【導(dǎo)讀】步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件，具有易于開環(huán)控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。電機的運行品質(zhì)既與電機的本體性能有關(guān)，也與驅(qū)動器和控制器的性能有關(guān)。的要求，因此實現(xiàn)步進電機的細分控制可以較大地改善步進電機的系統(tǒng)性能。廣泛應(yīng)用于對工況要求較高的場合，尤其在一些要求高精度、低噪音、低振動的系統(tǒng)中，細分驅(qū)動成為步進電機驅(qū)動的首選驅(qū)動技術(shù)。的缺點，減小發(fā)生共振的幾率。該方案能避免其它相繞組的感應(yīng)電壓和繞組電。流的漂移帶來的誤差，提高了細分精度。本文采用控制電路主要由AT89C51單。制器Intel-8279等組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。采用IR2130功率驅(qū)動芯片。文中對整個系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動軟件。的實現(xiàn)都做了詳細的介紹。

　　

【正文】 的輸出端，這樣相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。 ：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定 0 至 255 的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度， VREF 范圍為 (+10～ 10)V。 VREF端與 D/A 內(nèi)部 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。 ：芯片供電電壓，范圍為 (+５ 15)V。 8279顯示與鍵盤控制 芯片簡介 8279 顯示鍵盤控制芯片的功能 8279 芯片是采用177。 5V 電源供電、 40 管腳封裝的可編程設(shè)置型鍵盤 /顯示器芯片，其有如下功能 ： ； (Scanned Keyboard Mode)； (Scanned Sensor Mode)； (Strobe Input Entry Mode)； 乘 8 鍵盤 FIFO(先進先出 )； ， 2 鍵鎖定及 N 鍵依此讀出模式； 8 位數(shù)或雙排 16 位數(shù)的顯示器； 。 16 位字節(jié)顯示存儲器。 8279 顯示 鍵盤控制芯片引腳 定義 下面介紹 8279 芯片個引腳的功能 定義 ， 8279 芯片的引腳結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 。 ~DB7：雙向數(shù)據(jù)總線。在 CPU與 8279 間做數(shù)據(jù)與命令傳送。 ： 8279 的系統(tǒng)時鐘， 100Hz 為最佳選擇。 ：復(fù)位輸入線。輸入 HI 時可復(fù)位 8279。 ：芯片選擇信號線。當這個輸入引腳為低電平時，可將命令寫入 8279或讀取 8279 的數(shù)據(jù)。 ：緩沖器地址選擇線。 A0=0 時，讀寫一般數(shù)據(jù)； A0=1 時，讀取狀態(tài)標志位或?qū)懭朊睢? ：讀取控制線。 RD=0 時， 8279 輸送數(shù)據(jù)到外部總線。 ：寫入控制線。 WR=0 時， 8279 從外部總線接收數(shù)據(jù)。 ：中斷請求。平常 IRQ 為 LO ，在鍵盤模式下，每次讀取FIFO/SENSOR RAM 的數(shù)據(jù)時， IRQ 變?yōu)?HI，讀取后轉(zhuǎn)為 LO；在傳感器模式下，只要傳感器一有變化，就會使 IRQ 變?yōu)?HI，讀取后轉(zhuǎn)為 LO。 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 ~SL3：掃描按鍵開關(guān)或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式 (16 對1)或解碼模式 (4 對 1)。 ~RL7：鍵盤 /傳感器的返回線。無按鍵被按時，返回線為 HI；有按鍵被按時，該按鍵的返回線為 LO。在激發(fā)輸入模式時，為 8 位的數(shù)據(jù)輸入。 ：在鍵盤掃描模式時，引腳的輸入狀態(tài)會與其它按鍵的狀態(tài)一同儲存 (在 BIT6)，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為 HI，按時為 LO。 ：在鍵盤掃描模式時，引腳的輸入狀態(tài)會與 SHIFT 以及其它按鍵的狀態(tài)同一儲存，內(nèi)部有上拉電阻，未按時為 HI，按時為 LO。在激發(fā)輸入模式時，作為返回線 8 位數(shù)據(jù)的使能引腳。 ~OUTA3：動態(tài)掃描顯示的輸出口 (高 4 位 )。 ~OUTB3：動態(tài)掃描顯示的輸出口 (低 4 位 )。 ：消隱 輸出線。 圖 33 8279 引腳結(jié)構(gòu)圖 IR2130 驅(qū)動電路簡介 IR2130 結(jié)構(gòu)及 功能 IR2130 是美國國際整流器公司生產(chǎn)的功率 MOS 器件 (或 IGBT)柵極驅(qū)動集成電路，它能輸出六路驅(qū)動信號，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計極為簡化。 IR2130 是雙列直插具有 28 個引腳的高性能功率 MOS 或 IGBT 驅(qū)動器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 34 所示。在它的內(nèi)部集成有一個電流比較器 CC、電流放大器 CA、一個自身工作電源欠電壓檢測器 UVD、一個故障邏輯處理單元 FL及一個封鎖邏輯 CL。除上 述外，它的內(nèi)部還集成有三個輸入信號處理器 ISG、三個脈沖處理和電平移位器 PGLS、三個高壓側(cè)驅(qū)動信號鎖存器 LT，三個高壓側(cè)驅(qū)動信號的欠電壓檢測器 UVDR 及六個低阻抗輸出驅(qū)動器 DR 和一個或門電路OR。其特點簡述如下 :工作電源電壓為 320V，可用于驅(qū)動工作在母線電壓不超過 600V 電路中的 MOS 器件，最大輸出正向峰值驅(qū)動電流為 25OmA，而反向 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 峰值驅(qū)動電流為 500mA。它可對同一橋臂上、下兩個功率 MOS 器件的柵極驅(qū)動信號產(chǎn)生 2us 的互鎖延時時間。內(nèi)部設(shè)有一個線性放大器，可用于電流信號的放大。 IR2130 的保護功 能十分強大，內(nèi)部設(shè)有過電流、過電壓、欠電壓、邏輯識別保護以及封鎖和指示環(huán)節(jié)。一旦外電路發(fā)生過電流或橋臂直通，即電流檢測單元送出的信號高于 時，內(nèi)部比較器 CC 迅速翻轉(zhuǎn)，使故障邏輯處理單元 FL 輸出低電平，一則封鎖 ISG 的輸出，使 IR2130 的輸出全為低電平，保證六個被驅(qū)動的 MOS 關(guān)斷 。另一方面，經(jīng) 8 腳輸出一低電平信號，可用于封鎖脈沖或聲光報警。 當工作電源欠電壓時，同樣封鎖六路輸出為低電平，并使 8腳為低電平。再有當高壓側(cè)某路自舉電源欠壓時，則該路的驅(qū)動信號檢測器UVDR 迅速動作，封鎖該路輸出。 IR2130 的 另一重要保護功能是邏輯保護，即當同一橋臂上、下功率開關(guān)器件對應(yīng)的輸入信號都為高電平時，封鎖該兩路柵極驅(qū)動信號，防止直通現(xiàn)象發(fā)生。它巧妙運用了自舉技術(shù)形成懸浮的高壓側(cè)電源，因而只用一路電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路中的六個功率 MOS。電路設(shè)計還保證了內(nèi)部三個通道中的高壓側(cè)驅(qū)動器與低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用，亦可只用其內(nèi)部的三個低壓側(cè)驅(qū)動器，并且輸入信號與 TTL 及 CMOS 電平兼容。 圖 34 IR2130 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 各引腳功能為 :VB1—VB3:是懸浮電源連接端，通過自舉電容 為 3 個上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源 。VS1—VS3 是其對應(yīng)的懸浮電源地端 。HIN1—HIN LIN1—LIN3:逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)動信號輸入端，低電平 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 有效。 ITRIP:過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或直通保護。 CA、 CAO、 ssV :內(nèi)部放大器的反相端、輸出端和同相端，可用來完成電流信號檢測。 H01—H0 L01—L03:逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動器信號輸出端。 FAULT:過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供 一個故障保護的指示信號。它在芯片內(nèi)部是漏極開路輸出端，低電平有效。 