毕业设计（论文）-36BF003步进电机的单片机细分驱动器设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸编号： 毕业设计（论文）说明书题 目： 36BF003步进电机的 单片机细分驱动器设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位：机械设计制造及其自动化教研室姓 名： 职 称： 实验师 题目类型：理论研究 实验研究 R工程设计 工程技术研究 软件开发2009年5月30日全套图纸加扣 3012250582摘 要步进电机又称脉冲电机，由于不需要位置传感器或速度传感器即可在开环状态定位或同步运行，这有利于装置或设备的小型化和低成本，因而在众多的领域得到广泛的应用。随着电子技术、控制技术和新磁材料的发展和步进电机理论和工艺的日臻完善，步进电机的应用技术也越来越成熟。细分驱动技术是一种有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术。它在不改变电机本体结构的前提下，使步进电机的分辨率得到提高，而且可以减轻系统振荡，提高电机矩频特性等优点，使其在步进电机驱动技术中具有很大的发展前景。广泛应用于对工况要求较高的场合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振动的数控应用中，细分驱动成为步进电机驱动的首选驱动技术。本文在对三相反应式步进电机的细分驱动技术进行系统学习的基础上，设计了三相反应式步进电机的细分驱动器，并对步距角细分精度进行了初步分析。本文在分析三相反应式步进电机细分驱动原理的基础上，对步进电机的驱动技术作了概述，并采用了单片机与恒流斩波驱动技术相结合的方法实现了三相反应式步进电机的细分驱动，以简化硬件电路，实现各种复杂的控制。利用单片机具有很强的数字信号处理能力，方便地实现步进电机的步进脉冲控制、加减速控制、正反转控制及可变细分控制，而恒流斩波驱动技术极大地改善了电流波形、采用能量反馈、提高了电源效率，从而改善了步进电机的矩频特性。关键词：步进电机；细分驱动；单片机；恒流斩波驱动AbstractStep motor, also called pulsed electric motor, can be controlled to realize accurate positioning and rotation Synchronization without feedback from displacement transducer or velocity transducer，which is in favor of miniaturization and lower cost of equipments. So step motor is widely used in many fields, with the progress of electronic and control technology，the application of new magnetism material, the development of the theory and manufacture process of step motor，and the application of step motor is promoted.The subdividing drive is a kind of driving technology that can effectively improve the step precision and characteristic of low frequency. It can improve the resolution of stepper motor, reduce system oscillation and improve the frequency characteristics of stepper motor, without change ontological structure of motor in premise. Thus, it has great future development. It is mostly used when the equipments require high precision，low noise and low oscillation. In the paper，based on the systemic research is conducted about the VR step motor subdividing drive, design the VR step motor Subdivision drive, and preliminary analysis the step angle subdividing accuracy.Based on