基于EPM240c100-5芯片步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、 2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱：基于EPM240T100-5芯片步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)二、指導(dǎo)老師：王 勇 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1、課題概述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)已很成熟，特別適合于小功率開環(huán)定位系統(tǒng)，至今還沒有能取代它的更適合產(chǎn)品，今后將繼續(xù)穩(wěn)步發(fā)展和完善化在功率稍大和要求高響應(yīng)高速度的系統(tǒng)，則更多地讓位給交流伺服系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)控制和醫(yī)療器械中廣泛的使用，但是目前主要是應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制，在應(yīng)用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)器，這樣勢(shì)必會(huì)提高儀器儀表的成本和使用范圍，本畢業(yè)設(shè)計(jì)針對(duì)ASIC芯片來進(jìn)行一個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，移植性強(qiáng)。 2、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求（1）.確定設(shè)計(jì)方案

2、，繪制方框圖；（2）.設(shè)計(jì)各部分電路，要求在一片EPM240C100-5芯片上實(shí)現(xiàn)主控制功能，驅(qū)動(dòng)電路可另行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在保證實(shí)現(xiàn)基本功能和主要技術(shù)指標(biāo)的前提下注意降低成本，以獲取較高的性價(jià)比；（3）.分析各單元電路的工作原理和特性；（4）.畫出整機(jī)電路圖，用QUARTUS II軟件仿真所有子電路，并在實(shí)際電路板上調(diào)試實(shí)現(xiàn)功能，說明電路調(diào)試的基本方法；（5）.要求設(shè)計(jì)鍵盤控制功能具有啟動(dòng)/停止、連續(xù)/單步、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、8檔加速/8檔減速等功能，且能消除鍵盤抖動(dòng)；（6）.可以使用矩陣鍵盤或者獨(dú)立鍵盤。3、技術(shù)指標(biāo)：（1）.芯片選擇：CPLD中的MAX II EPM240C100-5芯片；（2）.步

3、進(jìn)電機(jī)：四相步進(jìn)電機(jī)；（3）.驅(qū)動(dòng)功率：加驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003達(dá)5W；（4）.邏輯工作電壓：DC5V，驅(qū)動(dòng)電壓12V（5）.步進(jìn)精度或角度：3（6）.使用環(huán)境：-2085。（7）.要求控制與驅(qū)動(dòng)之間加光耦隔離四、設(shè)計(jì)參考書及參考網(wǎng)址1、潘松主編EDA技術(shù)與VHDL，清華大學(xué)出版社2、唐亞平主編EDA技術(shù)應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社3、宋振輝主編EDA技術(shù)與VHDL，北京大學(xué)出版社4、徐志軍 王金明 尹廷輝編蓍EDA技術(shù)與VHDL設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社5、參考網(wǎng)址：/等五、設(shè)計(jì)說明書要求1、 封面2、 目錄3、 內(nèi)容摘要(200400字左右，中英文)4、 正文（設(shè)

4、計(jì)方案比較與選擇，設(shè)計(jì)方案原理、計(jì)算、分析、論證，設(shè)計(jì)結(jié)果的說明及特點(diǎn)）5、 結(jié)束語(yǔ)6、 附錄(參考文獻(xiàn)、圖紙、材料清單等)六、設(shè)計(jì)進(jìn)程安排第 1 周： 資料準(zhǔn)備與借閱，了解課題思路。第2-3周： 設(shè)計(jì)要求說明及課題內(nèi)容輔導(dǎo)，完成圖紙初稿。第4-6周： 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，完成說明書初稿。第7周： 指導(dǎo)老師檢查畢業(yè)設(shè)計(jì)完成情況，作好畢業(yè)答辯準(zhǔn)備。第 8 周： 畢業(yè)答辯與綜合成績(jī)?cè)u(píng)定。七、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及論文要求1、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯要求答辯前三天，每個(gè)學(xué)生應(yīng)按時(shí)將畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書或畢業(yè)論文、專題報(bào)告等必要資料交指導(dǎo)教師審閱，由指導(dǎo)教師寫出審閱意見。學(xué)生答辯時(shí)對(duì)自述部分應(yīng)寫出書面提綱，內(nèi)容包括課題的任務(wù)、目的和

5、意義，所采用的原始資料或參考文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和主要方法、成果結(jié)論和評(píng)價(jià)。答辯小組質(zhì)詢課題的關(guān)鍵問題，質(zhì)詢與課題密切相關(guān)的基本理論、知識(shí)、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試方法，鑒別學(xué)生獨(dú)立工作能力、創(chuàng)新能力。 2、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求文字要求：說明書要求打印(除圖紙外)，不能手寫。文字通順，語(yǔ)言流暢，排版合理，無錯(cuò)別字，不允許抄襲。圖紙要求：按工程制圖標(biāo)準(zhǔn)制圖，圖面整潔，布局合理，線條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工程字書寫。曲線圖表要求：所有曲線、圖表、線路圖、程序框圖、示意圖等不準(zhǔn)用徒手畫，必須按國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制。摘 要步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位

