【正文】 如果 DIR－ L信號(hào)為 0， DIR－R 信號(hào)為 1，并且使能信號(hào)是 1，那么三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)； 如果 DIR－ L 信號(hào)變?yōu)?1，而 DIR－ R信號(hào)變?yōu)?0，那么 Q2和 Q3 將導(dǎo)通，電流則反向流過(guò)電機(jī)。而 2個(gè)非門(mén)通過(guò)提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在 H 橋的同側(cè)腿上都只有一個(gè)三極管能導(dǎo)通。 圖 315 所示就是基于這種考慮的改進(jìn)電路，它在基本 H 橋電路的基礎(chǔ)上增加了 4 個(gè)與門(mén)和 2個(gè)非門(mén)。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。 如圖 314 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 35 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。 另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 34 圖 313 H橋基本電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通 對(duì)角線上的一對(duì)三極管。電路得名于 “H 橋電路 ” 是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。 ： VCC=+/18V。 。 。 31 321411AT L 0 8 4121314U 1 4 DT L 0 8 49V 7 VR F B AA G N DA G N DA G N DA G N D 圖 310 放 大電路原理圖 步進(jìn)電機(jī)的檢測(cè)電路 TL082 的特點(diǎn) TL082 是一通用的 JFET 雙運(yùn)算放大器。它具有寬共模 和 差模電壓范圍、低輸入偏置及偏移 電流 、輸出短路保護(hù)、高輸入阻抗、內(nèi)部頻率補(bǔ)償、鎖定自由操作、高循環(huán)率等特性。與主從觸發(fā)器相比 ,同工藝的邊沿觸發(fā)器有更強(qiáng)的抗干擾能力和更高的工作速度。因此，該觸發(fā)器常稱(chēng)為維持 阻塞觸發(fā)器。 Q4 為 0時(shí)，將 G3 和 G6封鎖， D 端通往基本 RS 觸發(fā)器的路徑也被封鎖。 觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，在 CP=1 時(shí)輸入信號(hào)被封鎖。 Q3=Q5 非 =D， Q4=Q6 非 =D 非。 29 當(dāng) CP 由 0 變 1 時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。工作過(guò)程如下： 當(dāng) CP=0時(shí)，與非門(mén) G3 和 G4封鎖，其輸出 Q3=Q4=1，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。當(dāng) SD=1 且 RD=0 時(shí) ,不論輸入端 D 為何種狀態(tài)，都會(huì)使 Q=1， Q 非=0，即觸發(fā)器置 1；當(dāng) SD=0 且 RD=1 時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)為 0,SD和 RD通常又稱(chēng)為直接 下 置 1和置 0 端。邊沿 D 觸發(fā)器也稱(chēng)為維持 阻塞邊沿 D 觸發(fā)器。而邊沿觸發(fā)器允許在 CP 觸發(fā)沿來(lái)到前一瞬間加入輸入信號(hào)。 28 A G N D1O U T A2R F B A3R E F A4D G N D5A B C H S6D B 77D B 68D B 59D B 410D B 311D B 212D B 113D B 014CS15WR16V D D17R E F B18R F B B19O U T B20U 1 6T L C 75 28A G N DD B 0D B 1D B 2D B 3D B 4D B 5D B 6D B 7c h SwrR F B AO U T A R F B BO U T BV C CR 7 150 0R 7 050 0C 4 015C 3 915da c R e fda c R e fC 2 610 4V C C 圖 37 D/A轉(zhuǎn)換原理圖 步進(jìn)電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)電路 D 觸發(fā)器 電平觸發(fā)的主從觸發(fā)器工作時(shí)，必須在正跳沿前加入輸入信號(hào)。 TLC7528 的 時(shí)序 圖 TLC7528 的時(shí)序圖如圖 36所示 ： 圖 36 TLC7528時(shí)序圖 D/A 轉(zhuǎn)換的原理圖 轉(zhuǎn)換時(shí)的截止頻率的兩個(gè)電阻用 TLC7528 的內(nèi)部權(quán)電阻來(lái)代替，而權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻值可以通過(guò) 編程來(lái)改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了截止頻率的步進(jìn)可調(diào)。 。 AD7528 和 PMI PM7528 互換。 。其工作電壓為 5 至 15 伏，功率小于 15mW，工作范圍溫度為 0 到 70 度。數(shù)據(jù)通過(guò)公共 8位輸入口傳送至兩個(gè)DAC 數(shù)據(jù)鎖存器中的任何一個(gè)，控制輸入端 DACA/DACB 決定 哪個(gè) DAC 被裝載。如圖 35所示。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn) JMP 指令，以使程序跳轉(zhuǎn) 到 復(fù)位處理例程。