【文章內(nèi)容簡介】 會發(fā)生滯后和畸變而影響電機(jī)驅(qū)動，且驅(qū)動板能滿足更高脈沖頻率驅(qū)動要求。本設(shè)計(jì)中選擇 2 片 6N137 高速光耦隔離 CLK、 CW，其信號傳輸速率可達(dá)到 10 MHz， 1 片 TLP521 普通光耦隔離 ENABLE 信號。應(yīng)用時注意：光耦的同向和反向輸出接法；光耦的前向和后向電源應(yīng)該是單獨(dú)隔離電源，否則不能起到隔離干擾的作用。 圖 5 信號隔離電路模塊 步進(jìn)電機(jī)主電路 步進(jìn)電機(jī)主電路主要包括驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩大部分。 驅(qū)動電路電源采用 24 V，電壓范嗣為 ～ 40 V，提高驅(qū)動電壓可增大電機(jī)在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出，電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。 VMB、 VMA 為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源引腳，應(yīng)接入瓷片去耦電容和電解電容穩(wěn)壓。 OUT_AP、 OUT_AM、OUT_BP、 OUT_BM 引腳分別為電機(jī) 2 相輸出接口，由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，這 4 個輸出口不用像東芝公司的 8435 驅(qū)動芯片那樣外接二極管，從而極大地減小電路板的布線空間。 NFA、 NFB 分別為電機(jī) A、 B 相最大驅(qū)動電流定義引腳，最大電流計(jì)算公式為 IOUT(A)=(V)／ RNF(Ω)，若預(yù)先定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動電流為 A，取 RNF= Ω，則 PGNDA、 PGNDB、 SGND 分別為電機(jī)A、 B 相驅(qū)動引腳地和邏輯電源地。 圖 6 驅(qū)動器電源電路和指示燈電路 邏輯控制電路電源為 5 V， VDD 為邏輯電源引腳，應(yīng)接入去 耦電容和旁路電容減小干擾噪聲； M0、 PROTECT 為工作狀態(tài)和過流保護(hù)指示燈； RESET 為芯片復(fù)位腳，低電平有效； OSC 所接電容的大小決定了斬波器頻率，推薦 100～1 000 pF，斬波頻率為 400～ 44 kHz； M M1 為細(xì)分設(shè)置引腳，外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值，如整步、半步、 1／ 8 細(xì)分、 1／ 16 細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時，有振動大、噪聲大的缺點(diǎn)，需要細(xì)分解決。 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電 機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。 DCY DCY1 外接撥碼開關(guān)設(shè)置電流衰減模式 (0、 25％、 50％、 100％ )，用于滿足不同的步進(jìn)電機(jī)需要。由于電機(jī)本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進(jìn)電機(jī)可能會產(chǎn)生高頻噪聲，通過電流衰減模式的設(shè)置可減小甚至消除這種噪聲。圖 7 顯示了衰減模式為 0 和 50％時線圈電流的變化，可看出波形具有明顯的改善。 （ a）衰減比為 0 （ b）衰減比為 50% 圖 7 波形圖 圖 8 電流和細(xì)分衰減設(shè)置電路模塊 而步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中可能會有發(fā)熱量大或失步越步等的問題出現(xiàn)，為防止此類問題的發(fā)生或問題發(fā)生后的補(bǔ)救方法，驅(qū)動器的自動半流控制功能、脫機(jī)功能和細(xì)分功能就充分體現(xiàn)出來，這部分將在附錄中具體介紹。 驅(qū)動器設(shè)置及接線 DIP 開關(guān)功能： DIP1 DIP2 DIP3 DIP4 細(xì)分?jǐn)?shù) 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 1 1 0 1 8 0 1 1 1 16 4 1 2 3 ON 電流調(diào)整說明： K1 1 0 1 0 1 0 1 K2 0 1 1 0 0 1 1 K3 0 0 0 1 1 1 1 步進(jìn)電機(jī)的速度除了可以通過頻率調(diào)節(jié)外，還可以通過細(xì)分?jǐn)?shù)來控制，細(xì)分?jǐn)?shù)越大，步進(jìn)電機(jī)的速度越慢。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的 步距角為 度 ，即一個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動 度，如果細(xì)分為 10，則表示一個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動 / 10 = 度，如此， 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈，所需的脈沖數(shù)較細(xì)分前多， 速度 也因此 慢下來了。 電流調(diào)整是通過撥碼開關(guān)設(shè)置輸出相電流的大小，電流過大會引起步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。 本裝置步進(jìn)電機(jī)所需的速度無須太快， 電流過大也易引起電機(jī)發(fā)熱量大， 綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用 16 細(xì)分 （ DIP1~DIP4： 0111） 和 （ K1~K3： 100） 的輸出相電流。 電源接線 ： ○ 1 24V：接電源。 ○ 2 GND：接地線。 ○ 3 A+amp。