步进电机驱动控制技术及其应用设计研究

步进电机驱动控制技术及其应用设计研究摘要关键字:步进电机、细分驱动、芯片显微自动拍照目录第一章绪论 31.1步进电机概述 31.2步进电机工作原理 51.2.1磁阻式步进电机 51.2.2永磁式步进电机 61.2.3混合式步进电机 71.3国内外发展概况与趋势 91.4关键技术问题 101.4.1正弦细分驱动技术 111.4.2脉冲宽度调制技术 121.4.3升降频控制技术 121.5本论文的工作内容 13第二章两相永磁式步进电机测试仪器的设计及实现 142.1整体介绍 142.1.1驱动方式 152.1.2励磁方式 152.1.3测试流程 162.2硬件设计 172.2.1电源模块 172.2.2单片机模块 182.2.3步进电机驱动模块 192.2.4按键及液晶显示模块 212.3软件设计 223.2.1菜单界面 233.2.2测试流程的实现 242.4设计结果及实验测试 252.5本章小结 27第三章五相混合式步进电机驱动器的开发设计 283.1整体介绍 283.1.1驱动器输入信号 293.1.2四五相励磁方式 303.1.3斩波恒总流功率放大 313.2硬件设计 343.2.1SI7502驱动电路 343.2.2光耦隔离电路 353.2.3Atmega8L外围电路 363.2.4电源管理电路 373.3软件设计 383.3.1Atmega8L软件开发环境 383.3.2程序设计 393.5实验测试 403.4本章小结 41第四章两相混合式步进电机三维细分驱动控制器的设计及实现 424.1整体介绍 424.1.1系统框图 434.1.2正弦细分驱动 434.1.3功能介绍 454.2硬件设计 464.2.1PIC16F877外围电路 474.2.2恒流斩波驱动电路 484.2.3DA转换电路 514.2.4按键检测电路 524.3软件设计 534.3.1PIC16F877开发环境 544.3.2正弦细分控制 554.3.3升降速控制 574.4通讯协议设计 594.4.1帧格式 594.4.2通讯行为 604.4.3功能定义 614.5实验测试 634.6本章小结 66第五章RS232-CAN和RS232-USB协议转换模块的开发设计 675.1CAN及USB介绍 675.1.1CAN总线 675.1.2USB总线 685.2方案设计 695.2.1基于USB、CAN和RS232的通信方案 695.2.2USB-RS232协议转换模块 715.2.3CAN-RS232协议转换模块 725.3硬件设计 735.3.1CAN-RS232电路设计 735.3.2USB-RS232电路设计 755.4软件设计 755.3.1STC89C54RD+开发环境介绍 765.3.2CAN-RS232程序设计 765.5本章小结 78第六章芯片显微自动拍照系统的实现 796.1应用背景 796.2系统总体设计 796.2.1系统构成 796.2.2工作流程 806.3运动控制模块 816.4图像获取模块 836.5本章小结 83第七章工作总结与展望 83参考文献 84致谢 85附录 85第一章绪论步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机,它能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低廉、易于控制、无积累误差等优点,在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用,具有较高的实用价值。为了强调本论文的实用性及可行性，本章综述了步进电机的各种特性；说明了步进电机的构造、工作原理及驱动；回顾了步进电机在国内外发展及应用的概况；分析了本论文所要重点研究的SPWM(正弦脉冲宽度调制)细分驱动、及升降频运动控制等关键技术；最后，介绍了本论文的研究内容以及其它章节的结构安排。1.1步进电机概述基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起着重要的作用。随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。通常所说的步进电机一般是指机电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角。步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量运动因此而得名。所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和加速度，达到调速的目的。除此之外步进电机还具有以下一些优点[1~6]：（1）无刷：步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件的传统有刷电机相比而言可靠性更高；（2）与负载无关：不超载时步进电机能够按照设定的速度运行；（3）动态响应快：易于启动、停止和反转；（4）保持转矩：停止时能够自锁；（5）无累积误差：虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有一定的误差（3~5%），但是转动一周后累积的误差和为零。（6）步距角与环境无关：步进电机的固有步距角是由本身构造决定的，与温度、电压、电流等使用环境无关。（7）易于控制：只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的。

（8）价格低廉：步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言具有较高的性价比。正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。与同样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之处[1~6]：（1）低速转动时振动和噪声都比较大；（2）输出力矩随着转动速度的升高而降低；（3）启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声；（4）速度突变较大时存在丢步和过冲现象；（5）最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小。（6）开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度，振动和噪音小；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相：两相步距角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。1.2步进电机工作原理目前步进电机的种类繁多，性能特点也各有差异，但按照基本构造和工作原理可分为三种类型：磁阻式(亦称反应式)，即VR型（VariableReluctance）；永磁式（亦称爪极式），即PM(PermanentMagnet)；混合式，即HB(Hybrid)。以下将就这三种类型步进电机的构造以及基本驱动原理做简要的描述。1.2.1磁阻式步进电机磁阻式步进电机通常也可称为反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈，转子则是由软铁材料制成的。其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。为了更好的说明磁阻式步进电机的工作原理，图2展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有八个极，转子只有四个小齿，步距角为30°。