在計(jì)數(shù)器溢出之前器件一直保持為復(fù)位狀態(tài)。 POR電路保證器件在上電時(shí)復(fù)位。無(wú)論何時(shí) VCC 低于檢測(cè)電平 POR 即發(fā)生。 圖 34 晶振電路 主控制單片機(jī)的最小系統(tǒng)的復(fù)位電路采用 上電復(fù)位。 XTAL1 振蕩放大器 1。 （ 5） PC7用于控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器 WR高低電平的選取。 （ 3） PA0使用第一功能用作 I/O口 ,用于 A/D轉(zhuǎn)換器中 DACA和 DACB通道的選擇。設(shè)置為輸 入后，上拉電阻由 PORTB5 控制。工作于從機(jī)模式時(shí) ,不論 DDB5 設(shè)置如何，這個(gè)引腳都將設(shè)置為輸入。設(shè)置為輸入后，上拉電阻由 PORTB6 控制。工 25 作于主機(jī)模式時(shí)，不論 DDB6 設(shè)置如何，這個(gè)引腳都將設(shè)置為輸入。同時(shí) PB5 PB6 PB7 還是用其管腳的第二功能用于控制主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)輸入輸出。單片機(jī)基本模塊如圖 33所示 。 I/O 和封裝： 32 個(gè)可編程 I/O 口， 40 引腳 PDIP 封裝、 44 引腳 TOFP 封裝、 44引腳 MLF 封裝 。 外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和撲捉功能的 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，兩路 8位 PWM， 4 路分辨率可編程的 PWM,輸出比較調(diào)制器， 8路 10 位 ADC，面向字節(jié)的兩線接口總線，兩個(gè)可編程的串行 USART,可工作于主機(jī) /從機(jī)模式的 SPI 串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash， 512 字節(jié)的 EEPROM， 1K字節(jié)的內(nèi)部 SRAM。 AVRGCC、 C語(yǔ)言編譯器由于它具有作用強(qiáng)大、 運(yùn)用靈活、代碼小、運(yùn)行速度快等先天性的優(yōu)點(diǎn) ， 使它在專(zhuān)業(yè)程序設(shè)計(jì)上具有不可代替的地位。 ，一般都集成 AD、 DA 模數(shù)器； PWM； SPI、 USART、 TWI、 I2C通信口 ， 豐富的中斷源等。 RC 振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗、啟動(dòng)延時(shí)等作用，零外圍電路也可以工作 。 Flash、 EEPROM、 SRAM 容量較大 。 AVR 的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 21 步進(jìn)電機(jī)的 控制 電路 根據(jù)本次課題的要求和各項(xiàng)性能的需要，硬件電路中的主控制器選用 AVR 系列中的 ATMEGA16。當(dāng)保護(hù)信號(hào)為高電平時(shí)，邏輯電路輸出的八路信號(hào)全部被置為低電平， 觸發(fā)器 被封鎖，電機(jī)停 止 運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的。 一個(gè) 7407芯片 可驅(qū)動(dòng) 一個(gè)橋臂 上 的 MOSFET管，功率電路設(shè)計(jì)為 H橋式功率驅(qū)動(dòng)電路，所以 需要 四 個(gè) 7407芯片 ，而這也只是來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一相 。 驅(qū)動(dòng)部分采用 由 D觸發(fā)器 輸出的信號(hào)作為 驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，而其輸出信號(hào)來(lái)作為 H橋的輸入信號(hào) 來(lái)控制 MOSFET管 。 反饋放大電路主要是對(duì)電 壓 反饋信號(hào)濾波和放大處理，以便和 H橋的 輸出 電壓相 比 較， 在經(jīng)過(guò)整形電路來(lái)做 D觸發(fā)器的輸入信號(hào)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。 控制信號(hào)光電隔離單片機(jī)細(xì)分電路D / A比 較邏輯電路驅(qū)動(dòng)電路功率電路電 機(jī)反 饋 電 路保 護(hù) 電 路P W M 斬 波 電 路 圖 31 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖 20 系統(tǒng)按功能可分為以下幾個(gè)部分： ATMEGA16單片機(jī)為核心的細(xì)分電路 單片機(jī)在外部脈沖到來(lái)后，輸出正、余弦細(xì)分控制函數(shù)到 TLC7528，通過(guò) D／ A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。 D／ A輸出不同的控制電壓，繞組中流過(guò)不同的電流值。當(dāng)接受到這些信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器作為外部信號(hào)與二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口 ， 接受外部的控制信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按給定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。 