(個人專利)一種步進電機控制器及控制方法

1、發(fā)明專利一種步進電機控制器及控制方法申請人：北京聯(lián)合大學背景技術：目前在步進電機控制領域，環(huán)形分配器是個重要環(huán)節(jié)，它可以通過單片機軟件來實現，也可以通過數字電路來實現，但很少見到采用軟硬件結合的方法來實現環(huán)形分配器的功能。目前在高校，實驗室建設蓬勃發(fā)展，實驗設備品種繁多，但相互之間沒有相關性，相互彼此獨立，比如單片機課程的實驗設備的主要是提供驗證性的實驗，讓學生學會使用單片機，而環(huán)形分配器主要是由觸發(fā)器、計數器和組合電路組成，這些電路實驗是數字電子技術課程開設的實驗，這兩種實驗設備分布在不同的實驗室，這就會造成設備利用率低，資源浪費，現有設備不能滿足學生的綜合設計能力。當前在大學電氣專業(yè)，前期

2、課程有數字電子技術，同學們做過觸發(fā)器、計數器，組合電路以及數據選擇器等實驗，后期有單片機課程，如果能夠設計綜合實驗，使前期課程和后期課程有很好的銜接，這樣使學生們既能學好當前知識又能鞏固前面的知識，同時還能進一步改善實踐教學效果，為此我們首先采用D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片來設計環(huán)形分配器，調試成功后用單片機來模擬D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片，單片機的引腳與D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片的引腳是有著對應的關系的，這樣采用軟硬件結合的方法來實現環(huán)形分配器的功能。我們在網上查了大量的資料，目前環(huán)形分配器主要是由D觸發(fā)器及復雜的門電路組成，或者由計數器及復雜的門電路組成，它們最大的缺點是電路復雜，不實

3、用，我們采用D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片來設計環(huán)形分配器，電路結構簡單，思路清晰并且容易理解，這是我們的獨創(chuàng)，采用軟硬件結合的方法來實現環(huán)形分配器的功能，單片機同時還完成數據采集和處理的功能，這又是我們的獨創(chuàng)。 發(fā)明內容：在單片機課程完成以后，為了提高單片機的編程水平和單片機電路的設計能力，需要有被控對象和單片機的結合，這樣才能讓同學們綜合利用所學專業(yè)知識，為此我們首先采用D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片來設計環(huán)形分配器，調試成功后用單片機來模擬D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片，單片機的引腳與D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片的引腳是有著對應的關系的，這樣采用軟硬件結合的方法來實現環(huán)形分配器的功能。步進電機

4、控制器及控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示，步進電機控制系統(tǒng)是由三相步進電機、驅動電路、光電隔離電路以及步進電機控制器組成， 步進電機控制器是由環(huán)形分配器、速度設定電路、工作方式設定電路、節(jié)拍初始化電路、運行開關以及運行指示電路組成，環(huán)形分配器是通過單片機電路模擬D觸發(fā)器和數據選擇器來實現的，單片機同時還完成數據采集和處理的功能。圖1 步進電機控制器及控制系統(tǒng)結構圖實施方案：為了實現上述發(fā)明的目的，我們設計了步進電機控制系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)是由三相步進電機、驅動電路、光電隔離電路以及步進電機控制器組成，步進電機控制器是由環(huán)形分配器、速度設定電路、工作方式設定電路、節(jié)拍初始化電路、運行開關以

5、及運行指示電路組成，環(huán)形分配器是通過單片機U1模擬D觸發(fā)器和數據選擇器來實現的，單片機U1同時還完成數據采集和處理的功能，單片機U1選用的型號是ATmega16。速度設定電路是由電位器PR1和電阻R1組成，電位器的中心抽頭與單片機U1的40腳連接，為步進電機控制器提供速度設定信號，實際上是改變D觸發(fā)器同步信號的頻率值。工作方式設定電路采用撥碼開關DIP2，DIP2的兩個引腳分別與單片機U1的38腳和39腳連接，工作方式設定電路用于選定三相步進電機的步進拍數和步進方向（參考公式1-3）,單片機U1的38腳和39腳對應數據選擇器的選擇輸入信號。節(jié)拍初始化電路采用撥碼開關DIP1，DIP1的六個引腳