A：接電機(jī) A 相線圈的二根引線。 ○ 4 B+amp。B：接電機(jī) B 相線圈的二根引線。 控制信號接線 ： ○ 1 EN：使能端。 ○ 2 PU：脈沖信號接入端。 ○ 3 DR：控制電機(jī)轉(zhuǎn)動方向。 ○ 4 +5V：接控制器的 +5V 輸出端。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理圖和 PCB 2 1 3 ON 圖 9 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器原理圖 圖 10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 PCB 圖 主控板設(shè)計(jì) 單片機(jī)模塊 芯片的選擇 89C51 芯片作為硬件核心，采用 Flash ROM，內(nèi)部具有 4KB ROM 存儲空間 ,能于 3V 的超低壓工作 ,而且與 MCS51 系列單片機(jī)完全兼容 ,但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時由于不具備 ISP 在線編程技術(shù) , 當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。而且內(nèi)存太小。 而 STC 公司生產(chǎn)的芯片 STC12C5A60S2,片內(nèi) ROM 全都采用 Flash ROM；能以 3V 的超底壓工作；同時也與 MCS51 系列單片機(jī)完全該芯片內(nèi)部存儲器為8KB ROM 存儲空間，具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。 綜合對比下， 選用 型號為 STC12C5A60S2 的芯片 ， 該芯片 是一款高速、低功耗、超 強(qiáng) 抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051， 但速度快 812 倍。 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ， 2 路 PWM,8 路高速 10 位精度A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S，即 25 萬次 /秒 )， 針對電機(jī)控制， 強(qiáng) 干擾場合是不錯的選擇。 且 該 單片機(jī) 有 4 個 16 位定時器。 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計(jì)數(shù)器 ，16 位定時器 T0 和 T1，沒有定時器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器 ， 再加上 2 路 PCA 模塊可再實(shí)現(xiàn) 2 個 16 位定時器。而 3 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 ， 獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在 口輸出時鐘。 2 路 PWM 可用來當(dāng) 2 路 D/A 使用， 也可用來再實(shí)現(xiàn) 2 個定時器，還 可用來再實(shí)現(xiàn) 2 個外部中斷。且定時器還可用于實(shí)現(xiàn)多串口。 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 圖 11 所示。 STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)、程序存儲器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時/計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。 圖 11 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 12 單片機(jī)部分原理圖 主控板電源 主控板電源模塊采用 78M05 穩(wěn)壓芯片，為了是輸出的電壓穩(wěn)定并且消除文波采用前后并聯(lián) 220uf 的極性電解電容和 的無極電容的方法。并且在主控板上設(shè)置了 4 對 5V 的擴(kuò)展電源，用以方便調(diào)試。 圖 13 主控板電源 第 四 章 軟件 設(shè)計(jì) 1. 按鈕輸入的軟件處理 按鈕的觸點(diǎn)在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這是觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于 5ms，例如取 1020ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。 延時程序如下：（可通過設(shè)置 Z 的值來確定延時時間） void delay ( int z ) { uchar i, j。 for ( i=0。 i z。 i++ ) { for ( j=0。 j 125。 j++)。 } } 2. 控制 方案 的 比較選擇 開環(huán)控制的好處是控制算法簡單程序比較容易，此外節(jié)省了許多元器件，從而硬件設(shè)計(jì)也比較簡單，這個方法實(shí)現(xiàn)很容易。 但是這個方案的缺點(diǎn)是精確度不夠，開環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)我們就無法知道步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況也不知道電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)，這樣我們就無法精確的控制活塞前進(jìn)的距離，導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果不準(zhǔn)確，增加了可消除的誤差。 環(huán)控制 閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)控制精確，所以活塞前進(jìn)的距離也就先對準(zhǔn)確許多，這樣計(jì)算的結(jié)果也就比較精確，但是閉環(huán)控制的缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)和程序復(fù)雜。