19 第 3 章 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本課題所要做的工作是基于單片機(jī)控制的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，主要包括系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 。 本章小結(jié) 18 在闡述了步進(jìn)電機(jī)的分類(lèi)及其各自主要特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本章主要詳細(xì)介紹了 混合 式步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。如果靜差達(dá)不到要求，則加入積分控制，將 KP減小，例如每次減小到原來(lái)的 90%，積分時(shí)間 Ti 由大到小。 采用比例控制， KP由小變大。 TD與系統(tǒng)快速性成正比，并能使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但抗擾性將變差。但 KP 過(guò)大將使系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，振蕩加劇，穩(wěn)定性變壞 。所以在實(shí)際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是其增量時(shí)，可以采用增量型 PID 算法，縣推導(dǎo)如下： ?? ?? )2()(2)()()()()( TkTeTkTekTekTeTkTekTekTu kkk dip ?????????? （式 212） 當(dāng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行期 為步進(jìn)電機(jī)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，多圈電位器等具有保持歷史為之的功能的這類(lèi)裝置時(shí)，一般均采用增量 PID 的控制算法。從上式可以看出， u（ k）是全量值輸出，每次輸出值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門(mén)的開(kāi)度）一一對(duì)應(yīng)，所以稱(chēng)之為位置型 PID 算法。 數(shù)字 PID 的控制算 法 為了實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制生產(chǎn)過(guò)程變量，必須將模擬的 PID 算式進(jìn)行離散化，變?yōu)閿?shù)字 PID 算式，為此，在采樣周期 T 遠(yuǎn)小于信號(hào)變化周期時(shí)，作如下近似（ T 是足夠小時(shí)，如下逼近相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過(guò)程與連續(xù)系統(tǒng)十分接近）： u(t)≈u(k) （ 式 27） e(t)≈e(k) （式 28） ? dtte )( ≈ ? ?tje )( = Tσ e(j) （式 29） de/dt≈[e(k) e(k1)]/△t=[e(k) e(k1)]/T （式 210） 式中 T為采用周期， k為采樣序號(hào)， k=0， 1， 2， ?? ， j， ?? ， k。與模擬化設(shè)計(jì)方法相比更具有一般的意義，它完全是根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析與綜合，并導(dǎo)出相應(yīng)的控制規(guī)律的。選 擇較大的采樣周期后對(duì)控制質(zhì)量有較高的要求時(shí)，就不能采用數(shù)字控制器的模擬化的設(shè)計(jì)方法，而應(yīng)該選擇數(shù)字控制器的直接設(shè)計(jì)方法。數(shù)字 PID 控制算法，是立足于連續(xù)系統(tǒng) PID 控制器的設(shè)計(jì)，然后用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬，這種方法稱(chēng)為模擬化設(shè)計(jì)方法。 PID 調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 16 SSSESUSD KKTKK DPiPP ???????? 1)()()( （式 26） 在工業(yè)過(guò)程控制中，模擬 PID 調(diào)節(jié)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng) ， 氣動(dòng)，液動(dòng)等類(lèi)型PID 調(diào)節(jié)規(guī)律用硬件實(shí)現(xiàn)。 在 PID 的 調(diào)節(jié)器中，微分調(diào)節(jié)主要是用來(lái)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。因此在實(shí)際生產(chǎn)中往往在積分調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加入比例調(diào)節(jié)，把比例作用的及時(shí)性與積分作用的消除靜差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。在被調(diào)量的偏差消除后，由于積分規(guī)律的特點(diǎn)，輸出將停留在新的圍子而不回復(fù)原位，因此 就 能保持靜差為零。 采用 比例調(diào)節(jié)的系 統(tǒng)存在靜差，為了消除靜差，在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入 積分調(diào)節(jié)器，組成比例積分調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為： u(t)=????????? ? dttete TKip)(1)( （式 24） 式中 Ti為積分常數(shù)， Ti越大積分作用越小。只有在控制作用