ccV 、 ssV :芯片供電電源連接端， ccV 接正電源，而 ssV 接電源地。 IR2130 的逆變器電路結(jié)構(gòu) 采用 IR2130 芯片驅(qū)動逆變器功率管時，其基本主電路結(jié)構(gòu)不需要改變，仍可用典型的三相電壓型逆變器電路，為便于表示，圖 35 畫出了 IR2130 驅(qū)動其中 1 個橋臂的 電路示意圖， 圖 35 IR2130 與 A相 功率管的連接方式 圖中 C1 是自舉電容，為上橋臂功率管驅(qū)動的懸浮電源存儲能量， Dl 的作用防止上橋臂導(dǎo)通時的直流電壓母線電壓到 IR2130 的電源上而使器件損壞，因此 D1 應(yīng)有足夠的反向耐壓，當然由于 D1 與 C1 串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求， Dl 應(yīng)選快速恢復(fù)二極管。 1R 和 2R 是 IGBT 的門極驅(qū)動電阻，一般可采用 10 到幾十歐。 3R 和 4R 組成過流檢測電路，其中凡是過流取樣電阻，凡是作為分壓用的可調(diào)電阻。 IR2130 的 HIN1—HIN LIN1—LIN3 作為功率管的輸入驅(qū)動信號與單片機連接，由單片機控制產(chǎn)生控制信號的輸入，F(xiàn)AULT 與單片機外部中斷引腳連接，由單片機中斷程序來處理故障。其容量取決于被驅(qū)動功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅(qū)動的開關(guān)頻率大于 5kHz 時，該電容值應(yīng)不小于 ，且以瓷片電容為好。 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 本章小結(jié) 本章 首先詳細 介紹了 AT89C51 單片機，然后對數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832 以及IR2130 驅(qū)動器 等芯片的結(jié)構(gòu)及其功能 進行簡單介紹，為 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 提供設(shè)計依據(jù) 。 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 第 4章 系統(tǒng)構(gòu)架與硬件電路的 設(shè)計 系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的 總 體硬件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示， 整體上可分為 3 個部分 。 驅(qū)動器的主回路由整流濾波電路、電機驅(qū)動 電路以及步進電機等組成。整流濾波電路構(gòu)成直流電壓源，完成 220V， 50Hz 交流電源到直流電源的變換，為三相步進電機的定子繞組提供電流。 驅(qū)動器的控制部 分由單片機控制器、 D/A 轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動模動 IR2130 電路組成。單片機片內(nèi)存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器，變成模擬信號，通過驅(qū)動模動 IR2130 電路控制 IGBT 的開關(guān)，從而使三相混合式步進電機的繞組電流按預(yù)定規(guī)律變化，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。 開關(guān)電源用來給驅(qū)動器內(nèi)部的控制電路和驅(qū)動模動 IR2130 提供 工作 電源。 P 2A T 8 9 C 5 1單 片 機T X D / R X D鍵 盤 參數(shù) 輸 入串 行 通信 接 口D / A轉(zhuǎn) 換 器I R 2 1 3 0 驅(qū) 動 器整流濾波步 進 電 機基 準 電 壓功 率 電 路D / A轉(zhuǎn) 換 器D / A轉(zhuǎn) 換 器P 0 圖 41 系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu) xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 單片機控制電路 單片機控制器輸入信號包括步進脈沖信號 CP、方向控制信號、 IR2130 的 故障信號、脫機信號等，這幾種信號均通過光藕連接到單片機的引腳上。另外還有細分步數(shù)選擇信號。 驅(qū)動器每接收到一個步進脈沖將驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (即步距角 )，方向信號指明電機順時針或逆時針轉(zhuǎn)動。