉和成熟的C語言來對軟件部分進行編程。該控制系統是基于AT89C51無線紅外遙控控制系統，主要實現以下功能：在車位鎖中應有無線遙控接收裝置，可實現遠程，無線控制；該無線紅外遙控控制系統應可以接受該小區的物業管理信號，對車位鎖的杠桿的升降進行控制；防止電路過流；良好的防水設施；以單片機為控制器，提高其保密性以及設備的可靠性。
2 硬件電路的設計
單片機是一種將運算器，總線，I/O以及存儲陣列全部集成在一塊小芯片中的CPU。得益于現在發展越來越快的半導體制造技術，現在單片機可以將越多越多的原本屬于PC機的功能全部集成到一塊小小的芯片中去。本控制系統所采用的單片機是支持MCS-51指令集的AT89C51。選用AT89C51作為核心CPU是因為AT89C51高可靠度，成本低廉，同時兼容C語言程序作為軟件部分。
Hx1838紅外接收模塊。本系統需要無線遠程控制車位鎖，故選用紅外作為傳遞信號的載體。其中選用Hx1838作為紅外接收器。完整的紅外通信過程分為發送端和接收端兩大部分，本控制系統紅外發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紅外線接收器，負責接收紅外遙控器發出控制信號，同時將信號放大，檢測波形，整形。在Hx1838接收到相對應頻率的紅外信號之后，Hx1838會自動的將紅外信號解碼成為TTL電平中的低電平，輸送給單片機。
ULN2003驅動模塊。由于對本系統的執行器步進電機的控制是通過一系列的脈沖信號完成，但是如果通過單片機對執行器直接控制的時候，僅僅靠單片機輸出端口的電流的大小遠遠達不到驅動電機的水平，因此需要一個中介來對單片機輸出的電流進行放大。本控制系統選用ULN2003來負責這部分--即對電流的放大。
步進電機執行模塊[2]。步進電機的價格低廉，內部結構簡單、可靠，并且由于步進電機采用開環控制的方法，所以其控制過程簡單，不需要負反饋的存在。對步進電機的控制需要一系列的脈沖信號來對其進行控制，所以根據不同的控制需求，其脈沖信號也有不同。本控制系統所采用的執行器是28BJ-48步進電機。
3 軟件設計
本控制系統的核心控制器是AT89C51，再給單片機配以最小配置、驅動電路、紅外遙控接收電路構成系統的硬件電路。但是，光一個硬件電路是不足以完成本系統的控制，一個完整的系統包含硬件部分以及軟件部分。在根據對本控制系統的控制要求進行軟件編程的時候，既可以采用匯編語言，也可以采用C語言進行編程。在初始化中，包括將程序指針，定時器以及中斷初始化。在紅外解碼之后，在比對之后，選擇相對應的脈沖序列，來控制步進電機。
當Hx1838接受到來自遙控器的控制信號之后，單片機需對Hx1838傳遞過來的信號進行解碼處理。當單片機將紅外信號解碼處理好之后，根據解碼之后的結果，選擇相對應的脈沖序列來控制步進電機。
4 結束語
在制作實物之前，將全部的電路圖在Proteus軟件中進行模擬，然后將本控制系統的程序加載到AT89C51單片機中，對整個控制過程進行測試。得到以下結論：由單片機、Hx1838紅外接收模塊、ULN2003驅動模塊和步進電機執行模塊構成地硬件模塊，配上C語言設計的軟件模塊，可以完好的實現紅外遙控車位鎖控制系統。
參考文獻
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篇10
【關鍵詞】數字――模擬混合集成電路，施密特觸發器，波形的產生與交換
1概述
1.1555定時器的簡介。555定時器是一種多用途的數字――模擬混合集成電路，利用它能極方便地構成施密特觸發器、單穩態觸發器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產生與交換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領域中都得到了廣泛應用。
1.2 555定時器的應用：（1）構成施密特觸發器，用于TTL系統的接口，整形電路或脈沖鑒幅等；（2）構成多諧振蕩器，組成信號產生電路；（3）構成單穩態觸發器，用于定時延時整形及一些定時開關中。
2 、555定時器的電路結構與工作原理
555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，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 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 觸發器置 0，使輸出為 0 電平。
它的各個引腳功能如下：
1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地。
8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ～ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ～ 18V。一般用5V。
3腳：輸出端Vo
2腳：低觸發端
6腳：TH高觸發端
4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。
5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只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，用做定時器時電容的放電。
3步進電機簡介
步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機，它的運行需要專門的驅動電源，驅動電源的輸出受外部的脈沖信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度，這個角度稱為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了電動機旋轉的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機旋轉的方向。在數字控制系統中，它既可以用作驅動電動機，也可以用作伺服電動機。它在工業過程控制中得到廣泛的應用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。
3.1工作特點
1.一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。
2.步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
3.步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。
4.步進電機低速時可以正常運轉，但若高于一定速度就無法啟動，并伴有嘯叫聲。步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時揮著重大的用途。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。
步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。以上為555定時器構成的脈沖信號發生器，由555的原理可知接通電源后，V+通過R1，R2，RP1對C3充電，當UC3=2/3V+時，振蕩器輸出UO翻轉成0，此時放電管導通，，使放電端接地，電容C3通過RP1，R2放電是UC3下降，當UC3下降到小于1/3V+時，UO又翻轉成1，周而復始。該裝置產生的脈沖信號的脈寬T=TH+TL。
TH由定容C3充電時間決定TH=0.7（R1+R2+PR1）*C3
TL由定容C3放電時間決定TL=0.7（R2+PR1）*C3