the analyses of the subdividing drive principle of three-phase reactive step motor, the driving technique of step motor is analyzed, and uses single chip and the constant-current chopper drive technology combination to achieve the VR step motor subdividing drive, to simplify the hardware circuit and achieve a variety of complex control. The use of single chip has a strong digital signal processing capability, can easily achieve the stepper pulse control, speed control, positive control and variable sub-control of the stepper motor, and constant-current chopper drive technology has greatly improved the current waveform, the use of energy feedback, improved power efficiency, improve the frequency characteristics.Key words: stepper motor; subdividing drive; single chip; constant current chopping drive目 录引言11 步进电机驱动技术21.1 步进电机细分驱动技术必要性21.2 步进电机细分驱动的研究现状21.3 三相反应式步进电机细分驱动的基本原理31.4 步进电机驱动技术41.4.1 晶体管单电压驱动51.4.2 高低压供电驱动51.4.3 恒流斩波驱动51.4.4 步进电机细分驱动62 细分驱动系统的总体方案设计92.1 总体方案设计92.2 方案设计比较及确定93 细分驱动器硬件设计123.1 电路整体设计123.2 各功能模块电路123.2.1 单片机控制电路123.2.2 D/A转换电路133.2.3 恒流斩波驱动电路153.2.4 电源电路163.3 硬件电路抗干扰设计183.3.1 元器件布局183.3.2 电路板布线194 细分驱动器软件设计204.1 概述204.2 细分驱动程序设计204.2.1主程序设计204.2.2 延时程序设计234.2.3正反转控制程序设计234.3 硬件电路调试274.3.1 电机转子抖动问题274.3.2 相电压不准问题274.3.3 功率驱动管的发热问题275 步距角测试装置及其细分精度测试数据分析295.1 步进电机测试技术295.2 步进电机细分驱动步距角测量与修正技术295.3 步距角测试装置设计及测试数据分析305.3.1 步距角测试装置设计305.3.2 测试数据与分析316 结论32谢辞34参考文献35 全套图纸加扣 3012250582 第37页 共42页引言步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。步进电机细分驱动技术是七十年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。它是通过控制各相绕组中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也将存在多个稳定的中间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。细分驱动技术进一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。步进电机细分驱动技术首先是由美国学者T.R.Fredriksen在美国增量运动控制系统及器件年会上提出。最初，对步进电机相电流的控制是由硬件来实现的，每一相绕组的相电流用n个晶体管构成n个并联回路来控制，靠晶体管导通数的组合来控制相电流。随着计算机技术的发展，特别是单片机的出现，开创了步进电机细分驱动技术的新局面。用单片机控制的步进电机细分驱动电路不仅减小了控制系统的体积、简化了电路，同时进一步提高了细分精度和控制系统的智能化，从而使细分驱动技术得到了推广。国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。1 步进电机驱动技术步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电动机驱动器。