6、移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來具體控制步進(jìn)角來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC，Macro Ce

7、ll)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。本文設(shè)計(jì)了以CPLD作為核心器件種基于它的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。極大地減少了外圍元件的使用。具有系統(tǒng)擴(kuò)展性能好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，不占用CPU時(shí)間、易于高速控制等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)可在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等。利用了這些優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了CPLD步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的可靠工作。 關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，控制器，CPLD。ABSTRACTStepping motor is electrical impulses

8、signal into a angular displacement or line displacement of open-loop control components。 In the overload of the circumstances, motor speed, stop location depends only on the pulse signal frequency and pulse count, and not under the influence of load changes, i.e. give motor add a pulse signal, motor

9、 is turned a step distance horns。 This first sexual relationship exists, plus the stepping motor only cyclical error without accumulative error, etc。Made in speed, such as the position control field with stepper motor to control becomes very simple 。Stepping motor speed control is generally change i

10、nput of the stepper motor pulse frequency to achieve the stepping motor speed control, because the stepping motor for every onepulse is turning a fixed Angle, which can through controlling the step motor is a pulse to the next pulse intervals to change pulse frequency, delay to the length of the spe

11、cific control stepping horn to change motor speed, so as to achieve the stepping motor speed control 。This article designed one kind to step-by-step the motor control system based on CPLD. It takes the core component by CPLD, reduced the periphery parts use enormously. Has the system expansion perfo

12、rmance to be good, the reliability is high, ant jamming ability is strong, the structure is simple, the cost is inexpensive, Does not take merits and so on CPU time, easy high-speed control. Step-by-steps the electrical machinery to be possible to realize the velocity modulation in the broad frequen

13、cy range through the change the change pulse frequency, to be fast stops, is reversing the control and so on. Has realized CPLD using these merits to step-by-step the motor control systems reliable work. Key word: Step-by-steps the electrical machinery, the controller, CPLD目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒 論11

14、.1 課題的背景及其意義11.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理21.3 主要完成的工作3第2章 設(shè)計(jì)概述42.1 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容42.2 技術(shù)指標(biāo)4第3章 基于EPM240C100-5芯片的步進(jìn)電機(jī)控制器的方案設(shè)計(jì)53.1 整體設(shè)計(jì)框圖53.2方案設(shè)計(jì)與選擇53.2.1 方案一基于數(shù)字電路芯片的步進(jìn)電機(jī)控制方案53.2.2 方案二 基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制方案63.2.3 方案三 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方案73.2.4 方案四 基于CPLD器件步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案73.2.5 方案的選擇8第4章 硬件電路的設(shè)計(jì)104.1 相關(guān)理論知識(shí)介紹104.1.1 MAXII芯片的介紹與所用型號(hào)104.1.2

15、步進(jìn)電機(jī)的介紹與選擇114.1.3 控制電路設(shè)計(jì)164.1.4 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003簡(jiǎn)介164.1.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及原理17第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)185.1 控制器組成框圖185.2 軟件設(shè)計(jì)195.3 軟件設(shè)計(jì)模塊205.3.1 分頻計(jì)數(shù)器模塊205.3.2 按鍵掃描觸發(fā)消抖編碼模塊215.3.3 控制信號(hào)產(chǎn)生模塊215.3.4 環(huán)形脈沖分配模塊235.4 脈沖分配表245.5 編譯與調(diào)試24第6章 結(jié)束語(yǔ)25第7章 致 謝26參考文獻(xiàn)27附錄 28附錄A 控制電路原理圖28附錄B 程序清單32附錄B-1 分頻計(jì)數(shù)器模塊32附錄B-2 控制信號(hào)產(chǎn)生模塊33附錄B-3 掃描觸發(fā)消抖編碼

16、模塊35附錄B-4 環(huán)形脈沖分配模塊38第1章 緒 論1.1 課題的背景及其意義步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)家族的“嬰兒”，20 世紀(jì) 60 年代早期才開始流行。最初構(gòu)想是作為昂貴的位置控制應(yīng)用中伺服電機(jī)的低成本替代產(chǎn)品，而新興的計(jì)算機(jī)工業(yè)迅速將其采用到外設(shè)應(yīng)用當(dāng)中。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于能提供開環(huán)位置控制，而成本只是需要反饋的伺服系統(tǒng)的幾分之一。在過去，步進(jìn)電機(jī)有時(shí)被誤稱為“數(shù)字”電機(jī)，因?yàn)樗鼈兂Ｓ谜环讲?qū)動(dòng)。但是，對(duì)這些電機(jī)的這種狹隘看法常常會(huì)在以后的項(xiàng)目開發(fā)過程中導(dǎo)致大難題。步進(jìn)電機(jī)像其它磁“模擬”電機(jī)一樣產(chǎn)生扭矩。多數(shù)步進(jìn)電機(jī)的阻尼因數(shù)很低，導(dǎo)致一定步頻下的欠阻尼運(yùn)行和對(duì)諧振問題的敏感度。這些問題

