畢業(yè)設(shè)計步進電機細(xì)分驅(qū)動電路設(shè)計

1、浙江樹人大學(xué)設(shè)計論文題目：步進電機細(xì)分驅(qū)動電路設(shè)計學(xué)院：信息科技學(xué)院班級：姓名：學(xué)號：摘要：由PIC16F876控制的步進電機細(xì)分驅(qū)動電路的設(shè)計，該電路主要包括單片機控制電路、斬波電路、功率驅(qū)動電路及溫度報警與限流電路等。給出了細(xì)分驅(qū)動電路的設(shè)計原理及其實現(xiàn)的方法，提出細(xì)分按照線性加正弦規(guī)律的方法輸出階梯電壓，經(jīng)脈寬調(diào)制(PWM)輸出各相驅(qū)動信號，實現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動信號波形。應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡的90BF003步進電機驅(qū)動，性能良好。關(guān)鍵詞：步進電機、單片機、細(xì)分電路Abstract：A design of microstep driving circuit of step motor based on

2、 PIC16F876 is presentedThe circuit includeschopping circuit，the power drive circuit，temperature measurement circuit and currentlimit circuitThe design principle isgiven in detailThis circuit is applied to drive 90BF003 step motor for an astronomy telescopeKey words:step motor,PIC16F876,microstepping

3、引言：步進電機是一種感應(yīng)電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)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(yè)知識。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進電機在實際應(yīng)用

4、中存在著驅(qū)動電路效率低、低頻振蕩、高頻出力不足、頻率特性差等問題?；赑IC16F876的步進電機細(xì)分驅(qū)動電路將斬波電路和可變細(xì)分控制的方法進行結(jié)合，能夠使電機的高、低頻運行性能和啟動性能明顯提高。步進電動機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是將數(shù)字電脈沖直接轉(zhuǎn)換為位移角度的機電設(shè)備。在一般情況下，步進電機各相繞組電流在步進脈沖的控制下，輪流切換，從而使電機的轉(zhuǎn)子步進旋轉(zhuǎn)。如果每次輸入脈沖切換時，只改變對應(yīng)繞組中額定電流的一部分，那么轉(zhuǎn)子相應(yīng)的每步轉(zhuǎn)動也只有原步距角的一部分。額定電流細(xì)分成多少份(即細(xì)分?jǐn)?shù))，轉(zhuǎn)子就以多少步來完成一個原有的步距角，這種把步距角分成若干步來完成的控制方式稱為細(xì)分控制

5、。雖然這種驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但在不改變電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，使步進電機具有更小的步距角、更高的分辨率；也使電機運行平穩(wěn)，減小或消除電機振蕩，減少噪聲。1.系統(tǒng)功能步進電動機的控制系統(tǒng)一般包含步進脈沖產(chǎn)生與方向控制電路、相脈沖邏輯分配電路和驅(qū)動電路。其中驅(qū)動電路有細(xì)分和不細(xì)分之分。文章以PIC16F876單片機為核心，將相脈沖邏輯分配電路和細(xì)分驅(qū)動電路有機結(jié)合在一起，實現(xiàn)了多功能的步進電機的細(xì)分驅(qū)動電路。電路原理框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)主要分為單片機控制子系統(tǒng)和功率放大驅(qū)動電路兩大部分，兩部分中間由電平轉(zhuǎn)換電路橋接。脈沖輸出功率放大器單片機電平位移轉(zhuǎn)換電路脈沖調(diào)制電路D/A轉(zhuǎn)換電路相選拍選

6、細(xì)分選擇電路步進電機電機驅(qū)動電源 電源電路 電平位移 轉(zhuǎn)換電路步進脈沖輸入相選輸出相選電路 限溫/限流報警電路取樣電壓輸入電壓反饋放大電路圖為步進電機細(xì)分驅(qū)動電路原理框圖單片機控制電路主要包括PIC16F876單片機、產(chǎn)生步進脈沖輸出的斬波電路和產(chǎn)生電機相信號的相控電路以及其他一些相關(guān)電路。單片機通過中斷接口接收步進脈沖和方向信號，根據(jù)方向信號和步進脈沖的順序，輸出階梯電壓細(xì)分值和相控信號。斬波電路由DA轉(zhuǎn)換電路、取樣電壓放大電路和脈寬調(diào)制電路(PWM)組成。DA轉(zhuǎn)換電路將單片機輸出的電壓細(xì)分值轉(zhuǎn)換為模擬量，作為比較參考電壓，加在脈寬調(diào)制電路同相輸入端，與取樣電壓放大電路的輸出值進行比較，由脈