当绕组1通电时，为了保持其磁通路径磁阻最小，将产生一个转矩迫使X与之对齐；接着若绕组1断电、绕组2通电，则转子将顺时针转动使得Y与绕组2对齐保持磁通路径磁阻最小。实际上的步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角，例如图1所示的是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5个小齿，转子有50个小齿，步距角为1.8°。图1四相反应式步进电机横截面示意图图2三相反应式步进电机示意图[5]1.2.2永磁式步进电机图3永磁式步进电机结构示意图[7]如图3所示，永磁式步进电机转子为N极、S极相间的永磁体，由于定子极冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。其基本工作原理是转子上的永磁体建立的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时，转子也会跟着同步转动起来。如图4所示图4两相永磁式步进电机实物解剖图永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的，当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为N极或者S极，从而与转子的N极和S极相互作用形成电磁转矩。永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说，具有控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且转子永磁体要制成NS密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较大。 1.2.3混合式步进电机混合式步进电机定子、转子铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机可看作VR和PM两种步进电动机的组合。图6所示的混合式步进电机的详细的结构示意题图，图5则是两相混合式步进电机的实物解剖图。从这两个图中可以看出混合式步进电机的定子是多个带有小齿且绕有线圈的极子构成的，这个可以说和反应式步进电机是相同的，而转子则是由左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现S极另一呈现N极且相互错开1/2个小齿齿距以图5两相混合式步进电机实物解剖图[9]图6混合式步进电机结构示意图[8]便形成跟永磁式步进电机类似的N、S相间磁极。混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠绕组通电之后激励的磁场与转子固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的合磁场发生旋转时定子也同步旋转。目前步进电机主要以定子8极、转子50齿的两相混合式步进电机和定子10极转子50齿的五相混合步进电机为主，图7和图8为各自的横截面示意图。图7五相混合式步进电机横截面示意图[8]图8两相混合式步进电机横截面示意图[10]1.3国内外发展概况与趋势步进电机问世以后很快就确定了开环高分辨率数控定位系统的应用领域，在工业上的应用发展至今已有30多年的历史，还没有找到更合适的替代产品，而且已经成为除了交直流电机外的第三大类电机[11]。在其发展历程中，出现了多种类型步进电机，按照基本的构造和工作原理可分为三大类型即磁阻式、永磁式和混合式。在日本和西方等发达国家早期都是研制和应用磁阻式步进电机，但是由于固有的能量利用率低、振动和噪音大等缺点逐步被淘汰掉,目前在国外几乎没有了仅仅在某些场合例如在温度很高的核反应堆中或者需要电动机的不通电的情况下定位力矩为零的时候才使用[12]；永磁式步进电机则由于转子永磁体加工方面的限制步距角一般较大，相应的转动分辨率比较受限，但是由于采用了低成本的爪极式结构使得其制造工艺简单、价格较低，容易快速批量生产，因而广泛应用于对性能要求不高的场合；混合式步进电机则具备了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，成为工业自动化等性能要求较高应用场合的主流，它刚开始和反应式步进电机一同发展起来，后来逐步用于替代反应式步进电机。在步进电机30多年的发展过程中，按照相数、步距角以及机座等划分，可以说出现过的步进电机的规格品种极其繁多，然而这种状态不利于步进电机产业的发展，随着时间的推移目前逐步形成了相应的主流产品，在西方可以明显看出最大量应用的是定子8极转子50齿的二相混合式步进电动机,其次是定子10极转子50齿的五相混合式步进电动机[13]。在我国,步进电动机的研究始于1958年，当时只有清华大学,华中理工大学等少数高等院校在从事这项工作。60年代受苏联的影响，主要以三相磁阻式步进电机为主。70年代我国研制快走丝数控线切割机、数控机床等数控设备的需求对步进电机的发展起了很大的促进作用。当时受到苏联、日本等工业较发达国家的影响，国内开始自行研制磁阻式步进电机的系列产品。70年代末形成了以定子6个极、转子40齿的三相磁阻式电动机为主,另外还有定子10个极、转子100齿的五相磁阻式电动机等共存的步进电机应用局面。可以说，我国80年代以前一直以磁阻式步进电机为主,80年代初开始注意发展混合式步进电机，刚开始主要也是发展定子8个极、转子50齿的两相（四相）混合式步进电机，后来又于1987年开始自行设计定子10极、转子50齿的五相混合式步进电动机,同时为了与磁阻式步进电动机的步距角保持一致还发展了一些不同于国外的非典型产品。虽然经过80年代的努力，我国混合式步进电机技术包括制造技术和驱动技术都与国外水平接近，但是由于我国工业起步较晚且发展之初广泛采用了磁阻式步进电机，产品更新换代没那么快，同时磁阻式步进电机虽然效率低、振动和噪音大但是由于坚固耐用、驱动控制技术成熟、价格较低，仍然很受国内中小企业的欢迎，因此我国步进电机的生产与国外不同仍然以反应式步进电机为主。[12~14]步进电机制造技术虽然在上世纪80年代已完全成熟，但是其性能指标仍在不断地提高[14]。做为主流类型的混合式步进电机仍朝着以下几个趋势发展[12]：（1）小型化；（2）改圆形为方形，以提高力矩密度；（3）综合设计，集成位置传感器、变速齿轮等装置；（4）向五相及三相发展。在驱动控制技术方面，专用芯片、单片机、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、数字信号处理器件（DSP）、现场可编程门阵列(FPGA)等在步进电机系统中的应用，使得各项关键技术如斩波恒流、细分驱动以及升降频控制的实现更加容易，从而促使步进电机运转更平稳、响应速度更快、定位精度更高。此外，虽然步进电机广泛应用于开环定位系统中，但是如果辅之以先进的检测反馈元件（如光栅编码器）组成高精度的闭环定位系统，能够达到更高的定位精度。1.4关键技术问题步进电机由于的驱动控制简单、无累积误差等优点，被广泛应用于经济型的高分辨率数控定位系统当中。但是它存在着两个明显的固有缺点，一个是低速转动时振动和噪音相对较大，另一个是当频率突变过大时容易堵转、丢步或者过冲，这两个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。步进电机作为一种机电一体化设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确。