6、分別與單片機U1的23腳26腳,27腳,28腳,29腳以及33腳連接，這六個引腳分別對應三個D觸發(fā)器的置位端和復位端，步進電機運行前首先設置撥碼開關DIP1的數值，撥碼開關DIP1的數值是由步進電機的相數和拍數來決定的。運行開關采用單刀開關K1，單刀開關K1與單片機U1的19腳連接，單片機U1的19腳輸出頻率可調的脈沖信號，其可調頻率數值是根據電位器PR1的值來確定的，當單刀開關K1閉合時，單片機U1的19腳與單片機U1的21腳接通，單片機U1的21腳是D觸發(fā)器同步信號，這樣步進電機就可以轉動并且速度可調。D3指示燈每秒閃爍一次表示單片機已經運行，D1指示燈閃爍表示單片機輸出同步信號正常。單片

7、機的引腳與D觸發(fā)器芯片和數據選擇器芯片的引腳是有著對應的關系的，單片機U1的34腳,35腳,36腳分別對應三個D觸發(fā)器的三個輸入端，單片機U1的1腳,2腳,3腳4腳,5腳,6腳分別對應三個D觸發(fā)器的六個輸出端，單片機U1的14腳,15腳,16腳分別對應三個數據選擇器的三個選擇輸出端，單片機U1的7腳,8腳,9腳12腳分別對應第一個數據選擇器四個數據選擇器的選擇輸入端，單片機U1的13腳,17腳,18腳20腳分別對應第二個數據選擇器四個數據選擇器的選擇輸入端，單片機U1的22腳,24腳,25腳37腳分別對應第三個數據選擇器四個數據選擇器的選擇輸入端。一、環(huán)形分配器的硬件設計原理以及實現過程如下：

8、步進電機的轉動是靠不停地改變各相通電繞組的通電順序來實現的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進電機有幾相，就要為其提供幾相脈沖序列。 步進電機最基本的控制系統(tǒng)就是由環(huán)形分配器和功率驅動電路組成的，環(huán)形分配器尤為重要。環(huán)形分配器的基本構成是觸發(fā)器，步進電機有幾相就需要幾相序列脈沖，因此步進電機有幾相就需要幾個觸發(fā)器。每個觸發(fā)器發(fā)出的脈沖就是一個脈沖序列，用來控制步進電機某相繞組的通、斷電。觸發(fā)器工作的同步信號就是控制步進電機在某個坐標軸的位移信號，向觸發(fā)器每發(fā)一個同步信號，步進電機就前進一步，對于環(huán)形分配器來說就是運行了一拍。觸發(fā)器的復位信號和置位信號用于環(huán)形分配器的節(jié)

9、拍初始化，是由步進電機的相數和拍數來決定的。本發(fā)明以三相步進電機為例，選用3個D觸發(fā)器，每個74LS74芯片包含兩個D觸發(fā)器，所以我們選用兩片74LS74。D觸發(fā)器的輸入端是D端，它的信號取自觸發(fā)器本身，觸發(fā)器的輸出和輸入經過一定的外電路連接在一起，構成一個環(huán)形分配電路，3個D觸發(fā)器的輸出端分別是QAQAQBQBQCQC ，3個D觸發(fā)器輸入端分別是DADBDC，D觸發(fā)器輸入端和輸出端的關系由步進電機的相數和拍數來決定的。三相步進電機有三相單三拍工作模式、三相雙三拍工作模式以及三相六拍工作模式。根據這些工作模式我們總結出觸發(fā)器輸入端和輸出端的關系如下：1. 對于三相單三拍正轉通電步進順序：ABC