步进电机驱动系统的性能，除与电机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步进行的。目前，步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动、升频升压驱动、桥式驱动(专用于永磁步进电动机和混合式步进电动机)和细分驱动。1.1 步进电机细分驱动技术必要性随着步进电机在数控机械、0A机器中的应用，对小步距、低振动和低噪声的步进电机要求愈来愈迫切。步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。步距角步距角的大小由转子齿数和运行拍数决定，由于受制造工艺的限制，转子齿数和定子相数是有限的，因此步进电机的步距角一般较大。振动是一种不用听觉来判断的频率范围很广的运动现象，而噪声则是一种不希望有的不同频率和不同强度无规律的组合在一起的声音，听觉可以感受到，它不但影响人们的生活和工作，还使物理装置和设备疲劳或失效，或干扰其他信号的感觉和鉴别。步进电机在低频运行时振动严重，而且有较大噪音。步进电机运行的特殊机理，其振动和噪声比其他类型的微电机都高。此缺点使步进电机一股只能应用在一些要求较低的场合。在要求较高的场合，只能采用闭环控制，增加了系统的复杂性。更重要的是，这些缺点严重限制了步进电机作为优良的开环控制组件的更有效利用。细分驱动技术在一定程度上有效克服了步进电机的以上两个缺点。1.2 步进电机细分驱动的研究现状步进电机细分驱动技术是70年代中期发展起来的一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术。1975年美国学者T.R.Fredriksen首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法。在其后的二十多年里，步进电机细分驱动技术得到了很大的发展，并在实践中得到了广泛的应用。实践证明，步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高步进运行的平稳性，增加控制的灵活性等。国内外研究步进电机细分驱动的文献很多，分别对细分数、均匀步距、恒转距、低噪音、低振动、抗干扰等方面进行研究。总结分析这些研究的特点如下:(1)细分电压波形的产生普遍采用可逆循环计数器一EPROM存储器一D/A转换器结构，结合驱动线路按步进电机励磁状态转换表求出所需的环形分配器输出状态表，以二进制码的形式依次存入EPROM存储器中，在线路中只要按照地址的正向或着反向顺序依次取出地址的内容，经过D/A转换器输出所需的控制波形。此模式实际上是一种软硬件结合的技术，通过对EPROM存储器的软件编程即可实现不同细分波形的输出。(2)由于步进电机的电机绕组电流与电机转子转角之间的非线性关系，而且这种关系复杂很难找到一种统一而简便的函数表达式，只能采用近似的方法。获得近似均匀步距的细分波形的常用方法有以下三种:数值插值法、近似波形法、曲线拟合法。然后经过进一步实验修正，最终达到近似均匀步距。(3)专用性是步进电动机细分驱动的又一特点，各研究单位基于不同的目标和机型开发不同的细分驱动电路，一般都具有较强专用性，基于功率、微步距指标、噪音指标等参数不同要求驱动电路不能“兼容”。一旦应用指标、电机型号改变，驱动系统必须重新设计。通过以上分析，步进电机细分驱动理论己趋于成熟，但目前细分驱动器的开发仍有以下不足:1) 需要器件较多，足够容量的EPROM存储器的数量由电机的定子绕组相数决定，相数越多需要的存储器个数越多。计数长度相当的可逆循环计数器需要多片基本计数单元和相关逻辑芯片级联才能实现。如果要实现变细分控制需要器件就更多，EPROM存储器的容量更大。因此系统占用空间较大，不符合步进电机系统的轻、薄、短小的发展趋势，而且抗干扰能力差。2) 对励磁状态转换表的修正是相当繁琐的过程，需要对修改后的状态表程序重新编译，将三路EPROM存储器全部拔下、擦除、烧录、安装，调试。而且，在开发的过程中，需要如此反复修正，工作量相当大、相当繁琐。3) 该环形分配器一旦做成电路板修改困难，需重新布线、制板。1.3 三相反应式步进电机细分驱动的基本原理步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流，实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。图1-1是三相反应式步进电机的磁场矢量图。图中的矢量TA，TB，TC为步进电机A，B，C三相励磁绕组轮流通电时产生的磁场矢量，TAB，TBC。，TCA;为步进电机中AB，BC，CA两相同时通电时产生的合成磁场矢量。一般情况下，当步进电机的内部磁场变化一周(360度)时，电机的转子转过一个齿距，因此，步进电机的步距角。可表示为: 其中:一步进电机的转子齿数;一为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。