1.4.1正弦细分驱动技术步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动转子做同步运动。不细分时步进电机的合磁场将以一个固定的角度旋转，如果对这个角度进行细分，那么就可以实现对步距角的细分。由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小，因而只要控制流过各个绕组的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向。当步进电机工作在整步或半步时，只需对绕组进行正、反向通断电控制，工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小。如图11所示，以两相混合式步进电机为例，如果控制绕组电流分别按照如下的正余弦规律变化，那么绕组的合成电流矢量或者合成磁场矢(1)；(2)；(3)(4)其中，Ia:绕组A的电流，Ib：绕组B的电流，IPEAK：绕组的电流最大值，I：合成电流矢量，θ0：合成电流矢量的步进旋转角度，n:控制脉冲编号,m：步进电机细分数。量将以恒定大小、均匀的角度θ0做圆周旋转，从而使得步进电机的输出力矩恒定、细分步距角均匀。图11两相正弦细分波形[7]1.4.2脉冲宽度调制技术目前一般采用脉冲宽度调制（PWM）技术来精确控制绕组电流的大小。PWM技术是建立在以下理论基础上：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,效果基本相同[15]。步进电机的绕组由于电流不会突变，具有明显的惯性环节,因此可以用PWM技术来控制电机绕组的电流大小。如图12所示，周期脉冲信号的导通阶段（ton）对绕组进行充电，截止阶段（toff）绕组通过续流回路进行放电。当脉冲的频率和宽度达到一定值时，绕组的电流将基本是一个恒定值，并带有微小的纹波信号。当脉冲宽度改变时，绕组的电流也将发生变化。所以PWM可用来精确控制绕组电流的大小。图12绕组PWM恒流斩波电压、电流波形[7]1.4.3升降频控制技术步进电机从静止启动时，由于惯性和摩擦力矩的作用，如果转动频率突变太大可能会丢步甚至堵转；当步进电机在高速运转时如果突然停下来，则可能会过冲，这些情况都会导致运动不平稳以及定位精度不高。在实际应用场合中，步进电机经常要工作在高速转动和快速起停的状态下，为了克服堵转、丢步和过冲的问题，可采用升降速控制技术。由于步进电机升速过程当中输出力矩明显减少，因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要。步进电机的升速过程一般由突变频率和加速曲线过程。突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为指数曲线为(其中，fm为最高连续运转频率，τ：时间常数)[16]。实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的，因而升速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线（如图13所示）。由于单片机的硬件资源和计算能力都比较有限，一般采用各种方法来拟合升速曲线，常见的方法有台阶拟合法、直线拟合法以及查表法[18]。出于拟合精度和实现难度的折中考虑，实际使用中往往采取直线拟合法。图13指数型升速曲线[17]由于步进电机降速过程中输出力矩增大，因而对降速曲线的要求比升速曲线低得多，只要保证不因为惯性而过冲超步即可。因而实际使用中，往往采用台阶拟合法。1.5本论文的工作内容 本论文的主要工作是在深入研究步进电机的工作原理和驱动控制技术的基础上，根据实际应用需求设计出多种基于单片机的步进电机驱动控制产品。具体完成了以下几个方面的工作：开发了两相永磁式步进电机专用测试仪器.设计了五相混合式步进电机的专用驱动器；开发了两相混合式步进电机三维可变细分驱动控制器；设计了USB-CAN、CAN-RS232的透明协议转换通讯模块；搭建了基于步进电机的芯片显微自动拍照系统硬件平台。 为了具体介绍本论文的工作内容，我们按以下章节结构来安排本论文的撰写。本章主要重点介绍步进电机的特性、工作原理、发展概况以及关键驱动控制技术；第二章至第六章则分别介绍上述的（1）至（5）的具体内容；第七章对本论文的工作进行总结，并展望一下今后可进一步开展的工作。第二章两相永磁式步进电机测试仪器的设计及实现步进电机生产厂商在研制出一款新的步进电机之后，一般都要借助专用的测试仪器对电机的各种性能参数进行实际测试；在量产阶段由于受各种因素的影响一般也会存在一定比例的次品，因而也需要借助专用的测试仪器来判断产品是否合格。然而市面上的步进电机专用测试仪器很少见，即使有也不一定能够满足生产厂商的特殊要求。本文正是在这种背景之下，针对步进电机生产厂商的具体需求，开发出了基于AVR单片机的两相步进电机专用测试仪器，该仪器主要用于测试两相永磁式步进电机，但是由于混合式步进电机的工作原理与永磁式一样，也可用于测试混合式步进电机。2.1整体介绍步进电机生产厂商为了能够测试各种不同性能参数的步进电机，往往对测试仪器通用性要求比较高。以下是本测试仪器的设计目标。驱动电压可调，范围1.5~36V；同时能够驱动6个电机，每个电机最大耗电要能够达到1A；可设置单极或者双极驱动方式；可设置1相、2相或者12相励磁方式。2.1.1驱动方式图2.1单极型两相步进电机图2.2双极型两相步进电机如图2.1所示，单极型两相步进电机内部具有两个励磁绕组，每个励磁绕组上还具有一个中心抽头。这两个中心抽头可以分别引到电机外部，也可以内部连接在一起之后再引到电机外部，因而单极型两相步进电机具有5或者6根外部引线。如图2.2所示，双极型两相步进电机内部也具有两个励磁绕组，但是不像单极型那样有中心抽头，因而其外部引线只有4根。永磁式步进电机的转动主要依靠绕组通电产生的磁场与转子永磁体上南极、北极相互吸引或者排斥，因而与绕组的通电方向有关。单极型步进电机的绕组中心抽头一般固定接地（或者电源），其绕组的通电方向主要取决对上半部分绕组通电还是对下半部分绕组通电，因而对应的单极驱动电路只需对半个绕组进行简单的通断电控制。而双极型步进电机的绕组的通电方向则取决于两端的驱动电压，当施加正向电压时产生正向电流，当施加反向电压时就产生反向电流。2.1.2励磁方式励磁时序选择依据是要使得各个绕组的合成磁场能够沿着圆周均匀旋转。下表1、表2分别为单极驱动和双极驱动的12相励磁时序表。1相励磁方式下，励磁时序为0-2-4-6-0；2相励磁方式下，励磁时序为1-3-5-7-1；12相励磁方式下，励磁时序则为0-1-2-3-4-5-6-7。