10、A，應有DA=QC;DB=QA;DC=QB2. 對于三相單三拍反轉通電步進順序：ACBA，應有DA=QB;DB=QC;DC=QA3. 對于三相雙三拍正轉通電步進順序：ABBCCAAB，應有DA=QC;DB=QA;DC=QB4. 對于三相雙三拍反轉通電步進順序：ABACCBAB，應有DA=QB;DB=QC;DC=QA5. 對于三相六拍正轉通電步進順序：AABBBCCCAA，應有DA=QB;DB=QC;DC=QA6. 對于三相六拍反轉通電步進順序：AACCCBBBAA，應有DA=QC;DB=QA;DC=QB從以上可以看出，三相單三拍和三相雙三拍的觸發(fā)器輸入端和輸出端的關系是一樣的，由于環(huán)形分配器既

11、可以工作在三相單三拍方式，也可以工作在三相雙三拍方式，也可以工作三相六拍方式，并且無論是哪種工作方式，既要滿足正轉要求還要滿足反轉要求。那么對三個觸發(fā)器的輸入端來說，上述關系都是相或的關系。為了識別通電方式或方向，我們引入兩個選擇信號A0和A1。令：A1A0 表示三相單三拍正轉選擇信號或三相雙三拍正轉選擇信號。（1）A1A0 表示三相單三拍反轉選擇信號或三相雙三拍反轉選擇信號。（2） A1A0 表示三相六拍正轉選擇信號 （3）A1A0 表示三相六拍反轉選擇信號 （4）則有：DA=A1A0QC+A1A0QB+A1A0QB+A1A0QC (5)DB=A1A0QA+A1A0QC+A1A0QC+A1A

12、0QA (6) DC=A1A0QB+A1A0QA+A1A0QA+A1A0QB (7)上面公式（5）到（7）可以用三個四選一數據選擇器來實現，74LS153芯片包含兩個四選一數據選擇器，所以我們選用兩片74LS153芯片來實現上述功能。在數字電路實驗課程中，同學們已經掌握了D觸發(fā)器和數據選擇器原理和接線方法，在這里同學們參考公式（1）到（7），很快就能實現環(huán)形分配器的功能，最終控制步進電機的轉動，充分利用同學們已經掌握的專業(yè)知識。二、步進電機控制器的軟件實現有了上面的硬件基礎以后，參考圖2，連接好電路圖，環(huán)形分配器是通過單片機模擬D觸發(fā)器和數據選擇器來實現的，單片機同時還完成數據采集和處理的功能

13、?？刂破鞯能浖梢韵履K組成：1數據選擇器程序模塊輸入和輸出引腳定義可參考圖2，輸入和輸出之間的邏輯關系可參考公式1-7.2D觸發(fā)器程序模塊輸入和輸出引腳定義可參考圖2，首先檢測輸入引腳然后讓輸出引腳等于輸入引腳.3節(jié)拍初始化程序模塊讀出撥碼開關DIP1的數值。DIP1的六個引腳分別與單片機U1的23腳26腳,27腳,28腳,29腳以及33腳連接，這六個引腳分別對應三個D觸發(fā)器的置位端和復位端，步進電機運行前首先設置撥碼開關DIP1的數值，撥碼開關DIP1的數值是由步進電機的相數和拍數來決定的。4. 秒定時程序模塊使D3指示燈每秒閃爍一次，表示單片機已經運行5. 速度設定程序模塊單片機的40腳是A/D轉換的輸入腳，它與電位器PR1的中心抽頭連接，在單片機的40腳上得到0-5V的可變信號，單片機首先采集這個0-5V的可變信號，然后啟動單片機的PWM功能，在單片機的19腳上輸出頻率可調的同步信號，輸出頻率可調的數值與0-5V的可變信號有著對應的關系。6. 單片機主程序單片機主程序的框圖如圖3所示。單片機上電后首先執(zhí)行單片機初始化程序完成輸入輸出接口設置、中斷功能設置、A/D轉換功能設置,PWM功能設置；接著執(zhí)行節(jié)拍初始化程序模塊，最后執(zhí)行大循環(huán)程序；大循環(huán)程序包括秒定時程序模塊和速度設定程序模塊。7. 中斷服務程序當單刀