图1-1 三相反应式步进电机磁场矢量图与步进电机的相数(m)和电机的运行拍数有关。例如，电机以单三拍方式运行，=1200;电机以三相六拍方式运行，=600，和单三拍方式相比，和都减小了一倍，实现了步距角的二细分。但是在通常的步进电机驱动线路中，由于通过各项绕组的电流是个开关量，只能通过各相的通电组合来减小和，这样可达到的细分数很有限。要使可达到的细分数较大，就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流，使其阶梯上升或下降，即在零到最大相电流之间能有多个稳定的中间状态，相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态，这样，相邻两相或多相的合成磁场的方向也将有多个稳定的中间状态。图1-2给出了三相步进电机八细分时的各相绕组电流状态。由于各相电流是以四分之一的步距上升或下降的，在Ta，Tb中间又插入了七个稳定的中间状态，原来一步所转过的角度。将由八步完成，实现了步距角的八细分。由此可见，步进电机细分驱动的关键在于细分步进电机各相励磁绕组中的电流。图1-2三相反应式步进电机八细分时各相绕组电流状态图1.4 步进电机驱动技术步进电机是由电脉冲信号控制的机电执行元件，电脉冲信号的产生、分配及放大等全靠电子元件完成，步进电机驱动电源可分为以下三部分：（1）脉冲信号产生电路（2）脉冲信号分配电路，即环形分配器（3）功率驱动电路，即功率放大器步进电机的驱动电源类型很多，根据功放管的工作状态，驱动电源可分为放大型和开关型两种，放大型电源功放管工作在放大状态，电源功率损耗大，效率低，而且存在着二次击穿和非线性失稳等缺点，一般仅用于小功率和要求不高的步进电机驱动上；开关型电源功放管工作于开关状态，使电源功耗大为降低，稳定性及可靠性均较高，同时也易于采用微机控制，在目前采用的步进电机驱动电源中，绝大多数为开关型，而且已有集成化产品生产。下面将对各种形式的驱动技术作一些简单介绍：1.4.1 晶体管单电压驱动它是最早产生的也是最简单的一种步进电机驱动电源，功率放大管根据环形分配器的输出脉冲导通或关闭，从而使步进电机绕组中得到脉动的电流以驱动电机运行，这种电路有如下特点：（1）电机绕组主回路的供电电压只有一种。（2）为提高电流导通时回路电流上升的陡度，在驱动线路中需串接一个较大的电阻，以减小时间常数，但同时使电源效率大为降低，且必须采用冷却装置。（3）线路简单，成本最低，但只能用于一些小电感、小功率的步进电机。目前这种驱动电源已基本被高性能的驱动技术所淘汰。1.4.2 高低压供电驱动它是在单电压供电的基础上为解决单电压驱动的快速性不好而发展起来的一种供电技术，其基本思路是，在脉冲来到时，在电机绕组的两端先施加一较高电压，从而使绕组的电流迅速建立，使电流建立时间大为缩短，在相电流建立起来之后，改用低电压，以维持相电流的大小，这样做，可以减小甚至去掉限流电阻，使电源的驱动效率大为提高。但这种双电压驱动电源有如下缺点：（1）增加了一个高压电源，而使电源结构复杂，成本变高。（2）由于在脉冲加入时采用高电压供电，故对功放管的特性要求较高。虽然高低压驱动电源具有如上的缺点，但由于它极大地提高了步进电机的快速性，大大改善了步进电机的运行性能，所以这种驱动技术目前在我国的应用仍较普遍。1.4.3 恒流斩波驱动由于双电压驱动电源电机绕组的电流波形较差，影响了电机的平稳运行，所以以此为出发点，发展了恒流驱动技术，恒流式驱动电源有多种形式，如反馈控制式恒流驱动、恒流斩波驱动、定频脉宽调制驱动技术及斩波型平滑驱动等等，它们各有特点，反馈控制式恒流驱动由于其功放管的导通与断开都不能较迅速完成，工作在放大状态下的时间较长，故功耗大、放热多，其性能较差；参考文献介绍了一种实用性较强的恒流斩波驱动电路，为单极性驱动方式，它充分利用了现有的电源电压，能够在较宽的频率范围内工作，由于不需外接限流电阻，故使能耗大为降低，效率较高。但普通的恒流斩波驱动技术由于功放管工作在开关状态，在高频时双极晶体管的功率开关损耗剧增，降低了电机的高频特性，且斩波频率一般设定在12KHZ，电磁噪声大，同时会对邻近的设备造成干扰及在电机里产生附加铁损，对这方面的研究较多：提出了斩波式反馈脉冲恒流驱动技术，为单管式，结构简单，价格较低，由于采用了VMOS场效应管，使电磁噪声显著降低；提出了一种步进电机各相同频调制斩波驱动器，利用方波发生器产生的方波信号作为步进电机各相驱动电路调制器的控制信号，使各相同一频率调制斩波，这样，不会由于各相绕组斩波频率不同，电流通过各绕组间的互感与磁路非线性而出现差拍信号，同时采用VMOS管，电流上升率极快，使电流波形明显改善，工作时无电磁噪声，突跳频率提高，提高了步进电机高频运行能力及驱动电源效率；介绍了一种集成化的恒流斩波驱动器（SS4B001C），它仍然采用恒流斩波，而且斩波频率及脉宽可调，可以通过外接斩波频率调整电阻RT而有较大的调整范围，以检流电阻和比较器组成绕组电流检测电路，以控制绕组电流维持恒定状态，本电路采用典型的双极性桥式驱动电路，具有双极性驱动效率高、中低频特性较好及力矩恒定等优点，由于各相斩波频率相同，故有效的抑制了因各相斩波频率不同而产生的差拍电磁噪声，整个驱动器集成化程度高，驱动能力强，与单片机容易接口，且软件编程灵活，该文还介绍了智能化恒流斩波驱动控制系统的设计方法；介绍了采用8098单片机的脉宽调制输出的特点来控制大功率晶体管模块GTR的导通与关断比，从而以PWM的形式使步进电机的绕组中电流保持不变，改善了绕组电流波形，提高了步进电机的高频特性。