表2.1单极12相励磁时序表绕组时序绕组A+绕组A-绕组B+绕组B-01000111002010030110400105001160001710011：通电，0：不通电表2.2双极12相励磁时序表时序绕组01234567绕组A++00+绕组B0+++0+：正向通电-：反向通电0：不通电2.1.3测试流程寿命测试模式主要用于测试电机的实际使用寿命，具体做法是让步进电机按照设定的转动流程，循环转动一段时间（如3000个小时）之后如果还能够正常工作，则表示步进电机使用寿命能够满足要求。具体测试流程如下图所示，其中转动频率F1~F3、转动方向D1~D3、转动时间T1~T3、停止时间t1~t3以及循环次数N都要可以设置。转动频率F设置范围为0~10KPPS（PulsePerSecond）；转动方向可设置为正转或者反转；转动时间以及停止时间的设置范围都为0~9999，单位100毫秒；循环次数设置范为0~99999999。开始开始以频率F1、方向D1驱动马达运行T1秒，然后停止t1秒以频率F2、方向D2驱动马达运行T2秒，然后停止t2秒以频率F3、方向D3驱动马达运行T3秒，然后停止t3秒驱动周期++n==N？否是测试结束图寿命测试流程图2.2硬件设计单片机单片机控制模块液晶显示模块按键输入步进电机驱动模块电源模块图寿命测试仪硬件框图如上图所示，寿命测试仪的硬件主要由单片机模块、液晶显示模块，按键输入模块、电源模块以及步进电机驱动模块构成。按键及液晶模块用于搭建人机交互界面，以便能够灵活地设置及显示系统参数；2.2.1电源模块测试仪所需要的功率比较大，因而电源模块的设计尤为关键。最大负载情况下，寿命测试仪要同时驱动6个电机、每个电机耗电1A且驱动电压为36V，所以总的负载功率为216W。如果采用像上述的转速测试仪那样采用变压器和开关稳压芯片的方案，那么变压器的体积将非常庞大，不切合实际。为此这里我们采用了大功率开关电源和多路开关稳压芯片的供电方案。所选择的开关电源主要参数为350W、48V（可调范围41V~56V），因而相对最大负载功率而言有相当大地冗余，从而能够提高开关电源的使用寿命；开关稳压芯片采用LM2576-ADJ，该芯片具有可调范围大1.23~37V，输出电流高达3A的优点，能够满足设计要求。下图所示的是电源模块的框图，如果用单个LM2576的开关稳压芯片没法提供6A的电流，因此我们设置了三路LM2576输出电压，其中一路专门给单片机及液晶等逻辑电路供电，另外两路则专门给驱动模块供电，每个驱动模块可以驱动三个电机。开关开关电源220交流电LM2576ADJ-1LM2576ADJ-2LM2576ADJ-3电机驱动模块1电机驱动模块2单片机及液晶模块图电源模块框图2.2.2单片机模块单片机模块作为核心控制单元在整台仪器中起着非常重要的作用。此处，我们采用了高性能的AVR单片机Atmega16L。通过Atmega16L的AD转换口可以进行电源电压的检测，通过通用的数字IO口可以进行按键检测、控制液晶显示模块以及控制电机驱动模块切换通电时序等等。以下是单片机模块的框图。液晶液晶模块控制接口按键检测接口ADAtmega16LLM7805线性稳压电机控制IO信号缓冲74LS244电机驱动模块接口电源模块电压信号反馈接口电源输入接口图单片机模块框图2.2.3步进电机驱动模块 步进电机驱动模块直接与电机连接并驱动电机转动，起到功率放大的作用，它的驱动行为受单片机模块的控制。步进电机驱动模块设计的好坏直接影响到寿命测试仪的性能和耐力，此处我们采用了专用双极型电机驱动芯片L298N。L298N是一款高耐电压、大工作电流的双全桥驱动芯片，其工作电压可高达46V，输出电流可高达4A，其具有过温保护功能，控制信号电平与TTL兼容。[]因而采用1块L298N，就可以驱动一个两相步进电机。下图是L298N的功能框图。图L298N内部框图[]下图所示的是步进电机驱动模块的硬件框图，模块中采用了三块L298N芯片因而可以驱动三个电机。同时，我们将逻辑电路的电源与驱动电机的电源区分开来，逻辑电源一般是固定的，可以取9~12V，经过LM7805之后就变成一个稳定的5V电源。驱动电源是可调的，范围为1.5~36V。逻辑电源和驱动电源都是由电源模块提供。控制信号接口控制信号接口IN1IN2IN3IN4ENA、ENBL298N-1L298N-2L298N-3逻辑电源接口驱动电源接口LM7805电机接口1电机接口2电机接口3图步进电机驱动模块框图为了达到既能单极驱动、又能双极驱动的设计要求，我们除了采用L298N构成双极驱动电路之外，还加入了一个NMOS功率管，具体如下图所示，图中的二极管作用是为绕组放电时构成续流回路。图中的四相步进电机有六根引线，工作在单极驱动方式时NMOS功率管Q15和Q25饱和导通，使绕组的公共端2、5接地；工作在双极驱动方式时，绕组公共端2、5不接驱动电路或者让Q15、Q25截止，此时相当于只有两个绕组即绕组13、绕组64，从这个意义上讲四相步进电机与两相步进电机是一样的。可见单极、双极驱动电路的差别仅在于绕组公共端接地或者悬空。图单、双极驱动电路图2.2.4按键及液晶显示模块由于Atmega16L的IO口比较充裕，如下图所示，按键的检测是直接通过读取IO的电平信号来实现的。寿命测试仪并不需要复杂的参数设置，因而如下图所示，仅需要五个按键即S、M、P、+、-。图按键输入电路为了减少单片机的负担，我们采用了带有汉字字库的液晶显示模块HS12232-9。下图所示的是液晶模块HS12232-9的内部功能框图，该模块主要采用了带有中文字库的液晶控制器ST7920，因而在进行单片机液晶显示编程时应该主要参考ST7920的相关资料。ST7920既支持并行连接也支持串行连接，为了节省单片机的IO口，这里我们采用了串行连接方式。HS12232-9与单片机的连接方式如图所示。图HS12232-9内部框图图液晶模块与单片机连接示意图2.3软件设计寿命测试仪的软件设计主要包括两大部分：（1）设计一个人机交互的菜单界面，以便对驱动流程中的各个参数进行设置，包括F1~F3、D1~D3、T1~T3、t1~t3以及励磁方式（1相、2相或者12相）和驱动方式（单极或双极）；（2）驱动步进电机按照设置的流程进行循环运转测试，并通过LCD实时反馈显示当前所处的测试阶段。整个程序都是采用C语言编写的，以下是程序的主函数：unsignedcharpSta=0;//菜单有限状态机的状态指针voidmain()

{

InitDevices();//单片机内部资源初始化

InitLCD();//液晶模块初始化

ReadSysPara();//读取EEPROM中保存的系统参数

while(1)

{

WorkStateMachine();//菜单界面有限状态机

}

}3.2.1菜单界面由上述程序可以看出，寿命测试仪软件的大部分功能都是在函数WorkStateMachine（）当中实现的，该函数的主要功能是响应按键事件以切换菜单或者修改参数。软件中设置了三种菜单界面包括开机界面、设置界面以及测试界面，并通过全局变量pSta来指示当前所处的菜单(0:开机界面；1：设置界面；2：测试界面)。当要更改菜单时，只需要将pSta修改为新的界面编号，并退出WorkStateMachine（）函数，当再次被调用后该函数会根据pSta的值切换到相应的菜单之下。如下图所示，该函数只进行按键响应并不进行按键检测，按键检测是在定时器0的中断函数中进行的，本程序的定时器0中断周期为20ms。函数入口pSta==0函数入口pSta==0?pSta==1?pSta==2?返回显示开机界面循环按键响应显示设置界面显示测试界面循环按键响应电机测试及按键响应YesNoYesNoYesNo图WorkStateMachine（）函数流程图3.2.2测试流程的实现图所示的步进电机测试流程的重点在于步进电机转动频率以及延时的精确控制，由于Atmega16L单片机具有多个功能强大的定时器，因而这两点能够很容易地实现。当定时器1工作在快速PWM模式下，并在其溢出中断服务函数中通过软件进行电机绕组的时序切换，因而电机转动频率就等于定时器1的溢出频率。由于定时器1的最大计数值由具有双缓冲结构的寄存器OCR1A设置，所以修改OCR1A值就等效于修改步进电机的转动频率。Atmega16L的定时器0的功能与定时器1类似，当工作在快速PWM模式下时其溢出周期可由寄存器OCR0设置，此处结合预分频器可将定时器0的溢出周期设置为20ms。然后通过对定时器0溢出事件的计数，就可以实现以100毫秒为单位的精确延时。具体的驱动流程如下图所示，其中t和cnt为全局变量，其余的为局部变量。读取EERPOM中的系统参数读取EERPOM中的系统参数n=0i=0t=0开始n++<N?t<T[i]?控制步进电机以F[i]、D[i]开始转动、t=0i++<3?返回开机界面NOYESNOYESi=0t<t[i]?