7、寬調(diào)制電路產(chǎn)生恒頻調(diào)寬脈沖，作為步進電機的脈沖信號。為了防止驅(qū)動電路的過流和過熱，系統(tǒng)中設(shè)計了限溫報警電路和限流報警電路。當(dāng)驅(qū)動電路溫度超過設(shè)定值或電機的相電流超過設(shè)定值時，報警電路產(chǎn)生報警信號，讓單片機關(guān)斷各相的驅(qū)動信號，暫停輸出。為了適應(yīng)不同相數(shù)的電機和選擇不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)中設(shè)計了相選細(xì)分選擇電路，在每次加電之前通過撥動開關(guān)來設(shè)置相數(shù)和細(xì)分?jǐn)?shù)，單片機自動識別。功率放大驅(qū)動電路采用經(jīng)典的高低電壓功率場效應(yīng)管對管實現(xiàn)，附加相電流取樣電路和溫度傳感電路。2. 硬件電路設(shè)計2.1 PIC介紹PIC 系列單片機是美國Microchip 公司的產(chǎn)品。它系用精簡指令集（RISC），哈佛總線結(jié)構(gòu)、2 級

8、流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、簡單易學(xué)、低功耗、高速度、體積小、功能強等優(yōu)點，體現(xiàn)了單片機發(fā)展的一種新趨勢，深受用戶的歡迎，已逐漸成為8位單片機的新潮流。PIC 的發(fā)送過程1.初始化波特率與波特率有關(guān)的寄存器有兩個：TXSTA 的BBGH 位和SPBRG，其中前者為高速波特率使能位，TXSTA.BBGH=1，設(shè)置為高速；TXSTA.BBGH=0 則表示設(shè)置為低速。后者為波特率的值，其計算方式為：FOSC/（64（x+1） 低速波特率 =FOSC/（16（x+1） 高速其中 FOSC 為晶振頻率，x 為填入SPBRG 寄存器中的值。2.USART 模塊使能首先選擇通訊方式 TXST

9、A.SYNC=0 為異步方式，TXSTA.SYNC=1 為同步方式。然后將 RCSTA.SPEN 設(shè)置為1，從而使能串行通訊模塊。3. 若用到 TXIF 中斷，則PIEI.TXIE 需要置1 使能，TXIF 中斷是PIC16F87X 單片機14 個中斷源之一，當(dāng)TXREG 寄存器的內(nèi)容為空時或是數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到TSR 寄存器之后，這個中斷位會被設(shè)置為1，只有在當(dāng)數(shù)據(jù)寫入TXREG 寄存器，而還未轉(zhuǎn)移到TSR 寄存器的情況下，這個TXIF 位才會被消除為0。4.位數(shù)設(shè)置：這一步驟決定數(shù)據(jù)的發(fā)送是采用 8 位還是9 位的格式。TXSTA.TX9=0 為8 位，TXSTA.TX9=1 為9 位。5.發(fā)送

10、使能將 TXSTA.TXEN 置1，使能發(fā)送模塊。6. 送數(shù)據(jù)若設(shè)置 8 位數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)寫入TXREG 寄存器；若設(shè)置的9 位數(shù)據(jù)，則還要將9位寫入TXSTA.TX9D 位。7.檢測緩沖器狀態(tài)，發(fā)下一個數(shù)據(jù)檢測 PIRI.TXIF，若為0，則說明TXREG 被寫入且沒有轉(zhuǎn)到TSR，此時不能寫下一個數(shù)據(jù)；若為1，則說明TXREG 為空，或已轉(zhuǎn)移到TSR 中，此時可以寫入下一個數(shù)據(jù)。PIC 的接收過程1.使能接收模塊將 RCSTA.CREN 位置1，使能接收模塊。2. 使能 RCIF 中斷。（將PIEI.RCIE 位置1）同TXIF類似，RCIF也是PIC16F87X的中斷源之一。當(dāng)接收位移寄存