恒流斩波驱动技术虽然有许多缺点，如低速运行时由于绕组电流冲击大，使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大定位精度没有提高等，但由于它极大地改善了电流波形，采用能量反馈，提高了电源效率，改善了矩频特性，故目前国内各厂家生产使用的改造型步进电机数控系统的驱动大部分是这种类型。1.4.4 步进电机细分驱动这种驱动技术与前几种驱动技术不同，前几种驱动技术是从电流波形及矩角特性等方面来改善驱动性能，没有提高步进电机的固有分辨率，而细分驱动是从另一个角度去提高步进电机的运行性能，它针对步进电机的分辨率及精度不高，精度与快速性相矛盾，动态中有丢步及振动、噪声大等缺点而产生的一种比较特殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时，只改变相应绕组中的电流的一部分，即对相电流实施微量控制，利用各相电流的阶梯变化产生一系列的假想的磁极对，则转子对应的每步运动也相应只是原步距角的一部分，即达到细分的目的。近几年，国内对这种细分驱动技术的研究较多，但是尚缺乏实用化的产品，而国外虽然有通用的步进电机细分驱动器，但还存在着许多问题，例如价格昂贵，使步进电机的应用丧失了其低价优势，所以研制较高性价比的步进电机细分驱动器具有很大的实际意义。近几年提出的步进电机细分驱动电路较多，它们都分别从不同的角度提出了步进电机细分驱动的实现方法，其基本目的是把步进电机的每一粗步进行细分，得到较小的步距，这就要求使电机各相绕组中的电流按一定的规律阶梯上升或下降，即分段达到相电流的额定值，然后再分段降为零，归纳起来，其实现的方法可以分为如下几类：（1）放大型细分驱动技术其基本思路是把等幅等宽的电压或电流方波合成而得到阶梯波，从而控制绕组中的电流阶梯上升或下降，这又分为两种方法：先放大再叠加，即先对等幅等宽的方波信号进行功率放大，再在电机绕组上进行叠加而得到阶梯形电流。先叠加再放大，即先将等幅等宽的方波信号进行叠加得到阶梯形电流，而后经功率放大再施加到电机绕组上。（2）脉宽调制（PWM）细分驱动细分驱动技术中，阶梯波电流的产生很自然会想到应用脉宽调制（PWM）技术去代替放大状态的功放电路，即用PWM脉冲的脉宽变化控制各相绕组中的细分驱动电流，由于微机及集成电路技术的发展，这种驱动方式逐渐显示出了其生命力，但是目前在实现问题上尚有许多问题需要解决，如线路复杂，成本偏高等。（3）微机控制的步进电机细分驱动技术由于在实现步进电机细分控制的过程中，脉冲产生电路及脉冲分配电路等在采用分立元件实现起来较为复杂，随着微型计算机的发展，由于微机具有很强的数字信号处理能力，这些原来很复杂的部分在用微机实现时就变得很自然而且很简单，特别是Intel公司的51、98等系列的单片机，由于其指令丰富，功能强大，接口容易等优点，已逐渐被广泛应用于步进电机的细分驱动控制中。由于微机具有很强的数字信号处理能力，利用微机，可以很方便的实现步进电机的步进脉冲控制、加减速控制、正反转控制及可变细分控制等，当前在步进电机驱动控制中应用较多的为51及98系列的单片微机。目前利用微机来实现步进电机细分控制的研究较多，但其基本思路已逐步趋于稳定，大多数为预先将细分驱动的各阶梯电流值的阶梯编码存于EPROM中，运行时，利用软件从EPROM中取电流控制字，经D/A转换、电流电压放大及功率放大以驱动步进电机运行，其原理框图如图1-3所示：图1-3微机控制细分驱动原理框图在利用微机控制的实现问题上，它一般要和以上的各种驱动方法相结合，以简化硬件电路，实现各种复杂的控制。由于它和不同的驱动技术相结合，又分为许多种方法。早期的微机控制细分，仍然采用电流叠加法，在采用叠加法时，用Z80单板微机控制细分驱动的实现，它采用从CPU中直接输出相电流控制字，经D/A转换及功放驱动电机绕组，使细分的灵活性得到提高，可以实现可变细分，但其仅利用微机输出脉冲控制量，其灵活性仍较低，远未充分利用微机的高性能。参考文献中介绍了微机控制与斩波驱动技术、调频调压技术及PWM驱动技术相结合在步进电机细分驱动中的应用。但是，由于单片微机的运算速度的限制，其所控制的电机运行频率不可能太高，在要求运行速度较高的场合，一般采用硬件细分，而用微机来实现步进电机的加减速控制、正反转控制等。在微机驱动步进电机电路中，由于微机工作电压与电机工作电压差别较大，为防止高压串入控制回路，应采取有效的抑制干扰措施，一般采用光电隔离的办法。