17、常常使步進(jìn)電機(jī)比其它電機(jī)拓?fù)涓y對(duì)付。多數(shù)步進(jìn)電機(jī)采用雙凸極設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)上均有齒。如同 BLDC 或 PMSM 電機(jī)，永久磁性位于轉(zhuǎn)子上，電磁包含在定子中。多數(shù)設(shè)計(jì)包含 2 個(gè)定子相位，由正交相位信號(hào)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)這些相位有許多方法，包括全步進(jìn)、半步進(jìn)或微步進(jìn)，取決于使用的控制技術(shù)。每種情況下都會(huì)確定子磁通矢量，轉(zhuǎn)子上的磁性將嘗試與該矢量保持一致。由于轉(zhuǎn)子和定子的齒數(shù)不同，產(chǎn)生的移動(dòng)或步進(jìn)可能極小。對(duì)齊之后，定子電流立即按這種方式發(fā)生變化，以增加定子磁通矢量角度，從而使電機(jī)移動(dòng)到下一個(gè)步進(jìn)。由于多數(shù)應(yīng)用中沒有位置反饋，轉(zhuǎn)子磁通可以與定子磁通保持一致，這會(huì)產(chǎn)生無助于電機(jī)運(yùn)行的定子電流。因

18、此，步進(jìn)電機(jī)沒有其它常用電機(jī)那樣有效。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出的信號(hào)工作，步進(jìn)電機(jī)控制器的信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，如果給定工作方

19、式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)控制器應(yīng)用廣泛,可用于內(nèi)圓切片機(jī),排線機(jī),車邊機(jī),眼鏡機(jī),定長(zhǎng)控制,包裝等機(jī)械上面。1.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上

20、步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。 目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家的確不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開發(fā)，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設(shè)備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。敘述其基本工作原理。

21、望能對(duì)廣大用戶在選型、使用、及整機(jī)改進(jìn)時(shí)有所幫助。三相發(fā)電機(jī)主要是三相交流同步發(fā)電機(jī)。其轉(zhuǎn)子通常為直流勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的電磁鐵，為發(fā)電機(jī)工作提供磁場(chǎng)。定子是在空間互差120度電角度的三相交流繞組（按照一定規(guī)律連接的線圈組稱為繞組）。直流電且由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三相同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)對(duì)定子的三相繞組有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定子的三相繞組就感應(yīng)三相交流電。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子線圈通入直流電流的大小，可以改變定子的三相繞組電壓的大小，改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變定子的三相繞組電壓的頻率。步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電源是互相聯(lián)系的整體。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源框圖如圖所示。變頻信號(hào)源產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的速度。脈沖分配器則根據(jù)要

22、求把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖放大器上，使步進(jìn)電機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。時(shí)鐘在步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻信號(hào)源往往通過計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，脈沖分配則由擴(kuò)展的并行接口芯片或GAL芯片來實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)成熟、軟件編程簡(jiǎn)單、控制靈活、能實(shí)現(xiàn)圖1中的變頻信號(hào)源與脈沖分配器的作用。但它的缺點(diǎn)是集成度不高，硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用CPU的時(shí)間過多，變頻信號(hào)源脈沖分配器脈沖放大器步進(jìn)電機(jī)時(shí)鐘可靠性不高。圖1-1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源框圖1.3 主要完成的工作本設(shè)計(jì)共分為7章，其中第一章為緒論，主要闡述了課題的研究背景以及意義。第二章主要介紹了設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo)。第三章描述了EPM2

23、40C100-5芯片的步進(jìn)電機(jī)控制器，其中主要涉及到步進(jìn)電機(jī)的整體設(shè)計(jì)框圖以及方案的設(shè)計(jì)與選擇。第四章主要介紹硬件電路的設(shè)計(jì)，其中包括硬件的設(shè)計(jì)和芯片的介紹。第五章詳細(xì)地介紹了軟件個(gè)模塊。第六章作為結(jié)束語(yǔ)，闡述了制作本文檔的心得以及收獲。第七章致謝詞，感謝老師和組員們的祝福，以及預(yù)祝自己本次答辯順利通過！第2章 設(shè)計(jì)概述2.1 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容（1）.確定設(shè)計(jì)方案，繪制方框圖；（2）.設(shè)計(jì)各部分電路，要求在一片EPM240C100-5芯片上實(shí)現(xiàn)主控制功能，驅(qū)動(dòng)電路可另行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在保證實(shí)現(xiàn)基本功能和主要技術(shù)指標(biāo)的前提下注意降低成本，以獲取較高的性價(jià)比；（3）.分析各單元電路的工作原理和特性；（4