控制步进电机停止转动，t=0定时器0中断服务函数入口++cnt>=5？按键检测t++cnt=0中断返回NOYESNONOYESYES图测试程序流程图2.4设计结果及实验测试下图所示的是本文最终设计出来的测试仪器的外观，图是其内部硬件实物图。寿命测试仪的工作面板上，设置有LCD、5个按键、两路驱动电压调节旋钮以及电源开关，通过按键及LCD能够很灵活方便地设置并显示系统参数，通过旋钮能够很方便改变电机的驱动电压。寿命测试仪需要设置的参数比较多，但此处我们只采用了5个按键S、M、P、+、-，其中S键用于控制进入测试界面还是退出界面，当处于设置具体某个参数时，该键还用选择参数具体的某一位；M键则用于选择所要测试的参数的种类包括F、D、T、t以及驱动方式、励磁方式；P键则用于一种参数中不同序号的参数，如F1、F2或者F3；+、-键顾名思义，主要用于对具体参数中的某个位进行加或者减操作，而设置哪个位是由按键S选择的，通过这种方式可大大提高设置参数的效率。图寿命测试仪实物外观下图所示的寿命测试仪的内部硬件实物图，为了方便安装、维护以及功能配置，我们将电源模块、单片机控制模块以及步进电机驱动模块分别制作成独立的印制线路板，图中左上角电路板为电源模块、左下角的为单片机控制模块、右边两块板为步进电机驱动模块。图所示的是寿命测试仪的背部视图，由图中可以明显看出有六个步进电机插座，同时可以测试6个步进电机。图寿命测试仪的内部硬件实物图图寿命测试仪的后部视图实际使用结果表明，本仪器各项功能均达到设计要求，且能够长时间稳定可靠地工作，虽然如此但是仍然有些不足，主要问题在于实际加到步进电机绕组的电压波形不大理想，理想的情况下电压波形应当是工整的方波信号，但是实际的波形如下图所示，这主要因为绕组由通电状态切换到断电状态时流经绕组的电流不能突变而是沿着二极管构成的续流回路放电，此时绕组上会有一个反相电动势。图单极、两相励磁方式下电机绕组实测电压波形2.5本章小结本章所介绍的两种步进电机测试仪器（转速测试仪和寿命测试仪）都是采用了高性能、低功耗的AVR单片机Atmega16L。实际开发过程中，我们采用了C语言编写程序，并通过廉价的JTAG调试器进行代码调试，因而节省了不少人力、物力，且以后的升级及维护都比较容易。步进电机测试仪器的关键在于对电机转动频率的精确控制，由于Atmega16L单片机具有功能强大的定时器，因而很容易实现频率的精确控制。此外，这两种仪器的设计过程中我们还充分考虑到了仪器的使用方便，都设计灵活的人机交互界面，转速测试仪主要采用了简单的三态开关、旋钮以及数码管作为操作界面，而寿命测试仪则采用了按键、旋钮及LCD，并在单片机程序中设计实现了一个菜单界面，以便在有限的显示区域内实现对多个系统参数的设置。这两种步进电机测试仪器都是针对步进电机生产厂商的具体需求而开发设计的，目前都已在实际的生产线上投入使用。使用结果表明，这种仪器功能丰富、性能稳定可靠，具有较大的实用价值。第三章五相混合式步进电机驱动器的开发设计混合式步进电机同时具备了反应式和永磁式步进电机的优点，成为高性能步进电机的主流产品，目前广泛应用的主要有两相及五相。五相混合式步进电机相对于两相而言，虽然成本比较高但是性能会更加优越，如低频震荡更小、步距角更小、输出力矩更大以及响应速度更快，因而在一些高端的步进电机系统中应用得比较多。目前，五相步进电机的绕组连接方式主要有：五相星形、五边形、以及五相全H桥；驱动方式主要有：升频升压驱动方式、斩波恒流驱动方式以及斩波恒总流驱动方式；采用五边形连接方式及斩波恒总流驱动技术，能够使得步进电机运转更加平稳、牵出转矩更大，是目前五相混合式步进电机的发展方向[]。本章将介绍一种能够实现斩波恒总流驱动技术的五相步进电机驱动器设计方案，该方案主要采用了SANKEN公司的五相步进电机专用驱动芯片SI-7502(SLA5011、SLA6503)，因而具有线路简单、性能优越、可靠性高、体积小等优点。3.1整体介绍步进步进电机控制器光电隔离环形脉冲分配五相步进电机斩波恒流功率放大步进电机驱动器控制信号反馈信号图3.1步进电机系统框图典型的步进电机系统一般采用模块化设计方法，可分为步进电机控制器、步进电机驱动器以及步进电机三个部分，其中步进电机控制器产生步进电机脉冲控制信号间接控制步进电机转动，脉冲个数以及频率决定了步进电机的转动角度及速度；步进电机驱动器接受来自控制器的脉冲信号，按一定励磁时序轮流切换步进电机绕组的通电状态,直接驱动步进电机转动。步进电机做为一种机电一体化部件，其运转性能不仅与自身机械构造有关，还与配套的驱动器密切关系。步进电机驱动器主要由光电隔离电路、环形脉冲分配器和功率放大电路构成。光电隔离电路，主要用于将控制器与驱动器进行电气隔离，以提高系统抗干扰性。环形脉冲分配器当中固化了一组环形的励磁时序，主要用于接受脉冲信号然后将绕组切换到前一个或者后一个励磁时序。由于励磁时序控制信号驱动能力比较弱并不能直接用于驱动绕组，因而还需要一个功率放大电路。功率放大电路一般由工作在开关状态下的功率管构成，能够提供较大的驱动功率。3.1.1驱动器输入信号步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进电机驱动器接受到一个脉冲信号之后，它就驱动步进电机按照设定的方向转动一个步距角。所以步进电机最基本的输入信号是步进脉冲信号，这种步进脉冲信号有两种形式：单脉冲和双脉冲。单脉冲方式下，需要一个方向信号来设定步进电机是顺时针转动还是拟时针转动；双脉冲方式下，一个脉冲专门控制步进电机顺时针转动，另一个脉冲则控制步进电机逆时针转动。本驱动器采用的是双脉冲方式，除了脉冲信号之外还具有如下所示的（3）-(6)其它输入输出信号。（1）CW脉冲信号：控制步进电机顺时针转动一个步距角；（2）CCW脉冲信号：控制步进电机逆时针转动一个步距角（3）电流切断电平信号：切换步进电机绕组电流，使转子能够自由转动；（4）电流下降电平信号：步进电机静止时，降低其绕组的电流，防止电机及驱动芯片过度发热；（5）整步或者半步电平信号：五相混合式步进电机四相励磁方式下，步距角为整步0.72°，四五相励磁方式下，步距角为半步0.36°；（6）励磁原点电平信号：指示励磁时序的初始状态，当驱动器处于励磁时序0时输出高电平，其它时序下则输出低电平；3.1.2四五相励磁方式图3.1五边形绕组连接及功率放大示意图如上图所示，五相混合式步进电机内部的五个绕组（A、B、C、D、E）按照A-B-C-D-E的顺序首尾串联在一起构成五边形，只需引出五根导线与驱动电路连接；基本的功率放大电路则由上桥臂的五个PNP型功率管，以及下桥臂的五个NMOS功率管构成，这些功率管都工作在开关状态且同一臂的上下两个管子不能同时导通。步进电机的绕组通电之后将会产生轴向的磁场，规定逆时针方向为绕组的正向通电方向，当采用相同的通电方向时五个绕组各自产生的磁场方向将依次相差，因而五相步进电机最基本的励磁时序是单相励磁时序即A-B-C-D-E-A。但是为了产生最大的合成磁场，五边形连接方式的五相混合式步进电机一般采用“四相励磁”（同一个时刻有四个绕组通电）或者“四-五相励磁”（同一个时刻有四个或五个绕组通电）。具体励磁时序如下表所示，表中规定，A、B、C、D、E表示绕组正向通电，、、、、表示绕组反向通电，a、b、c、d、e表示上桥臂五个功率管的导通控制信号，、、、、则表示下桥臂五个功率管的导通控制信号。下表所示的是四-五相励磁时序，只取奇数时序就能构成四相励磁时序表。