經(jīng)過討論為了要達(dá)目標(biāo)要求的精度我們決定使用閉環(huán)控制方案。 單片機(jī)通過光電編碼器的輸出脈沖數(shù)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n，將輸出量 n送回至系統(tǒng)的輸入端，與程序設(shè)定轉(zhuǎn)速初值 n0 進(jìn)行比較，將兩者偏差信號 e 作用于控制器上，控制器對偏差信號 e 進(jìn)行 PID 運(yùn)算，產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)的輸出量轉(zhuǎn)速 n 趨向于設(shè)定初值 n0 ，使步進(jìn)電機(jī)的速度維持一個恒定的值。如此整個系統(tǒng)構(gòu)成一個閉環(huán)，利用反饋的作用來減小系統(tǒng)的誤差，即閉環(huán)反饋控制。 3. 控制算法比較 PID 控制原理 PID 調(diào)節(jié)器由比例調(diào)節(jié)器 (P)，積分調(diào)節(jié)器 (I)和微分調(diào)節(jié)器 (D) 構(gòu)成，它通過對 偏差值的比例積分和微分運(yùn)算后，用計(jì)算所得的控制量來控制被控對象。 圖 1 所示為 PID 控制系統(tǒng)框圖。 ○ ○ 圖 14 PID控制系統(tǒng)框圖 比例調(diào)節(jié)（ P） 比例調(diào)節(jié)是數(shù)字控制中最簡單的一種調(diào)節(jié)方法。其特點(diǎn)是調(diào)節(jié)器的輸出與控制偏差 e成線性比例關(guān)系，控制規(guī)律為： 0*py k e y?? (6) 式中： pk 比例系數(shù)， 0y 偏差 e為零時調(diào)節(jié)器的輸出值。 當(dāng)輸出值 S與設(shè)定的期望值 R間產(chǎn)生偏差時，比例調(diào)節(jié)器會自動調(diào)節(jié)控制變量 y(如為控制閥門的開度 )的大小?？刂谱兞?y的大小會朝著減小偏差 e的方向變化。 比例系數(shù) pk 的大小決定了比例調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的快慢程度 ， pk 大調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的u(t) ＋ e(t) r(t) 比例 積分 微分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對象 c(t) － ＋ ＋ 速度快，但 pk 過大會使控制系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或振蕩現(xiàn)象。 pk 小調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的速度慢，但 pk 過小又起不到調(diào)節(jié)作用。另外，雖然比例調(diào)節(jié)器控制規(guī)律簡單，控制參數(shù)易于整定，但缺點(diǎn)是它只能在一種負(fù)載情況下實(shí)現(xiàn)無靜差值的調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載變化時，除非重新調(diào)整相應(yīng)的值的大小，否則控制系統(tǒng)將會產(chǎn)生無法消除的靜差值。 比例微分調(diào)節(jié)（ PI） 比例調(diào)節(jié)器的主要缺點(diǎn)是存在無法消除的靜差值，影響了調(diào)節(jié)精度 。 為了消除靜差值，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上并人一個積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)規(guī)律可用下列 (4)式表示 。 001()tp iy k e e d t yT? ? ?? （ 7） 式中： iT 為積分常數(shù)，它的物理意義是當(dāng)調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)作用與比例調(diào)節(jié)作用的輸出相等時所需的調(diào)節(jié)時間稱為積分常數(shù)。積分常數(shù) iT 的大小決定了積分作用強(qiáng)弱程度， iT 選擇的越小，積分的調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，但系統(tǒng)振蕩的衰減速度越慢。當(dāng) iT 過小時，甚至?xí)斐上到y(tǒng)的持續(xù)振蕩，使調(diào)節(jié)器的輸出波動不 定，給生產(chǎn)過程帶來嚴(yán)重的危害。相反地當(dāng) iT 選擇的越大，積分的調(diào)節(jié)作用越弱，雖然過渡過程中不容易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，但消除偏差 e的時間卻很長。積分調(diào)節(jié)對偏差有累積作 用，所以，只要有偏差 e存在積分的調(diào)節(jié)作用就會不斷地增強(qiáng)，直至消除比例調(diào)節(jié)器無法消除的靜差值。 比例積分微分調(diào)節(jié)（ PID） 加入積分調(diào)節(jié)后，雖可消除靜差，使控制系統(tǒng)靜態(tài)特性得以改善，但由于積分調(diào)節(jié)器輸出值的大小是與偏差值 e的持續(xù)時間成正比的，這樣就 會使系統(tǒng)消除靜差的 調(diào)節(jié)過程變慢，由此帶來的是系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。 尤其是當(dāng)積分常數(shù) iT很大時，情況更為嚴(yán)重。另外，當(dāng)系統(tǒng)受到?jīng)_激式偏差沖擊時，由于偏差的變化率很大，而 PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié) 速度又很慢，這樣勢必會造成系統(tǒng)的振蕩，給生產(chǎn)過程帶來很大的危