24、）.畫出整機(jī)電路圖，用QUARTUS II軟件仿真所有子電路，并并在實(shí)際電路板上調(diào)試實(shí)現(xiàn)功能，說明電路調(diào)試的基本方法；（5）.要求設(shè)計(jì)鍵盤控制功能具有啟動(dòng)/停止、連續(xù)/單步、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、8檔加速/8檔減速等功能，且能消除鍵盤抖動(dòng)；（6）.可以使用矩陣鍵盤或者獨(dú)立鍵盤。2.2 技術(shù)指標(biāo) （1）.芯片選擇：CPLD中的MAX II某種芯片；（2）.步進(jìn)電機(jī)：四相步進(jìn)電機(jī)；（3）.驅(qū)動(dòng)功率：加驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003達(dá)5W；（4）. 邏輯工作電壓：DC5V，驅(qū)動(dòng)電壓12V；（5）.步進(jìn)精度或角度：3（6）.使用環(huán)境：-2085；（7）.要求控制與驅(qū)動(dòng)之間加光耦隔離。第3章 基于EPM240C100-5

25、芯片的步進(jìn)電機(jī)控制器的方案設(shè)計(jì)3.1 整體設(shè)計(jì)框圖圖3-1整體設(shè)計(jì)框圖3.2 方案設(shè)計(jì)與選擇步進(jìn)電機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的裝置。步進(jìn)電機(jī)控制器目前主要有四種方式實(shí)現(xiàn)，分別為基于數(shù)字電路芯片的控制器、基于DSP控制的控制器、基于單片機(jī)控制的控制器、基于CPLD器件來設(shè)計(jì)EPM240C100-5的步進(jìn)電機(jī)控制器。CPLD、FPGA實(shí)現(xiàn)的通常是純數(shù)字系統(tǒng)，適于處理大量的邏輯和時(shí)序問題，速度快；單片機(jī)則善于處理大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的運(yùn)算，而且經(jīng)?？梢院芊奖愕貥?gòu)成模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字化控制將是步進(jìn)電機(jī)控制器未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。下面具體介紹四種控制方案。3.2.1 方案一基于數(shù)字電路芯片的步進(jìn)電

26、機(jī)控制方案基于數(shù)字電路芯片的步進(jìn)電機(jī)控制方案，如圖3-2，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要有步進(jìn)電機(jī)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)控制是有緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成的。他的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以便于控制步進(jìn)電機(jī)，并能進(jìn)行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。功率放大步進(jìn)電機(jī)脈沖分配振蕩脈沖方向控制圖3-2 步進(jìn)電機(jī)控制器系統(tǒng)的組成 這種控制方式在步進(jìn)電機(jī)控制器的早期歷史階段，起到了一定的作用，并滿足了當(dāng)時(shí)的控制器要求。但隨著生產(chǎn)要求的提高，基于此芯片控制的方案其缺點(diǎn)日益凹現(xiàn)。一方面表現(xiàn)在技術(shù)上滿座不了生

27、產(chǎn)的需求，另一方面元件太多容易出故障。3.2.2 方案二 基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制方案基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制方案，如圖3-3，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由微處理器、脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電路組成。微處理器是產(chǎn)生脈沖，對(duì)機(jī)器下達(dá)命令。脈沖分配器則是分配命令，指導(dǎo)機(jī)器運(yùn)行，其中轉(zhuǎn)向控制利用DSP的PWM口的“強(qiáng)制高”輸出（正轉(zhuǎn)）“和強(qiáng)制低”輸出（反轉(zhuǎn)）來說實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)的速度控制是通過控制DSP發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)的。通過控制DSP定時(shí)器的周期值來控制步進(jìn)脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器隔離驅(qū)動(dòng)電路TMS 320LF2407 A 步進(jìn)脈沖 方向控制圖3-3 DSP控制四相步進(jìn)電機(jī)原理圖 該方法靈活性好，抗干擾

28、能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)所需求的高速度信號(hào)處理。但由于其開發(fā)工具價(jià)格高，使得DSP芯片的價(jià)格較高，對(duì)于簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)而言，采用DSP控制顯得大材小用。目前該方案只適用于精度要求高的場(chǎng)所。3.2.3 方案三 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方案基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制方案如圖。常用的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，控制核心是微處理器，常用的8051單片機(jī)片內(nèi)沒有PWM模塊需要外接8253等芯片產(chǎn)生脈沖信號(hào)（一般為方波信號(hào)），大帶有PWM（plus Width Module）模塊的單片機(jī)則可以直接輸出脈沖信號(hào)但占用軟件資源較多。脈沖信號(hào)的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)又控制著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。因此