11、器（Receive ShiftRegister,RSR）,接收到串行通訊的數(shù)據(jù)的停止位后，會自動將寄存器的數(shù)據(jù)部分移到RCREG 中，同時將RCIF 中斷位置1。3.讀取接收到的數(shù)據(jù)循環(huán)檢測 RCIF 中斷位，當(dāng)其為1 時，就可讀取RCREG 中的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，RCIF 位被自動清零。4.出錯處理如果接收過程中有錯誤發(fā)生，則RCSTA.OERR 位會被置之不理，此時RSR 中的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移無法完成，要清除這個位的唯一方法是復(fù)位接收邏輯電路，在軟件上可以先將CREN 位清除為0，然后再置1，便可復(fù)位接收模塊。PIC 的接收過程1.使能接收模塊將 RCSTA.CREN 位置1，使能接收模塊。2.

12、使能 RCIF 中斷。（將PIEI.RCIE 位置1）同TXIF類似，RCIF也是PIC16F87X的中斷源之一。當(dāng)接收位移寄存器（Receive ShiftRegister,RSR）,接收到串行通訊的數(shù)據(jù)的停止位后，會自動將寄存器的數(shù)據(jù)部分移到RCREG 中，同時將RCIF 中斷位置1。3.讀取接收到的數(shù)據(jù)循環(huán)檢測 RCIF 中斷位，當(dāng)其為1 時，就可讀取RCREG 中的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后，RCIF 位被自動清零。4.出錯處理如果接收過程中有錯誤發(fā)生，則RCSTA.OERR 位會被置之不理，此時RSR 中的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移無法完成，要清除這個位的唯一方法是復(fù)位接收邏輯電路，在軟件上可以先將CREN

13、位清除為0，然后再置1，便可復(fù)位接收模塊。2.2單片機電路采用單片機實現(xiàn)步進電機細(xì)分控制系統(tǒng)中，其響應(yīng)頻率一直受單片機的速度影響，PIC系列單片機具有精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)，僅30幾條單字節(jié)指令，除跳轉(zhuǎn)指用指令線與數(shù)據(jù)線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，兩級流水線指令取數(shù)與執(zhí)行，這使得PIC在代碼壓縮與執(zhí)行速度方面和同類8位單片機相比，具有較大的優(yōu)勢。PIC16F876單片機是美國Microchip公司中檔產(chǎn)品，采用CMOS工藝制造，帶有FIASH工藝特性，功耗低，IO端口有較大的驅(qū)動能力，扇出電流可達25 mA，可簡化外圍電路；易于編程，執(zhí)行速度高，內(nèi)部具有看門狗WDT防止程序跑飛，另具有程序加密性好、價位低

14、廉等優(yōu)點。在PIC16F876中，共有3個IO端口：端口A、端口B、端口C，都是雙向IO 口。系統(tǒng)中，PIC16F876的端口功能如表1所示。 表一 PIC16F876的端口功能端口功能 端口功能RA0-1相選輸入RB1步進電機方向信號RA1拍選輸入RB474HC373尋址RA2是否細(xì)分輸入RB5TLC7226尋址RA3是否加電至電機RB6TLC7226的A1RA4WR信號RB7TLC7226的A0RA5溫度、限流報警輸入RC0-RC7數(shù)據(jù)總線RB0外部中斷步進脈沖信號從PIC16F876的中斷引腳RB0INT輸入，選擇上升沿觸發(fā)，單片機一旦檢測到引腳上出現(xiàn)有效邊沿，就把INTF位(INTC)