表3.1四-五相励磁时序表3.1.3斩波恒总流功率放大步进电动机的驱动方式大致可分为恒压驱动与恒流驱动的两种。恒压驱动方式下，一般采用额定电压给步进电机绕组通电励磁，当电机转动速度比较慢时，由于充电时间比较长，绕组电流能够达到额定值因而输出力矩比较大，但是随着转动速度的升高，由于充电时间的缩短，绕组电流将下降，导致输出力矩明显变小。因而恒压驱动方式下，步进电机的矩频特性比较差。恒流驱动方式下，一般采用高于额定值的电压激励绕组，这样能够提高绕组的充电速度，所以即使在电机高速转动的情况下，绕组也能够获得额定电流，从而保持较大的输出力矩。此外，为了防止绕组电流过大，一般要对驱动电压进行斩波调制。由于绕组的电流不会突变，因而当采用一定频率（如25KHz）的周期脉冲信号对驱动电压进行斩波调制时，绕组的电流将基本恒定除了微小的纹波，大小取决于周期脉冲的宽度。图3.2SI-7502斩波恒总流电路示意图如上图3.2所示，本驱动器的恒总流斩波驱动电路主要采用了SANKEN公司的五相步进电机专用驱动芯片SI-7502(SLA5011、SLA6503)，其中SLA6503内部具有5个PNP型的达林顿功率管用作上桥臂的开关管，SLA5011内部具有5个NMOS功率管用作下桥臂的开关管，而SI-7502主要作为斩波恒流控制器，此外还具有电平移位的功能。图3.3SI-7502的斩波恒流控制电路原理图SI-7502的斩波恒总流控制电路主要由电流检测电路、触发脉冲产生电路、参考电压电路和比较器放大电路构成,如图3.2所示。由于步进电机绕组的电流最终都会汇聚到SLA5011的公共端然后经过检测电阻流到地，因而检测电阻两端的压降就反应了绕组总电流的大小，为了减少功率管开关产生的干扰信号的影响，检测电阻的电压反馈信号经过一个RC滤波电路再送到SI7502的比较器输入端(SI7502的管脚4)。如上图3.3所示，SI-7502内部的比较器通过电阻R4、R5构成一个施密特比较放大器，该放大器的负输入端接参考电压电路及触发脉冲源，正输入端接检测电阻的电流反馈信号；参考电压由内部电阻R1、R2的分压设定，为了实现电压可调可以在管脚2接一个外部电阻Rx与R2并联，参考电压端还直接与触发脉冲输出端相连，并且决定了触发脉冲信号的低电平的大小；SI-7502内部的触发脉冲源固定输出一个频率约25KHz、宽度约1uS的脉冲信号，脉冲信号的低电平等于参考电压（一般在0.5V以下），高电平则与Rx和R2有关（一般在1V以上）；晶体Tr1用作SLA6503电平移位电路的使能端，只有当Tr1导通时电平移位电路才能正常工作,当Tr1截止时SLA6503内部的功率管也将全部截止。触发脉冲电路产生的脉冲信号由于幅度比较大将触发施密特比较器输出低电平，使得晶体管Tr1导通，步进电机内部绕组开始充电，检测电阻的反馈电压逐步上升；由于触发脉冲宽度很短只有1uS，在触发施密特比较器输出电平之后很快消失，取而代之的是参考电压，当检测电阻的反馈电压经过R5、R4的分压之后在比较器正端呈现的电压值超过参考电压时，施密特比较器将翻转输出高电平信号导致Tr1截止，从而切断各个绕组的电源，使得绕组进入放电状态、总电流逐步下降；下一个脉冲过来后，绕组再次被触发进入充电状态，当总电流超过参考值时绕组又回到放电状态，如此周而复始，步进电机绕组的总电流将维持恒定，从而达到了斩波恒总流的目的。3.2硬件设计光电隔离光电隔离TLP112ATLP181BL环形脉冲分配Atmega8LSI-7502SLA6503SLA5011电流检测斩波恒总流驱动电路图驱动器内部框图如上图3.2所示，驱动器的光电隔离电路主要光耦器件TLP112A和TLP181BL构成，TLP112A的开关速度比较快用于对步进脉冲信号进行隔离，而TLP181BL用于对其它电平控制信号进行隔离；驱动器的环形脉冲分配器主要通过AVR单片机Atmega8L的软件设计来实现；斩波恒总流驱动电路则采用了SANKEN公司的五相步进电机专用驱动芯片组SI-7502、SLA5011和SLA6503。3.2.1SI7502驱动电路图SI-7502（SLA6503、SLA5011）驱动电路上图所示的是，SI-7502以及SLA6503、SLA5011的具体电路图。图中，5K电位器用于设定步进电机转动时绕组总电流的大小，10K的电位器则用于设定电流下降模式下绕组总电流的大小；为了防止下桥臂芯片SLA5011内部NMOS功率管的栅极被大干扰信号击穿，此处在每个管子的栅极多串联了一个100欧姆的保护电阻；电流检测电路中，检测电阻应当取大功率、小阻值的电阻，且应当在检测电阻两端并联一个反接的快恢复二极管，为绕组提供一个快速放电的通道。3.2.2光耦隔离电路光耦隔离电路主要采用了光耦器件。如下图所示，光耦器件内部主要由输入端的发光二极管及输出端的光敏二极管或光敏三极管构成，在输入端能够将电信号转化为光信号，输出端再将光信号转化为电信号，从而实现了输入端与输出端之间的电气隔离，提高了系统的抗干扰性能。驱动器总共有5个输入信号，以及1个输出信号，每路信号都采用了光耦器件进行隔离，其中CW、CCW脉冲信号的频率往往比较高因而采用了高速光耦TLP112A（脉冲边缘上升或下降时间0.8uS）进行隔离、其它路信号则采用普通光耦TLP181BL（脉冲边缘上升或下降时间3uS）即可。如下图所示，光耦电路输入端的2200欧姆的电阻主要作为光耦内部发光二极管的限流电阻，以免信号电流太大而烧毁光耦；此外，光耦内部发光二极管容易被反向击穿，因为外部需要并联一个反接的普通二极管，以防止控制信号接反而损坏光耦。光耦内部发光二极管主要由电流信号驱动，相对于电压信号而言抗干扰性能比较强，为了进一步提高抗干扰性，我们还在输出端串接一个简单的RC滤波电路。图TLP112A电路图TLP112A电路3.2.3Atmega8L图3.Atmega8L及其外围电路如上图所示，Atmega8L单片机外围电路相当少，由于具有片内的RC振荡器以及上电复位功能，可以不外接晶振以及上电复位电路，仅接了2个0.1uF的退耦电容。由于Atmega8L支持ISP（InSystemProgram）编程，为了方便编程、调试，此处还预留了一个ISP的编程接口。Atmega8L单片机的片内资源很丰富，本驱动器主要利用其GPIO口。3.2.4电源管理电路图电源管理电路如上图所示，由于SI-7502以及单片机正常工作的需要，驱动器内部采用了线性稳压芯片7812、7805对外接的24V电源电压进行降压稳压，以获得12V以及5V的电压源。为了防止电源接反而烧毁芯片，可采用允许流过较大电流的肖特基二极管1N5822进行保护，当电源接反时该二极管迅速截止从而将电源回路断开；为了防止故障状态下驱动器内部芯片因电流过大而被烧毁，可在24V的电源输入端串接一个PPTC自恢复保险丝，正常电流下该保险丝处于低阻状态不影响电路的正常工作，当电流过大时，该保险丝会因为温度升高而进入高阻状态，从而阻断电流回路，当故障排除之后自恢复保险丝随着温度的降低而恢复到低阻状态；[]如果直接采用7805将24V的电源电压降到5V时，由于输入输出电压太大，大部分功率将被7805内部电路耗散导致过度发热，为了克服这个问题，可在24V电源与7805之间串接一个一定大小的功率电阻。3.3软件设计3.3.1Atmega8L软件开发环境ATmega8L虽然不像上一章所用的Atmega16L那样具备JTAG调试接口，但是由于具备了ISP（InSystemProgram）程序下载接口，并且也支持C语言编程，因而开发也是非常便利。具体的调试开发环境如下图所示，其中AVRStudio是Atmel公司推出的专门用于开发AVR系列单片机的集成工作环境,该软件集成了汇编编译、软件模拟、在线仿真以及编程等功能，支持源代码级调试，还可以与STK500、AVRISP、JTAGICE等仿真、编程工具配合使用，并支持ICCAVR等第三方工具；ICCAVR是ImageCraft公司推出的一款专门针对AVR系列单片机的C编译器，该编译器具有环境友好、编译效率高等优点被广泛使用。