29、，有需要一個(gè)計(jì)數(shù)器8253對(duì)脈沖個(gè)數(shù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器部分可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行細(xì)分并驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)需先通過計(jì)算設(shè)定計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器0的相關(guān)參數(shù)才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行，增加了軟件的運(yùn)行時(shí)間，降低了系統(tǒng)效率，并且8253器件技術(shù)范圍有限（16位計(jì)數(shù)器），不能產(chǎn)生高頻，多個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單片機(jī)8051計(jì)數(shù)器8253數(shù)據(jù)總線脈沖波形計(jì)數(shù)器8253步進(jìn)電機(jī)圖3-4 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖3.2.4 方案四 基于CPLD器件步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案 如圖3-5，本文討論了一種基于CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯

30、器件的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，應(yīng)用一個(gè)低成本CPLD 器件，就可以解決單片機(jī)PWM軟件編程和8253對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的問題。CPLD中設(shè)計(jì)了一個(gè)PWM模塊和一個(gè)計(jì)數(shù)模塊，單片機(jī)只需對(duì)CPLD中的寄存器進(jìn)行訪問，就可以產(chǎn)生一定頻率，一定占空比和一定個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)?？梢越档蛦纹瑱C(jī)的軟件開銷，提高系統(tǒng)效率。計(jì)數(shù)模塊可采用32位計(jì)數(shù)器，因此對(duì)高頻多個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)也有較好的支持。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)總線CPLD步進(jìn)電機(jī)控制器步進(jìn)電機(jī)脈沖波形單片機(jī)8051圖3-5 CPLD控制電路原理基于CPLD器件步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方案如圖，由于單片機(jī)在抗干擾能力方面不如CPLD，就把主要任務(wù)交給CPLD完成，單片機(jī)主要完成計(jì)算

31、功能，將設(shè)置數(shù)據(jù)計(jì)算后，輸出插補(bǔ)器所需數(shù)據(jù)，插補(bǔ)器和環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)在CPLD種完成。它具有可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)維修方便、能耗低、高編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)。3.2.5 方案的選擇（1）從技術(shù)上看，方案一、方案二、方案三和方案四都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。方案一利用數(shù)字電路芯片的邏輯關(guān)系對(duì)脈沖進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。但隨著生產(chǎn)要求的提高，它的靈活性和通用性滿足不了生產(chǎn)的需求。方案二基于DSP芯片的控制，由于DSP具有豐富的資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，目前該方案只

32、適用于精度要求高的場(chǎng)所。而方案三里面常用的8051單片機(jī)片內(nèi)沒有PWM模塊，需要外接8253等芯片產(chǎn)生脈沖信號(hào)（一般為方波信號(hào)），大帶有PWM（plus Width Module）模塊的單片機(jī)則可以直接輸出脈沖信號(hào)但占用軟件資源較多。脈沖信號(hào)的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)又控制著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。因此，有需要一個(gè)計(jì)數(shù)器8253對(duì)脈沖個(gè)數(shù)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器部分可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)進(jìn)行細(xì)分并驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)需先通過計(jì)算設(shè)定計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器0的相關(guān)參數(shù)才能保證電機(jī)的正常運(yùn)行，增加了軟件的運(yùn)行時(shí)間，降低了系統(tǒng)效率，并且8253器件技術(shù)范圍有限（16位計(jì)數(shù)器），不能產(chǎn)生高頻，多個(gè)數(shù)

33、的脈沖信號(hào)。方案四，應(yīng)用一個(gè)低成本CPLD 器件，正好解決了單片機(jī)PWM軟件編程和8253對(duì)脈沖計(jì)數(shù)的問題。它具有可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)維修方便、能耗低、高編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)。（2）從經(jīng)濟(jì)上看，數(shù)字電路芯片價(jià)格較低，而DSP由于其開發(fā)工具價(jià)格高，導(dǎo)致其價(jià)格較高。對(duì)于方案三來說，價(jià)格處于方案一和方案二之間，比數(shù)字芯片電路高，但相比DSP較低，而方案四略低于方案三。 所以綜合以上觀點(diǎn)，從芯片的性價(jià)比來考慮，選用方案四即基于CPLD器件的步進(jìn)電機(jī)控制方案為此次設(shè)計(jì)的