15、N的D1)置1， 向CPU申請中斷，在中斷服務(wù)時間內(nèi)，單片機將完成輸出相選控制信號和階梯電壓細(xì)分值。為了防止錯誤的死循環(huán)執(zhí)行同一個中斷，在重新開放這個中斷之前必須在中斷服務(wù)程序中用軟件對INTF位清零。中斷現(xiàn)場保護是中斷技術(shù)一個很重要的組成部分，由于中斷服務(wù)程序會改變主要寄存器，在返回時可能影響主程序，必須對這些寄存器進行現(xiàn)場保護。在中斷返回之前必須恢復(fù)主要寄存器的原值。而在該程序中，主程序在等待中斷時，行空操作，即使主要寄存器改變也沒關(guān)系。為了防止在受到干擾時程序跑飛，一般在系統(tǒng)設(shè)置看門狗電路。在PIC16F876中自帶了自振式(RC振蕩)看門狗電路，不需要外加電路，簡化了外圍電路。2.3斬

16、波電路斬波電路由DA轉(zhuǎn)換電路、電壓反饋放大電路和脈寬調(diào)制電路(PWM)組成，根據(jù)單片機輸出的細(xì)分值和取樣電壓的反饋值，產(chǎn)生寬度受調(diào)制的脈沖輸出，具電路如圖2所圖2：斬波電路示意圖 DA轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的TLC7226芯片，TLC7226芯片是采用LinBiCMOSTM 技術(shù)的的電壓輸出型四通道8位DA轉(zhuǎn)換器，每一通道片上有獨立的數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)通過8位公共的與TTLCMOS 5 V兼容的輸入端口鎖存到數(shù)據(jù)鎖存器中。在設(shè)計中，TLC7226的工作條件是單電源+12 V供電，基準(zhǔn)為+5 V電壓，DA轉(zhuǎn)換的輸出為05V。電壓反饋放大電路采用同相放大器結(jié)構(gòu)，將取樣電壓同相放大，與DA輸出比較同相放

17、大器采用TI公司的TLC2254芯片，具有滿電源電壓幅度輸出和極低功耗等特點。脈寬調(diào)制電路采用LM339構(gòu)成，LM339為低功耗低失調(diào)四電壓比較器，設(shè)計中采用單電源+5 V供電，接成單限比較器。在V+>V 期間，電路輸出一定寬度的脈沖，控制功放管的導(dǎo)通。在V+<V 期間，電路輸出為0，關(guān)斷功放管。電路中V+為經(jīng)DA轉(zhuǎn)換的細(xì)分電壓，v 為經(jīng)電壓反饋電路放大后的輸出電壓。由于v 是隨繞組電流變化而變化的，故輸出脈沖的寬度隨IN+與IN 之間的誤差變化而變化，從而實現(xiàn)脈沖調(diào)制。2.4報警電路報警電路包括溫度報警電路和電路報警電路。限流報警電路主要是將采樣反饋放大器的輸出電壓與設(shè)置的門限電

18、壓進行比較，當(dāng)超過門限電壓時，說明相電流超過設(shè)定值，產(chǎn)生報警。溫度報警電路采用LM35作為溫度敏感器，LM35為精密攝氏溫度電壓變換器，它的輸出電壓正比于攝氏溫度，靈敏度為l0 n1Vc。由于芯片采用曲率補償電路，其輸出電壓的線性得到了改善，在45+150范圍內(nèi)最大非線性誤差僅為±02 ，它的輸出阻抗很低，可采用單電源或雙電源工作(電壓范圍為520V)，所以很容易地讀出或(和)控制電路接口。LM35的輸出電壓與溫度呈正比，當(dāng)功率放大電路過熱時，LM35的輸出電壓超過設(shè)置的門限電壓，產(chǎn)生報警。2.5功率驅(qū)動電路步進電機系統(tǒng)的控制信號功率很低，因此控制電路連接到電機前必須經(jīng)過幾級開關(guān)放大