利用微机实现细分的优点是：利用微机可以很容易地实现步进电机的可变细分控制、正反转控制及加减速控制，而且电路简单，性能稳定可靠。其缺点是：由于单片微机运行速度的限制，其频率不可能做的太高。但是它仍然是目前步进电机细分技术的一种主要发展方向。2 细分驱动系统的总体方案设计2.1 总体方案设计对于细分驱动系统的设计，一种方法可以用单片机实现，这种方法侧重于软件设计，功能完全由程序完成;另一种方法可以用集成芯片搭成硬件电路实现，这种方法侧重于硬件，功能由硬件完成。这两种方法各有利弊，由软件实现，就不易保证控制的实时性，但是如果单纯由硬件实现，可以保证实时控制，调试却比较烦琐，而且可靠性较低。因此，在方案设计时，综合考虑软件硬件设计的优缺点，可以遵循以下原则设计步进电机细分驱动系统，也就是由软件实现速度控制、正反转控制、人机交互功能，由硬件电路实现细分功能。本次我设计的系统总体方案结构如图2-1。2-1 系统总体方案结构 它由单片机系统、D/A转换、恒流斩波电路等各部分组成。 单片机系统负责处理步进电机系统的事件流程，如加、减速按键处理、速度显示功能、控制参数保存以及产生控制步进电机转角、转速、转向的CP脉冲。从单片机输出的各相数字信号送入D/A转换器，转换后的模拟电压信号作为恒流斩波电路的参考电压。恒流斩波电路调制出相应的脉宽信号输出驱动电机。2.2 方案设计比较及确定根据查阅相关文献，我设计出下面四种方案：方案1：图2-2 系统方案1方案2：图2-3 系统方案2方案3：图2-4 系统方案3方案4：图2-5系统方案4本设计是设计细分驱动电路，因此，下面就围绕细分驱动这一中心展开分析我对设计方案的选择。在第一章第二节第四部分论述了微机控制的步进电机细分驱动技术是目前步进电机细分技术的一种主要发展方向，而特别是Intel公司的51、89等系列的单片机，由于其指令丰富，功能强大，接口容易等优点，已逐渐被广泛应用于步进电机的细分驱动控制中，这里选择89S51单片机。步进电机是靠电脉冲信号工作的，电脉冲信号按规定的方式分配给步进电机的各相励磁绕组，使各相励磁绕组轮流接受脉冲信号的控制，这种功能通常是由环形分配器来完成的。步进电机的环形分配器是连接控制电路和功率放大电路的中间环节，这三者共同组成了步进电机的驱动电路。如方案1和方案2。环行分配器用来接收来自单片机系统发出的 CP脉冲和正反转方式信号，并按步进电机状态转换表中的状态顺序产生控制各相导通或截止的信号。每当环行分配器接收一个CP脉冲，它的输出就转换一次。因此，我们可以通过控制CP脉冲的频率，来改变步进电机转速的高低、升速或降速、启动或停比，同时，环行分配器还根据单片机系统输出的方向控制信号，决定输出的状态是按正序还是反序输出，也就是控制步进电机是正转还是反转运行。在实现步进电机细分控制的过程中，脉冲产生电路及脉冲分配电路等在采用分立元件实现起来也较为复杂，随着微型计算机的发展，由于微机具有很强的数字信号处理能力，这些原来很复杂的部分在用微机实现时就变得很自然，设计所要求电机单步/连续正/反转，这些功能利用单片机很容易实现。因此这次设计没有设计环行分配器。微机控制的实现问题上，它一般要和各种驱动方法相结合，以简化硬件电路，实现各种复杂的控制，参考文献中介绍了微机控制与斩波驱动技术、调频调压技术及PWM驱动技术相结合在步进电机细分驱动中的应用，如方案2，方案3。恒流斩波驱动技术虽然有许多缺点，如低速运行时由于绕组电流冲击大，使低频产生振荡，运行不平稳，噪声大定位精度没有提高等，但由于它极大地改善了电流波形，采用能量反馈，提高了电源效率，改善了矩频特性，而PWM驱动技术线路复杂，成本偏高等，结合实际，我选择了恒流斩波驱动技术与微机控制的相结合。综上所述，我选择方案4作为我的设计方案。3 细分驱动器硬件设计3.1 电路整体设计根据所设计的系统方案，设计的整体电路原理图如下（一相电路原理图），所用电机是三相电机，另外两相电路图跟上图一样。图3-1 驱动电路一相原理图3.2 各功能模块电路3.2.1 单片机控制电路（1）单片机介绍 ATMEL89C51芯片内时钟振荡器，最高时钟频率为12MHz-24MHz；4KB程序存储器EEPROM，可进行1000次写/擦除操作；内有128个字节的数据存储器RAM；可寻址外部程序存储器和数据存储器空间均为64KB；21个特殊功能寄存器SFR；4个8位并行I/0口，共32根I/0线，1个双工串行口；2个16位定时器/计时器，5个中断源。（2）单片机控制电路图3-2单片机控制电路3.2.2 D/A转换电路（1）D/A转换器选择D/A转换器转换成模拟电压信号为后续的斩波电路提供电压基准。D/A转换作为应用测控系统典型的接口技术，其设计的主要内容是D/A集成芯片的选择，配置外围电路及器件。选择D/A转换芯片时主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求;在结构和应用特性上应满足接口方便，外围电路简单，价格低廉，货源充足等要求。本设计选用DAC0832。DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图3-3和图3-4分别为DAC0832的内部结构图和引脚图。其主要参数如下：参考电压为(+10-10)V；供电电源为(+5+15)V； 图3-3 DAC0832的内部结构图图3-4 DAC0832的引脚图从图3-3中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号。图3-4中，当ILE为高电平，片选信号 和写信号为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。对第二级锁存来说，传送控制信号和写信号同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。图3-4中主要引脚的功能定义如下：DI7DI0 ：8位的数据输入端，DI7为最高位。IOUT1 ：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。IOUT2 ：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。RFB ：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。Vcc ：芯片供电电压，范围为(+515)V。AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。DGND ：数字量地。（2）D/A转换器与单片机的连接及输出接口电路D/A转换器与单片机的连接有三种方式：直通方式：这时两个8位数据寄存器都处于数据接收状态，即LE1和LE2都为1。因此，IEE=1，而，都为0。输入数据直接送到内部D/A转换器去转换。这种方式可用于一些不带微机的控制系统中。单缓冲方式：这时两个8位数据寄存器中有个一处于直通方式（数据接收状态），而另一个则受微机送来的控制信号。双缓冲方式：这时两个8位数据寄存器中都不处于直通方式，单片机或其他微机必须送两次写信号才能完成一次D/A转换。根据设计要求，这里选用单缓冲方式，而D/A转换器输出接口电路选择它的经典应用接口方式，但由于此种接线方式输出负电压，所以需另加一个反向放大器，接线方式图如下：图3-5 D/A转换器接口电路3.2.3 恒流斩波驱动电路在步进电机的细分驱动电路中，功率驱动电路是整个驱动器的核心部分，也是影响整个驱动器的体积的主要因素。恒流斩波法又称为恒电流驱动方法，是一种在导通、锁定、低频、高频工作状态下都保持绕组电流恒定的有效的驱动方法。原理图如图(4-4)所示。主电路由晶体管、电机绕组、取样电阻串联而成。取样电阻选用大电流小阻值的电阻，压降与电机绕组电流成正比。比较器的两个输入端，其中之一接给定电平，另一个接取样电阻的电压信号。当绕组电流上升，由于所加电压较高，电流上升较快，取样电阻的压降代表了电流的大小，当电流超过所设定的值时，比较器输入的取样值超过给定电压，比较器翻转，输出为低电平，使晶体管截止。此时磁场能量将使绕组电流按原来的方向继续流动，电流逐渐下降。当取样电阻上得到的电压小于给定的电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，晶体管导通，电源开始向绕组供电，电流上升，如此反复，电机绕组电流就稳定在给定电平的数值附近，形成小的锯齿波。如图(3-6)所示。 图3-6 斩波恒流驱动电路原理图图3-7 放大后的取样信号斩波恒流驱动中，由于驱动电压较高，电动机绕组回路又不串电阻，所以电流上升很快，当到达所需数值时，由于取样电阻反馈控制作用，绕组电流可以恒定在确定的数值上，而且不随电动机的转速而变化，从而保证在很大的频率范围内电动机都输出恒定的转矩。与普通单电压驱动、单电压串电阻驱动、高低压驱动相比。取自电源的能量大幅度下降，这种驱动器有很高的效率。另外，斩波恒流驱动能有效减少电机共振现象的发生，由于电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动输入的能量是自动随着绕组电流调节。能量过剩时，续流时间延长，而供电时间减少，因此可减小能量的积聚，使低频共振现象有效降低，运行更稳定。3.2.4 电源电路本设计外接电源24V，设计的驱动器内所需的电压为：，5V，2.5V,因此要设计多个电源转换电路：（1）24V转换为15V电路，15V转换为5V电路采用LM78XX系列三端稳压集成电路。LM78XX提供的几个固定输出电压使他们有用广泛的应用。当作为取代齐纳二极管/电阻时，LM78XX通常会导致一个有效的输出阻抗提高两个数量级和低静态电流。LM78XX系列三端稳压集成电路特点： 输出电流为1.5A； 输出电压容限为5 ； 内部热过载保护； 内部短路限制； 没有外部元件； 输出电压5v ，6V ， 8V，9v， 10V ， 12V， 15V ， 18V， 24V； 直接替换LM78XX。