34、主要方案。第4章 硬件電路的設(shè)計(jì)4.1 相關(guān)理論知識(shí)介紹4.1.1 MAXII芯片的介紹與所用型號(hào)Altera的MAX II 系列CPLD是有史以來功耗最低、成本最低的CPLD。MAX II CPLD基于突破性的體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中，其單位I/O引腳的功耗和成本都是最低的。隨著MAX IIZ的推出，有三種型號(hào)產(chǎn)品都使用了同樣的創(chuàng)新CPLD體系結(jié)構(gòu)：MAX II CPLDMAX IIG CPLDMAX IIZ CPLD這一瞬時(shí)接通的非易失器件系列面向蜂窩手機(jī)設(shè)計(jì)等通用低密度邏輯應(yīng)用。不但具有傳統(tǒng)CPLD設(shè)計(jì)的低成本特性，MAX II CPLD還進(jìn)一步提高了高密度產(chǎn)品的功耗和成本優(yōu)勢(shì)，這

35、樣，您可以使用MAX II CPLD來替代高功耗和高成本ASSP以及標(biāo)準(zhǔn)邏輯CPLD。MAX II 器件系列的高級(jí)特性MAX II CPLD支持高級(jí)功能集成，以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。這一部分介紹MAX II CPLD的高級(jí)特性。低功耗十分之一的功耗 (和前一代3.3V MAX器件相比)1.8V內(nèi)核電壓降低了功耗，提高可靠性。CPLD業(yè)界最低的待機(jī)規(guī)范，大大延長(zhǎng)了電池供電時(shí)間。自動(dòng)啟動(dòng)/停止功能，CPLD不使用時(shí)關(guān)斷。低成本體系結(jié)構(gòu)以一半的價(jià)格實(shí)現(xiàn)四倍的密度 (和前一代 MAX 器件相比)通過設(shè)計(jì)，減小了管芯面積，單位I/O引腳成本在業(yè)界是最低的。高性能支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率性能加倍(

36、和3.3-V MAX器件相比 )。獨(dú)特的特性板上振蕩器和用戶閃存不需要分立振蕩器或者非易失存儲(chǔ)器，減少了芯片數(shù)量。實(shí)時(shí)在系統(tǒng)可編程能力(ISP)器件工作時(shí)，可下載第二個(gè)設(shè)計(jì)。降低了遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)更新的成本。靈活的MultiVolt內(nèi)核片內(nèi)電壓穩(wěn)壓器支持3.3-V、2.5-V和1.8-V供電減少了電源數(shù)量，簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)。并行閃存加載程序宏功能提高了板上不兼容JTAG閃存的配置效率通過MAX II 器件實(shí)現(xiàn)JTAG命令，簡(jiǎn)化了電路板管理。I/O能力MultiVolt I/O支持和1.5-V、1.8-V、2.5-V以及3.3-V邏輯電平器件的接口施密特觸發(fā)器、可編程擺率和可編程驅(qū)動(dòng)能力提高了信號(hào)完整性

37、。使用方便的軟件Altera免費(fèi)的Quartus II 網(wǎng)絡(luò)版軟件支持所有的MAX II CPLD，優(yōu)化了引腳鎖定適配，提高了性能。Quartus II 軟件中新的MAX+PLUS II “l(fā)ook-and-feel”選項(xiàng)增強(qiáng)了軟件的易用性。根據(jù)任務(wù)要求：芯片選擇：CPLD中的MAX II某種芯片；邏輯工作電壓：DC5V，驅(qū)動(dòng)電壓12V使用環(huán)境：-2085。我們選擇了Altera公司生產(chǎn)的CPLD器件MAX II 系列中的AT488芯片進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的芯片。4.1.2 步進(jìn)電機(jī)的介紹與選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種能將數(shù)字的電脈沖轉(zhuǎn)換成模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)的理想數(shù)字控制元件。它在機(jī)電一體化系統(tǒng)中經(jīng)常用作開環(huán)的

38、運(yùn)動(dòng)控制因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、工作可靠、維修容易等一系列優(yōu)點(diǎn)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它采用變磁阻原理產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，將數(shù)字電脈沖輸入轉(zhuǎn)換為模擬的輸出軸運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸以等增量的轉(zhuǎn)角響應(yīng)輸入脈沖序列。當(dāng)控制合適時(shí)，每輸入一個(gè)脈沖，它向前轉(zhuǎn)動(dòng)一步。輸出步數(shù)等于輸入脈沖個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。1）概況 步進(jìn)電機(jī)是一種以數(shù)字脈沖信號(hào)控制的電機(jī)裝置，將相對(duì)的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龅男D(zhuǎn)角度，每一個(gè)基本旋轉(zhuǎn)角度稱為一個(gè)步進(jìn)角度，此為步進(jìn)電機(jī)名稱的由來，因此它可以做精確的定位。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。其主要特性如下：(1)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入