PC端软件PC端软件目标板ISP编程器AVRISP集成开发环境AVRStudioC语言编译器ICCAVRSPIRS232图AVR单片机开发调试环境示意图在上述开发环境之下，用户是在ICCAVR中编写并编译C语言的程序代码，编译通过之后会生成一个后缀为HEX的二进制文件。然后在AVRStudio中打开AVRISP的控制面板，并在控制面板当中将HEX的二进制文件导入，如果此时目标板、AVRISP都连接正常并且已经上电，就可以点击下载按钮快速将程序下载到Atmega8L单片机当中，然后通过观看以及测试程序的运行结果以判断程序是否实现预想的目标。3.3.2程序设计系统初始化系统初始化开始检测并响应电流下降信号检测并响应电流切断信号指示励磁时序原点外部中断1服务函数入口外部中断2服务函数入口整步？整步？切换到下一个奇号励磁时序切换到下一个励磁时序切换到前一个奇号励磁时序切换到前一个励磁时序中断返回中断返回图驱动器程序流程框图Atmega8L单片机在驱动器中除了用于实现环形脉冲分配的功能之外，还可以用于检测并响应其它控制信号，与传统硬件环形脉冲分配器相比具有更大的灵活性。如本章第一节所介绍的，本驱动器有5个输入信号（CW脉冲信号、CCW脉冲信号、电流切断电平信号、电流下降电平信号、整步或者半步电平信号）以及1个输出信号（励磁原点电平信号），为了提高步进电机跟随步进脉冲的速度我们采用了外部中断对CW、CCW脉冲信号进行检测和响应，其它电平信号则只需采用轮询方式进行检测与响应，上图所示的是Atmega8L的程序框图。单片机上电之后，首先对内部硬件资源以及系统变量进行初始化，然后进入一个主循环。主循环当中如果检测到电流下降或者电流切断信号，并不立即将低或者切断电流而是要先判断当前步进电机是否处于静止状态，若处于静止状态才进行降低或者切断电流的操作，步进电机静止的判断依据是超过一定时间（如1秒）没有再接收到步进电机脉冲。3.5实验测试图SI-7502的Vref+和Vref-管脚电压波形上图所示的是SI-7502的Vref+（4脚、通道1）和Vref-（2脚、通道2）管脚的电压波形图，其中Vref+为检测电阻的反馈电压，Vref-为参考电压。由图中可以看出，Vref-的参考电压上面还叠加了频率约25KHz、宽度约1uS的触发脉冲信号，该脉冲幅度远大于检测电阻的反馈电压峰值，因而能够确保每次触发脉冲之后绕组进入充电状态，由于宽度比较小因而不会影响到检测电阻反馈电压与参考电压的比较。当绕组进入充电状态之后绕组电流逐步增大，检测电阻两端的压降也逐步升高，当该电压大于参考电压时会触发绕组进入放电状态。图步进电机绕组电流波形从上图中，只能看到绕组在充电情况下总电流的波形，为了能够更直观地看到绕组充放电过程的波形，我们在五相步进电机的一根引线上串联一个0.5欧姆左右的功率电阻，然后用示波器测量其两端的电压波形，由图中可以很明显地看出绕组在整个充放电过程中的电流波形。3.4本章小结本章综合介绍了一款高性能的五相混合式步进电机斩波恒总流驱动器。该驱动器的斩波恒流功率放大电路主要采用了五相步进电机专用驱动芯片SI-7502（SLA6503、SLA5011）,与采用分立元件设计的功放相比不但能减少器件数量、缩小驱动器体积、降低成本,而且能够简化设计难度、提高电路的整体性能。驱动器的环形脉冲分配电路主要采用了高性能的AVR单片机Atmega8L，该款单片机集成片内RC振荡器、上电复位、掉电检测以及看门狗等硬件资源，因而所需外围器件很少，并具有抗干扰性强的优点；通过Atmega8L的软件设计不但可以实现环形脉冲分配功能,而且还可检测并响应各种控制信号,使得驱动器的功能更加丰富。本驱动器的研制主要面向实际应用，因而设计过程中除了采用上述的专用驱动芯片以及高性能单片机之外，还充分考虑了信号隔离以及电源的过流保护等抗干扰措施。实际使用以及实验结果表明，本章所介绍的驱动器达到了斩波恒总流的控制目的，并且由于采用了四五相励磁方式，使得五相步进电机在各个频率范围内能够输出较大的恒定力矩。第四章两相混合式步进电机三维细分驱动控制器的设计及实现步进电机能够在开环情况下实现良好的定位精度，并且具有价格低廉、易于控制、无累积误差等优点，被广泛应用于经济型的开环定位系统当中。细分驱动技术能够减小步进电机的低频震荡和步距角，从而可以提高定位系统的精度和分辨率。本章针对显微镜载物台等高精度三维定位应用场合，设计出了一款基于PIC16F877单片机的两相混合式步进电机三维可变细分驱动控制器，它可同时控制三个步进电机分别按照不同参数进行运动。4.1整体介绍典型的步进电机系统一般由控制器、驱动器以及步进电机构成，控制器以脉冲方式控制驱动器驱动步进电机转动，控制器发出的脉冲的数量和频率决定了步进电机转动的角度和速度；驱动器则接受来自控制器的脉冲信号，按照一定时序轮流切换步进电机的绕组的通电状态，使步进电机转动起来。如果采用这种模块化方式，三维定位系统的电气部分就至少需要三个驱动器以及一个控制器。本章所设计的基于PIC16F877单片机的三维可变细分驱动控制器，相当于集成了一个控制器以及三个细分驱动器，与模块化系统相比能够大大降低成本、提高系统集成度以及减小安装使用的难度。4.1.1系统框图单片机单片机细分驱动模块1细分驱动模块2细分驱动模块3按键RS232限位输入信号控制输出信号步进电机步进电机步进电机图4.1三维可变细分驱动控制器系统框图如上图4.1所示，三维可变细分驱动控制器主要由一个单片机以及三个细分驱动电路模块构成。细分驱动电路主要起恒流斩波功率放大的作用，单片机除了用于控制三个细分驱动模块的励磁时序以及设置绕组电流大小以实现细分驱动之外，还主要用于检测并响应按键以及串口事件。此外，虽然由三维可变细分驱动控制器和两相混合式步进电机构成的定位系统是位置开环系统，但是与步进电机连接的机械移动装置一般带有简单的限位检测功能以标志起始和终止位置，为此本三维驱动控制器还预留六路限位输入信号，每一维有两路限位信号。另外，除了通过串口跟外部控制装置进行通讯之外，本驱动控制器还预留一路光耦隔离的电平输出信号，可用于简单指示关键状态如运动状态等。4.1.2正弦细分驱动恒频PWM恒频PWM控制电路DAH桥逆变器电流检测参考电压单片机图4.2正弦细分驱动电路框图正弦细分驱动的原理在第一章当中已经有介绍，此处则重点介绍其电路实现机制。如上图4.2所示，正弦细分驱动电路主要由恒流斩波驱动电路和DA转换电路构成，其中恒流斩波驱动电路用于精确控制步进电机的绕组电流的大小，它主要由恒频PWM控制电路、H桥逆变器以及电流检测三部分构成；而DA转换电路则用于设定绕组电流的大小，因而当单片机控制DA转换电路输出按照正余弦规律变化的阶梯参考电压信号，就能够间接控制绕组的电流按照正余弦规律变化从而实现正弦细分驱动。恒流斩波驱动电路是本三维可变细分驱动控制器的关键所在，以下我们以单个绕组的恒流斩波控制电路为例，如下图4.3所示，来详细介绍恒流斩波的电路实现机制。图4.3恒流斩波驱动电路原理示意图本章所介绍的三维驱动控制器的恒流斩波电路原理与上图4.3所示的基本一致。由图中可以看出，斩波恒流电路主要由RC振荡器、D触发器、功率管、电流检测电阻Rsense以及比较器构成。当RC振荡器产生脉冲信号到来时，将使得D触发器输出高电平驱动功率管饱和导通，绕组进入充电状态电流逐步增大；当绕组电流在检测电阻Rsense上产生的反馈电压Usense高于由DA转换器设定的参考电压Uref时，比较器输出高电平信号将D触发清零使得功率管截止；功率管截止时，流过绕组的电流不会突变而是沿着续流二极管构成的回路逐步放电，直到下一个脉冲信号过来。如此周而复始，当脉冲频率较高时，绕组的电流将保持在一个波动很小的范围内，可视为恒定且大小约等于Uref/Rsense，因而单片机只需设定DA转换器的输出电压就可间接设定绕组电流的大小，从而能够很方便地实现正弦细分驱动。