當出現(xiàn)脫機信號時，驅(qū)動器輸出到電機的電流被切斷，電機轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài) (脫機狀態(tài) )。 通過 ATMEL89C51 和 8 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC0832)輸出模擬信號。 DAC 用電源作為參考電壓， ddV (? 5V)作為上 限參考電壓， ssV (OV)作為下限參考電壓。在實際運行中，電機繞組電流為階梯狀，階梯電流的每一階與電機的每一步相對應(yīng)，電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)就是每一個周期電流的階梯數(shù)與電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)的乘積。 由于細分數(shù)目較高，采用一片 4 位二進制計數(shù)器和一片 4 位十進制計數(shù)器級聯(lián)，每周期最高細分數(shù)可達到 42 ? 10=如果需要增大細分數(shù)目，則需要級聯(lián)擴展計數(shù)器。由于是驅(qū)動三相步進電機，把最 高細分數(shù)定為 120。存儲器采用的是簡單實用的 EPROM2764，易于調(diào)試。 利用 C 語言或者 MATLAB 將多種細分數(shù)下的繞組電流參考信號轉(zhuǎn)換為二進制代碼存儲 EPROM 中。 2764 的高三位地址線控制每周期的細分數(shù)，最低 6拍，最高 120 拍，共有 32 =8 種，即可以在同一臺步進電機驅(qū)動器上實現(xiàn)整步、半步及細分驅(qū)動等多種工作模式。 對一個周期進行 256 等分，即均分成 256 個采樣點，算出各采樣點的值，因為 D/A 轉(zhuǎn)換的輸出電壓幅值在上限參考電壓 +5v 和下限參考電壓 0V 之間，因 此各采樣點的值需要疊加上一個偏移值 ，將各采樣點的值轉(zhuǎn)化到 05V 范圍內(nèi)。然后對得到的數(shù)進行 2 進制量化處理，將此數(shù)據(jù)輸入單片機存儲器中，這樣數(shù)據(jù)處理工作即完成。 電路工作時，單片機根據(jù)步進脈沖 (CP)、方向信號和當前的細分數(shù)設(shè)置，從單片機存儲器中取出相應(yīng)的階梯波的數(shù)字量，寫入 DAC 寄存器經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出階梯波。 電機驅(qū)動 電路 功率電路由兩部分組成： 功率晶體管 T1T6 以及二極管 D1D6。功率晶體管兩兩串聯(lián)組成一個橋臂，每一橋臂為步進電機的一相提供驅(qū)動信號。 其電路結(jié)構(gòu)如圖 42 所示。 在 T1T6 工作 過程中，同一橋臂的兩個功率開關(guān)管，處于不停地交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。 D1D6 的功能就是在這交替導(dǎo)通和截止的換相過程中 ,為各橋臂提供續(xù)流通路。 由于 單片機提供的數(shù)據(jù)量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 轉(zhuǎn)換 出來 的 模擬 信號幅值可能太小，無法驅(qū)動步進電機，使步進電機進行運轉(zhuǎn) 。 該電路的主要功能就 xx 大 學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 是把給步進電機的驅(qū)動信號進行放大 ，使模擬信號滿足步進電機正常運轉(zhuǎn)所需要的大小。 圖 42 功率電路 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 顧名思義， D/A 轉(zhuǎn)換電路功能就是實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，其 電路連接如圖 43 所示。將 DAC0832 的 8 個數(shù)據(jù)輸入端與單片機的 P0 口相連， 由 單片機向轉(zhuǎn)換器 DAC0832 提供數(shù)據(jù)， 為了更簡便， ILE 引腳直接接高電平，從而使 DAC0832 的工作方式只由 片選信號 CS 和寫信號 1WR 控制。 本 設(shè)計將 片選信號 CS 和寫信號 1WR 都與單片機的 P1 口相連，由 P1 口 向 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832輸 送數(shù)據(jù)，以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832 運行方式 。 當 和 均輸出低電平時，即 片選信號 CS 和寫信號 1WR 為低電