39、脈沖數(shù)成比例，角度的誤差小，而且不會(huì)產(chǎn)生累積的誤差。(2)可以數(shù)字脈沖控制信號(hào)做開路方式控制，避免使用復(fù)雜的反饋控制電路，降低系統(tǒng)制作成本。(3)利用輸入脈沖的頻率高低即可做轉(zhuǎn)速的調(diào)整。(4)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、加速、減速、正反轉(zhuǎn)反應(yīng)快，容易控制。(5)直接連至負(fù)載如輪子，做超低速同步運(yùn)轉(zhuǎn)。(6)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，幾乎不需要太多的保養(yǎng)，使用壽命長(zhǎng)。2）參數(shù)電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9/1.8（表示半步工作時(shí)為0.9、整步工作時(shí)為1.8），這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距

40、角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步進(jìn)馬達(dá)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)馬達(dá)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)馬達(dá)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）：是指步進(jìn)馬達(dá)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)馬達(dá)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)馬達(dá)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。

41、由于步進(jìn)馬達(dá)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)馬達(dá)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)馬達(dá)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)馬達(dá)。DETENTTORQUE：是指步進(jìn)馬達(dá)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。DETENTTORQUE在國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENTTORQUE。3）特點(diǎn)1一般步進(jìn)馬達(dá)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。2步進(jìn)馬達(dá)外表允許的最高溫度較低。步進(jìn)馬達(dá)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，

42、因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)馬達(dá)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3步進(jìn)馬達(dá)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或角速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。4步進(jìn)馬達(dá)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)馬達(dá)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)馬達(dá)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在

43、有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?。步進(jìn)馬達(dá)需要與其配套的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器才能工作，它的最大特點(diǎn)是定位精確。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，步進(jìn)馬達(dá)在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)馬達(dá)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)馬達(dá)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求我們選擇了，步距角為3、工作電壓為12V的三相步進(jìn)電機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的電機(jī)。5）分類（一）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VAriABle ReluCtAnCe，簡(jiǎn)稱 VR）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它

44、的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本距角可以做得很小，但動(dòng)態(tài)性能較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有單段式和多段式兩種類型。 （二）永磁式步進(jìn)電機(jī)（PermAnent Magnet）,簡(jiǎn)稱PM, 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用永磁材料制成的，轉(zhuǎn)子本身就是一個(gè)磁源。轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子的極數(shù)相同，所以一般步進(jìn)角比較大，它輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好，消耗功率小（相比反應(yīng)式），但啟動(dòng)運(yùn)行頻率較低，還需要正負(fù)脈沖供電。（三）混合式步進(jìn)電機(jī)（HyBrid，簡(jiǎn)稱 HB）混合式步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式兩者的優(yōu)點(diǎn)?；旌鲜脚c傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點(diǎn)，而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)而不必提供磁材料工作點(diǎn)的耗能，因此該電機(jī)

45、效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動(dòng)小。這種電動(dòng)機(jī)最初是作為一種低速驅(qū)動(dòng)用的交流同步機(jī)設(shè)計(jì)的，后來發(fā)現(xiàn)如果各相繞組通以脈沖電流，這種電動(dòng)機(jī)也能做步進(jìn)增量運(yùn)動(dòng)。由于能夠開環(huán)運(yùn)行以及控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，因此這種電機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。6）選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此

46、角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特

47、性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 4、力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P為功率單位為瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米 P=2fM/400(半步工作） 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS)7) 相步進(jìn)電機(jī)的介紹根據(jù)以上的幾點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中我們選擇的是四相步進(jìn)電機(jī)。我們以下來介紹四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理：該步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電

48、機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖4-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙

49、四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。所以選擇混八拍工作方式單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖4-2.a、b、c所示：a. 單四拍 b. 雙四拍 c八拍4-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖4.1.3 控制電路設(shè)計(jì)控制電路包括CPU、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、按鍵部分，圖見附錄A。4.1.4 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介：步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方

50、向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個(gè)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5VDC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD

51、-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）4.1.4 驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003簡(jiǎn)介 ULN2003 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN 復(fù)合晶體管組成。ULN2003是大電流驅(qū)動(dòng)陣列,多用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。 輸入5VTTL電平，輸出可達(dá)500mA/50V。圖4-3 ULN2003實(shí)物圖4.1.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及原理圖4-4步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路及原理CPLD采用Altera公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如上圖。CPLD 輸出控制信號(hào)連接至圖上的A、B、C

52、、D四個(gè)端口。其控制信號(hào)經(jīng)光電隔離后進(jìn)入U(xiǎn)LN2003A。ULN2003A是一片集成了7 個(gè)達(dá)林頓管的芯片。來自光耦合的5V 高電平信號(hào)經(jīng)過ULN2003A以后，輸出端與地導(dǎo)通。步進(jìn)電機(jī)的正極接上12V 的工作電壓，負(fù)級(jí)接在ULN2003A的輸出端，當(dāng)CPLD的I/O口為低電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)極與地開路，正負(fù)極之間沒有壓差，電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)CPLD 的I/O口為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)極與地導(dǎo)通，正負(fù)極之間形成12V 壓差，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由四個(gè)線圈的通電速度決定的，也就是由輸入脈沖的頻率決定的，因此，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速選擇其實(shí)就是輸入脈沖的頻率選擇。頻率源為MAXII 芯片上的48MHZ這