4.1.3功能介绍图4.4三维可变细分驱动控制器实物图上图4.4所示的是本章最终设计出来的三维可变细分驱动控制器的实物图，该实物图内部功能模块的布局与图4.1基本一致。由图中可以看出，该三维驱动控制器对外接口主要有：电源输入、光耦隔离输出、RS232通讯、按键以及三个步进电机接头。其中，电源输入电压大致范围为15-36V，一般取24V；光耦隔离输出用于指示电机运动状态，当三个电机当中只要有一个处于运动状态，光耦就输出导通状态，否则输出截止状态；RS232用于与外部的其它控制设备如PC进行通讯，其它控制设备通过RS232可控制任何一个步进电机以设定参数运动，主要运动参数有：方向（顺时针或者逆时针）、细分数（可选的细分有0、2、4、8、16、32）、运动步数（0-65535），此外通过RS232也可以设定按键的响应内容以及返回三维驱动控制器的状态如限位信号、运动状态；按键则主要作为脱机触发方式，当检测到按键被按下时，驱动控制器会驱动步进电机按照事先设定的按键响应内容进行运动；三维驱动控制器与步进电机连接采用了与RS232一样的接头即母DB9，其中管脚1：右限位输入；2：左限位输入；5：地；6-9：两相混合式步进电机的A+端、A-端、B+端、B-端。此外，由图4.4可以看出，三维驱动控制器当中还具有4个电位器。从上之下看，前三个电位器分为用于调节Z轴、Y轴以及X轴步进电机绕组电流的峰值，当步进电机的负载比较大时可以通过这三个电位器把绕组电流峰值调大以提高步进电机的输入力矩；最后一个电位器则用于调节斩波频率，由于三个细分驱动电路模块采用了同一个触发脉冲源，因而只需要一个电位器即可。另外，为了能够更加直观地各种状态，三维驱动控制器上还设有各种LED指示灯，包括电源指示灯、光耦状态指示等以及限位状态指示等。由于本三维驱动控制器主要是针对显微镜的电控位移台而设计的，因而对运动的平稳性要求比较高。简单实用起见，在运动速度控制上我们采取了这样一种策略，即运动速度并不能由外部控制器直接设置而是根据运动参数当中的细分数和步数做选择。当步数比较少时直接以较低的速度匀速转动，当步数比较大时则自动加入一个简单的升降速过程，不同细分数升降过程的参数不一样。同时，为了防止电机驱动芯片过度发热，当电机静止时我们将两个绕组的电流按同比例（如0.5）同步降低即所谓的半流锁定。4.2硬件设计PICPIC16F877细分驱动模块1细分驱动模块2细分驱动模块3按键MAX232L6506TLC5615L298N电流检测参考电压细分驱动模块IOADIOIO图4.5三维可变细分驱动控制器硬件框图如图4.5所示，三维可变细分驱动控制器的微控制器采用了Microchip公司的PIC16F877单片机，该款单片机具有工作速度快、硬件资源丰富、抗干扰性强以及开发环境友好等优点。恒流斩波驱动电路主要由L6506以及L298构成，L6506是一款单片集成的斩波恒流控制器，主要应用于步进电机以及其它感性负载的恒流控制；L298内部集成了两个H桥驱动电路并具有耐压高、驱动电流大的优点；因而采用L6506以及L298能够大大减小恒流斩波驱动电路的器件数量以及成本，非常适用于本三维驱动控制器。DA转换电路采用串行10位DA转芯片TLC5615，能够大大节省单片机PIC16F877的IO资源。4.2.1PIC16F877外围电路图4.6PIC16F877外围电路PIC16F877是一款高性能的RISC微控制器，当采用20MHz的外部晶振时其指令周期可低至200ns；具有AD转换模块、UART模块、EEPROM以及丰富的GPIO（通用输入输出口）等，硬件资源丰富；集成了上电复位、掉电复位以及硬件看门狗等功能，抗干扰性强；支持在线调试以及C语言开发，开发环境友好。这些优点使得PIC16F877能够很好的满足本三维驱动控制器的设计要求，因而我们采用PIC16F877作为系统控制单元。如上图4.6所示，PIC16F877基本的外围电路主要有20MHz晶振电路、按键复位电路、退耦电容以及上拉电阻。由于本三维驱动控制器只用了一块PIC16F877单片机同时控制三个细分驱动电路，因而需要大量的GPIO口用于控制三个步进电机的励磁时序、设置相应的DA转换芯片TLC5615的输出电压以及检测各个步进电机的限位信号，所以由图4.6可以看出PIC16F877的各个IO口均被充分利用。4.2.2恒流斩波驱动电路图4.7LL6506是专门针对双H桥逆变驱动电路如L298N而设计的，它的主要功能是检测并控制流过负载绕组的电流。如上图4.7所示，L6506具有一个片内的RC振荡器，用于产生PWM恒流斩波所需要的周期脉冲信号，该振荡器的振荡频率可通过外接的电阻R、电容C设置，当电阻R取值大于10K欧姆时，振荡频率约为。从图4.7中可以看出，L6506内部RC振荡器是独立的并没有直接接到触发器的同步输入端，这样做的好处是当系统当中使用了多片L6506时，可以将它们的触发器同步端都接到一起再连到其中一片主L6506的振荡器输出端，这样可以降低地噪声的不良影响。当RC振荡器的输出端OSC连接到触发器的同步端SYNC时，振荡器的产生的脉冲信号将使得触发器输出有效信号，绕组开始充电。当绕组电流达到设定值时，在检测电阻Rsense上的压降Vsense将等于或者大于Vref,使得比较器输出低有效清零信号将触发器复位，以中断绕组的充电状态直到下一个脉冲信号的到来。如此反复，绕组的电流将保持在一个波动很小的范围内，且峰值可由检测电阻Rsense以及Vref设定。L6506内部具有两路独立的对H桥逆变器的斩波恒流控制电路，因而对每个绕组的电流可进行独立设置。这使能L6506能够很方便地实现对两相混合式步进电机的细分驱动。图4.8LL298N是一款能够承受高电压、大电流的双H桥驱动器，且控制信号采用了标准的TTL逻辑电平，其内部框图如上图4.8所示。由图中可以看出，每个H桥的低压端两个功率管的发射极连接在一起，相应的管脚可外接一个大功率、小阻值的检测电阻，用于检测流经H桥的电流；具有两个使能输入端，分别用于控制两个H桥工作与否；将H桥的驱动电源与逻辑控制电路的电源分立开来，使得逻辑电路能够在低电压下工作。因而，L298N和L6506能够很配套地用于两相混合式步进电机的恒流驱动，如下图4.9所示。图4.9恒流斩波驱动电路上图4.9所示，由L6506和L298构成的斩波恒流驱动电路与外部电路的接口信号有1路通电使能数字信号、2路通电方向数字信号以及2路参考电压模拟信号，其中通电使能信号用于控制对步进电机绕组通电与否，通电方向信号用于控制绕组的通电方向，两路参考电压信号则用于设定绕组的通电电流的大小。在L298N的外围电路中，我们采用两个0.68欧姆的水泥电阻分别用于检测绕组A和绕组B的电流大小，此外还外接了4个二极管用于构造绕组断电状态下的慢放电续流回路；在L6506的外围电路当中，我们采用了两个反相器用于将L6506的4路输入信号合并和两路通电方向信号，通过通电方向信号只能控制L298N进行正向或者反向通电而不能用于控制通电与否,这样做可以节省单片机的IO口。此外为了便于电路调试，我们采用了外接的50K欧姆的可调电阻以及3.9nF的电容用于设定L6506内部RC振荡器的震荡频率，实现震荡频率的可调。4.2.3DA转换电路图4.10细分驱动模块参考电压电路图上图4.10所示的是单个细分驱动模块当中参考电压电路，由图中可以看出每个细分驱动模块当中都采用了两个10位的串行DA转换芯片，其输出端分别连接到图4.9的VrefA和VrefB端，用于设置绕组A和B的电流大小。TLC5615与单片机连接的信号线有片选端CS、时钟端SCLK以及数据端DIN，为了节省单片机的IO口以及做到各个绕组的电流的同步变化，我们将所有TLC5615芯片的时钟端连接在一起,同一细分模块内的TLC5615的片选端也连接在一起，数据端则都分开