【文章內(nèi)容簡介】 會發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅(qū)動，且驅(qū)動板能滿足更高脈沖頻率驅(qū)動要求。本設(shè)計中選擇 2 片 6N137 高速光耦隔離 CLK、 CW，其信號傳輸速率可達到 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 步進電機主電路 步進電機主電路主要包括驅(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 為步進電機驅(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 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 A、 B 相最大驅(qū)動電流定義引腳，最大電流計算公式為 IOUT(A)=(V)／ RNF(Ω)，若預先定義電機每相的最大驅(qū)動電流為 A，取 RNF= Ω，則 PGNDA、 PGNDB、 SGND 分別為電機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)和過流保護指示燈； RESET 為芯片復位腳，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 為細分設(shè)置引腳，外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細分值，如整步、半步、 1／ 8 細分、 1／ 16 細分。由于步進電機在低頻工作時，有振動大、噪聲大的缺點，需要細分解決。 步進電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電 機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(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電機需要。由于電機本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進電機可能會產(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 電流和細分衰減設(shè)置電路模塊 而步進電機在運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)生后的補救方法，驅(qū)動器的自動半流控制功能、脫機功能和細分功能就充分體現(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 細分數(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 步進電機的速度除了可以通過頻率調(diào)節(jié)外，還可以通過細分數(shù)來控制，細分數(shù)越大，步進電機的速度越慢。假設(shè)步進電機的 步距角為 度 ，即一個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)動 度，如果細分為 10，則表示一個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)動 / 10 = 度，如此， 步進電機轉(zhuǎn)動一圈，所需的脈沖數(shù)較細分前多， 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電機發(fā)熱嚴重。 本裝置步進電機所需的速度無須太快， 電流過大也易引起電機發(fā)熱量大， 綜合考慮，本設(shè)計采用 16 細分 （ 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 A 相線圈的二根引線。 ○ 4 B+amp。B：接電機 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：控制電機轉(zhuǎn)動方向。 ○ 4 +5V：接控制器的 +5V 輸出端。 步進電機驅(qū)動器原理圖和 PCB 2 1 3 ON 圖 9 步進電機驅(qū)動器原理圖 圖 10 步進電機驅(qū)動器 PCB 圖 主控板設(shè)計 單片機模塊 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 系列單片機完全兼容 ,但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備 ISP 在線編程技術(shù) , 當在對電路進行調(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)，當在對電路進行調(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 抗干擾的新一代 8051 單片機，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 )， 針對電機控制， 強 干擾場合是不錯的選擇。 且 該 單片機 有 4 個 16 位定時器。 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ，16 位定時器 T0 和 T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(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 ， 獨立波特率發(fā)生器可以在 口輸出時鐘。 2 路 PWM 可用來當 2 路 D/A 使用， 也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器，還 可用來再實現(xiàn) 2 個外部中斷。且定時器還可用于實現(xiàn)多串口。 STC12C5A60S2 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如 圖 11 所示。 STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器 (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 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 12 單片機部分原理圖 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 1. 按鈕輸入的軟件處理 按鈕的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這是觸點的邏輯電平是不穩(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)計也比較簡單，這個方法實現(xiàn)很容易。 但是這個方案的缺點是精確度不夠，開環(huán)控制步進電機我們就無法知道步進電機的運行情況也不知道電機前進的步數(shù)，這樣我們就無法精確的控制活塞前進的距離，導致計算的結(jié)果不準確，增加了可消除的誤差。 環(huán)控制 閉環(huán)控制的優(yōu)點是電機控制精確，所以活塞前進的距離也就先對準確許多，這樣計算的結(jié)果也就比較精確，但是閉環(huán)控制的缺點就是結(jié)構(gòu)和程序復雜。經(jīng)過討論為了要達目標要求的精度我們決定使用閉環(huán)控制方案。 單片機通過光電編碼器的輸出脈沖數(shù)計算出步進電機的轉(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 進行 PID 運算，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 ，使步進電機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算后，用計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。控制變量 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，但缺點是它只能在一種負載情況下實現(xiàn)無靜差值的調(diào)節(jié)，當負載變化時，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弱程度， iT 選擇的越小，積分的調(diào)節(jié)作用越強，但系統(tǒng)振蕩的衰減速度越慢。當 iT 過小時，甚至會造成系統(tǒng)的持續(xù)振蕩，使調(diào)節(jié)器的輸出波動不 定，給生產(chǎn)過程帶來嚴重的危害。相反地當 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，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。 尤其是當積分常數(shù) iT很大時，情況更為嚴重。另外，當系統(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