53、些頻率通過軟件分頻，21分頻器選擇輸入至CPLD 的I/O 口就能進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制了。第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 控制器組成框圖本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)控制器功能完善，移植性很強(qiáng)，下面是設(shè)計(jì)的方框圖：圖5-1 步進(jìn)電機(jī)控制器方框圖方框 1 中的時(shí)鐘發(fā)生電路是晶體振蕩器產(chǎn)生，要求頻率要穩(wěn)定，頻率的穩(wěn)定度決定步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)度，它要產(chǎn)生三個(gè)不同頻率的時(shí)鐘分別應(yīng)用不同的部分，分別為 3MHZ 的掃描時(shí)鐘、9KHZ 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制時(shí)鐘、1KHZ 的取樣時(shí)鐘。方框 2 控制信號(hào)產(chǎn)生電路主要是在 1KHZ 的取樣時(shí)鐘內(nèi)，對(duì) 3MHZ 的掃描時(shí)鐘進(jìn)行按鍵觸發(fā)，按鍵消抖，按鍵編碼，按鍵功能的產(chǎn)生來進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求產(chǎn)生啟

54、停信號(hào)，多級(jí)加減調(diào)速，單步，正反轉(zhuǎn)等常用的功能控制信號(hào)。方框 3 環(huán)形脈沖分配電路主要是完成對(duì)電機(jī)的工作方式的控制，可 以采用狀態(tài)機(jī)來設(shè)計(jì)電機(jī)的工作模式，如果是三相步進(jìn)電機(jī)可以設(shè)計(jì)為單三拍，雙三拍，混六拍的工作方式在此框中完成。方框 4 光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路主要完成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，由于步進(jìn)電機(jī)的繞組電流較大，為防止電機(jī)的頻繁啟停等對(duì) ASIC 芯片的影響，在輸出端加上光電耦合器和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)中方框 1、4、5 為 ASIC 片外硬件設(shè)計(jì)，2、3 為片上硬件設(shè)計(jì)采用 VHDL 語(yǔ)言來完成設(shè)計(jì)。下圖5-2 為硬件軟件資源規(guī)劃分配圖圖5-2 硬件軟件資源規(guī)劃圖對(duì)于ASIC 芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)，開發(fā)

55、者可以不必了解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需查看芯片手冊(cè)，看引腳功能，芯片可用宏單元個(gè)數(shù)和引腳數(shù)等就可以開發(fā)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)在 MAX II 芯片上進(jìn)行，此芯片有192個(gè)宏單元，80 個(gè)用戶可用的引腳，最快速度可以達(dá)到 4.7ns,開發(fā)后，本項(xiàng)目只占用 29%的宏單元，和15%的引腳資源，器件邏輯宏單元使用率不高，實(shí)際中可以采用其他芯片替代，節(jié)約成本。5.2 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)圖 2 的規(guī)劃，本 控制器設(shè)計(jì)的軟件就是對(duì) ASIC 內(nèi)的功能來進(jìn)行設(shè)計(jì)，使 用 VHDL語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)框內(nèi)四大模塊功能。下圖5-3是在CPLD上總程序設(shè)計(jì)圖：圖5-3 CPLD上總程序設(shè)計(jì)圖5.3 軟件設(shè)計(jì)模塊 根據(jù)圖5-3 的規(guī)劃，本控制器

56、設(shè)計(jì)的軟件就是對(duì) ASIC 內(nèi)的功能來進(jìn)行設(shè)計(jì)，使 用 VHDL語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)框內(nèi)四大模塊功能。 5.3.1 分頻計(jì)數(shù)器模塊本模塊主要是產(chǎn)生其他各個(gè)模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)，減少原始輸入時(shí)鐘的種類，本設(shè)計(jì)采用大于3MHz 時(shí)鐘頻率輸入產(chǎn)生3MHz 掃描時(shí)鐘、9KHz 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速時(shí)鐘,1KHz 取樣時(shí)鐘輸出，下面給出的是分頻計(jì)數(shù)的原理圖：圖5-4 分頻計(jì)數(shù)模塊的原理圖該模塊的引腳定義如下：clk:模塊的時(shí)鐘輸入；clk_3m:掃描時(shí)鐘頻率；clk_1k:取樣時(shí)鐘頻率；clk_9k;步進(jìn)電機(jī)調(diào)速時(shí)鐘頻率；從圖所知，我們對(duì)于輸入的時(shí)鐘頻率必須大于3MHZ，我們從晶震芯片上得知，我們的輸入時(shí)鐘頻率為48MHZ，再經(jīng)過