19、。功率MOS器件是最理想的電機驅(qū)動元件，因為它不存在二次擊穿，所以電路極其簡單，可以不用復(fù)雜的浪涌吸收電路。MOS器件的柵極可以直接用CMOS電路驅(qū)動_4 J。單相功率驅(qū)動電路如圖3所示。圖3 單相功率放大電路示意圖高頻小功率晶體管9013可加速功率場效應(yīng)管IRF620的導(dǎo)通速度并減小功耗，選用增強型VMOS對管IRF9540和IRF540，這種管子的導(dǎo)通電阻很小約在05 Q以下，可以達到加快開關(guān)速度并降低功耗的目的。在電路中，并聯(lián)在功率場效應(yīng)管的柵極與漏極之間的+l5穩(wěn)壓管是為了保護功率場效應(yīng)管，以防止它的柵極與漏極被擊穿。二極管MUR1560與電機及電源構(gòu)成回路泄放，對提高工作頻率大有好處

20、。3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計及編程實現(xiàn)3.1系統(tǒng)程序流程系統(tǒng)程序分為主程序和中斷程序。主程序主要是端口初始化和寄存器的初始化，判斷相數(shù)、拍數(shù)及是否細(xì)分，然后以空操作來等待步進脈沖的中斷，中斷服務(wù)程序如否否是是是是否否否是正向？表結(jié)束？ 中斷返回讀相選，各細(xì)分值表輸出數(shù)值表址-1讀相選，各細(xì)分值表輸出數(shù)值表址+1溫度限流報警溫度限流報警重量反向偏移量重量正向偏移量表結(jié)束？中斷服務(wù)程序等待關(guān)機關(guān)中斷，細(xì)分相選輸出為0 圖4 中斷服務(wù)子程序圖4所示。在軟件編程中，尤其重要的是為了提高步進脈沖的頻率，應(yīng)盡可能減少中斷服務(wù)程序執(zhí)行的指令時間。該系統(tǒng)采用20 Mt-Iz的晶振，一個指令02 bts，中斷服務(wù)程序一

21、共68個指令周期，則理論上脈沖頻率最大可以是735 kHz。3.2 電機運行方式與方向的軟件實現(xiàn)步進電機的運行方式是指各相繞阻循環(huán)切換通電的方式，實現(xiàn)各繞阻按一定方式輪流加電，需要一個脈沖循環(huán)分配器，這里采用軟件上的循環(huán)查表法。循環(huán)查表法是將各相繞阻加電順序的控制代碼制成一張表，各相輸出的細(xì)分值也制成表，存在內(nèi)存區(qū)，再設(shè)置一個地址指針，正向時賦予表首址，然后地址指針依次加l；反向時賦予表首址加上當(dāng)前步長的偏移量，然后地址指針依次減l，即可從表中輸出加電相選的代碼，通過并行接口轉(zhuǎn)換后驅(qū)動功放管，以及各相細(xì)分值的輸出。相序表和數(shù)值表的建立考慮兩個因素：(1)根據(jù)步進電機運行方式的要求；(2)步進電

22、機各相繞組與數(shù)據(jù)線連接的對應(yīng)關(guān)系。因此，實現(xiàn)同一種運行方式，由于繞組與數(shù)據(jù)線的連接不同，可以有多種相選代碼。當(dāng)然運行方式發(fā)生改變，相選代碼也會改變運行方向。軟件對消一般可使信噪比提高約20餌。通過硬件對消，可使所關(guān)心頻段上信噪比進一步提高。系統(tǒng)中硬件對消，主要MH可變衰減器、移相器、小功率低噪聲放大器組成?？蓪⒈尘靶盘枌ο烈?0餌以下，單個頻點甚至可達一80餌。但是硬件對消同時作用有效頻段較窄。3.3 線性加正弦規(guī)律的數(shù)學(xué)模型步進電動機細(xì)分控制的關(guān)鍵在于：按照什么樣的細(xì)分電流波形(前后沿)來控制步進電機各相繞組中的電流。采用的線性加正弦規(guī)律最接近于電機的非線性， 因而可以實現(xiàn)步距角的等步距細(xì)分，它的數(shù)學(xué)模型如式(1)和式(2)所示。上升沿：C(，2)：z，2M+K×sin(2 zr×，2M)(1)下降沿：c(，2)=z(M 一，2)M +K×sin(2rr×(M 一，2)M) (2)式中，C為細(xì)分電流數(shù)據(jù)，M 為細(xì)分?jǐn)?shù)， 為細(xì)分步序數(shù)(”=0，1，2