24V转换为15V，采用LM7815，电路图如下： 图3-8 24V转为15V电路15V转换为5V，采用LM7805，电路图如下：图3-9 15转为5V电路（2）15V转-15V电路设计采用LTC1144，其特点是： 宽工作电源电压范围： 2V至18V间； 提高引脚（引脚1 ）更高的开关频率； 15V到-15V的简单转换； 功率转换效率： 93 典型； 易于使用。15V转换为-15V，电路图如下： 图3-10 15V转换为-15V电路（3）5V转2.5V电路设计采用MC1403，MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，一般用作812bit的D/A芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。 输出电压: 2.5 V to/- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 输出电流: 10 MA5V转换为2.5V，电路图如下：图3-11 5V转换为2.5V电路3.3 硬件电路抗干扰设计作为电子类产品，电路的抗干扰性能决定了产品的优劣。PCB设计的好坏对抗干扰能力的影响很大。在电路设计上，我们采取了一些抗干扰措施，比如，在外部控制信号与微机控制系统之间加入了光祸电路，在各个集成芯片的电源线端与地线端加接无极性的瓷片去祸电容，添加看门狗电路等等。但是，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利的影响。3.3.1 元器件布局本文设计的步进电机细分驱动器，电路比较复杂，既有模拟电路，又有数字电路;既有微弱信号电路，又有大功率与大电流电路。因此如果元器件布局不合理，则很难给出合理的印刷板布线，结果可能导致各种信号交织在一起，相互干扰，轻则使电路的性能指标和可靠性下降，重则使电路根本无法工作，甚至烧毁电路中的元器件。因此，在元器件布局时，我们注意遵循以下原则:(l)对元器件进行分组布置。将电路分成控制部分、电源部分、功率驱动部分，并将各部分元器件分组布置。同一部分电路又按电源电压、数字电路与模拟电路的不同进行分组。这样按组对印刷板的空间进行分割，将同组的元器件放在一起，以便在空间上保证各组元件不至产生组间的相互干扰。同时，用尽可能把干扰源(如电机)与敏感元件(如单片机)远离。(2)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(3)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来布局。元器件均匀、整齐和紧凑的排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(4)输入输出(I/O)驱动器紧靠连接器，I/O信号不要在印制板上传输过长的距离，以免祸合上干扰信号。(5)将单片机闲置的FO口和其它集成电路芯片在使用中空着不用的输入端接地或VCC。3.3.2 电路板布线为保证电路的抗干扰性，电路板的布线遵循以下原则:1) 根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线和地线宽度，减少环路电阻，并且相互靠近，供电环路面积应该减少到最低程度，不同电源的供电环路不要相互重叠。同时使用电源线和地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。2) 各个集成芯片的电源脚和地线脚连接到同一个电源轨线对中，且在芯片的电源端和接地端之间并接高频的去祸电容，从而使供电环路减小，并且各集成芯片的高频电流环路不会因相互重叠而产生磁场祸合。3) 布置地线时首先考虑“分地”，即根据不同电源电压、数字和模拟、大电流和小电流来分别设置地线，最后在适当位置连接起来，保持整个地层的电连续性。4) 注意接地点的选择。当电路板上信号频率小于1MHz时，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因此采用一点接地。当电路板上信号频率高于1OMHz时，由于布线的电感效应明显，地线阻抗变得很大，此时接地电路形成的环流就不再是主要的问题了，所以应采用多点接地，尽量降低地线阻抗。5) 不相容的信号线应相互隔离，以避免相互之间产生祸合干扰。高频和低频、大电流和小电流、数字与模拟信号线是不相容的，在信号线的布置上仍然应该注意把它们隔离，分布在不同层上的信号线走向应相互垂直，这样可以减少线间的电场和磁场藕合干扰；信号线的布置最好根据信号的流向安排，一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域，因为输入线与输出线通常是不相容的。6) 尽量减少信号环路的面积，以减小环路的差模电流辐射。4 细分驱动器软件设计4.1 概述 整个系统是由各个分立元器件搭成的，但是只有硬件，系统是不能运转的;要使系统能够工作，必须给它编制各种程序。程序软件是系统的灵魂，系统依靠程序软