【正文】 本次設(shè)計(jì)的完成除了因?yàn)槲易约翰殚喠舜罅康馁Y料，總結(jié)并鞏固了專業(yè)知識(shí)，用心做好設(shè)計(jì)外，還因?yàn)榈玫搅死蠋熀屯瑢W(xué)的極力幫助，讓我明白。歲月如梭，四年中，雖然自己的專業(yè)技能不夠好，但是自己的學(xué)習(xí)能力得到了提高。硬件電路是為了驗(yàn)證方案原理而設(shè)計(jì)的，在調(diào)試過(guò)程中，也得到了令人滿意的效果，很好的驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。本論文，從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件的工作原理及設(shè)計(jì)原理，對(duì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案做了仔細(xì)的分析和比較，最后確定下來(lái)完整可行的解決方案。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、人機(jī)接口簡(jiǎn)單方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)： 1. 預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)； 2. 啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速等功能的基本控制； 3. 同步顯示圈數(shù)； 4. 電機(jī)轉(zhuǎn)至預(yù)置圈數(shù) 內(nèi)循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng) ； 5. 對(duì)預(yù)置數(shù)進(jìn)行清零操作。設(shè)計(jì)采用 SST89E516RD 單片 機(jī)作為控制模塊的核心，利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。 當(dāng)硬件設(shè)計(jì)從布線到安裝完成之后，就開始進(jìn)入硬件調(diào)試階段，調(diào)試大體分為以下幾步。為了驗(yàn)證作品的可行性，我還做了硬件電路，來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)作品中設(shè)計(jì)方案的主要功能及其理論進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證 ，如圖 44 所示 。最終完成的 PCB 如圖 51 所示。 PCB板 上的元器件放置的順序 為 ： 1. 放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的固定位置的元器件，如電源插座、開關(guān)、連接件等 ，這些器件放置好后用軟件的 LOCK 功能將其鎖定，使之以后不會(huì)被誤移動(dòng)； 2. 放 置 器件 ； 3. 在設(shè)計(jì) PCB 板時(shí)，元件的放置要考慮電路中的抗干擾能力。 本設(shè)計(jì)的 PCB 本設(shè)計(jì)電路板采用 單 層。 PCB 文件的保存 完成印刷電路板的布線工作后，我們應(yīng)該及時(shí)地將文件進(jìn)行存盤及打印輸出，以備 以后雕刻電路板使用。但是，由于算法的限制以及用戶的西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 特殊要求或習(xí)慣，自動(dòng)布線往往也有許多不盡人意的地方，我們還必須靠手工進(jìn)行調(diào)整。盡管程序可以自動(dòng)根據(jù)電路板的外形尺寸布置各個(gè)元件的位置，但是畢竟不可能完全滿足設(shè)計(jì)的要求，因此用戶還要對(duì)元件的位置進(jìn)行手工調(diào)整，以便順利地進(jìn)行下面的布線工作。 作圖環(huán)境設(shè)置：設(shè)計(jì) — 規(guī)則，線寬約束為 1530mil，大小在 10*10cm以內(nèi)。其中有些參數(shù)可以直接采用系統(tǒng)的缺省值，有些參數(shù)必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改，而有些參數(shù)可以根據(jù)自己的習(xí)慣進(jìn)行設(shè)置。 電路板（ PCB）編輯器 首先根據(jù)已經(jīng)封裝好的原理圖，生成 PCB 板，步驟是：設(shè)計(jì) — Update PCB Docment— 執(zhí)行更改 — 進(jìn)入印刷電路板（ PCB）編輯器的編輯環(huán)境。如果在這里出現(xiàn)問(wèn)題，很可能會(huì)對(duì)后面的工作造成很大的麻煩，甚至使設(shè)計(jì)工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。比如是采用單面板、雙面板還是多層電路板，電路板需要多大的尺寸，采用什么樣的連接器，元件采用什么樣的封裝形式，是雙列直插（ DIP）還是其他形式，元件的安裝位置等等。在右方就會(huì)生成自己新建的庫(kù)。如果庫(kù)里面沒(méi)有相應(yīng)的元件的封裝，則必須在集成庫(kù)下的 PCB 元件庫(kù)里面，根據(jù)芯片（元件）的資料，新建封裝。 元件 封裝 對(duì)于已經(jīng)繪制好的原理圖，下一步就是對(duì)元件進(jìn)行封裝，雙擊元件 — 添加 —Footprint， “ PCB 庫(kù) ” 選擇任意。 在原理圖繪制過(guò)程中，可選擇庫(kù)中已存在的元件，對(duì)于沒(méi)有的元件，應(yīng)參照相關(guān)元件的資料，在原理圖庫(kù)中新建元件，原理圖庫(kù)里面可新建多個(gè)元件 。 5. 交互 式布線， 系統(tǒng)將動(dòng)態(tài)顯示最優(yōu)布線路徑，只需要敲擊鍵盤就可以完成單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的布線。 3. 在工程的設(shè)計(jì)和調(diào)試階段都支持原理圖導(dǎo)向設(shè)計(jì)方法。在 原理圖繪制 、 PCB 版圖設(shè)計(jì)， 編輯和制造 ,可編程邏輯器件 (PLD)設(shè)計(jì)、仿真、板卡設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線 有著諸多的優(yōu)點(diǎn)： 1. 支持不依賴于 FPGA 廠商即各個(gè)廠商通用的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 進(jìn) 入 中 斷保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)延 時(shí) 去 抖速 度 = 上 或下 限 值 ？速 度 值 加 1是 否 按 下按 鍵 ？保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)退 出 中 斷YNYN 圖 44 外部中斷設(shè)計(jì) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 第 5 章 PCB 板設(shè)計(jì)及硬件調(diào)試 Altium Designer 簡(jiǎn)介 Protel系列軟件是當(dāng)前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的 EDA 設(shè)計(jì)工具之一。速度增加按鈕 K3 為 INT0 中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)值等于 9時(shí)，不改變?cè)瓟?shù)值返回，小于 9 時(shí)，數(shù)據(jù)加 1 后返回；速度減少按鈕 K4，當(dāng)原數(shù)據(jù)不為 1，減 1 保存數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)為 1 則保持不變。程序流程圖如圖 43 所示 [7]。 初 始 化開 始顯 示開 關(guān) 啟 動(dòng) ？停 止 計(jì) 數(shù) 器速 度 為 1 ？停 止 計(jì) 數(shù) 器啟 動(dòng) 計(jì) 數(shù) 器延 時(shí)結(jié) 束N N Y Y 圖 42 主程序流程圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁(yè) 定時(shí)中斷設(shè)計(jì) 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí)器、外部中斷；對(duì) P1 口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。 圖 41 系統(tǒng)程序流程圖 通過(guò) 流程圖 分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成 4西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁(yè) 個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序部分、定時(shí)器中斷部分、外部中斷 0 和外部中斷 1部分，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，若啟動(dòng)開關(guān)合上則系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器部分控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能 。35 步進(jìn)電機(jī) 的主要技術(shù)參數(shù)如下表 32 所示。 表 31 步進(jìn)電機(jī)控制線 紅 色 紅色 橙色 棕色 黃色 黑色 公共端 公共端 A B C D 其中， A 與 C 是電機(jī)內(nèi)部一組線圈的兩個(gè)抽頭 ， D 與 B 是另一組線圈的兩個(gè)抽頭。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) D01B2A34C5M橙色紅色黃色黑色紅色棕色 圖 36 本設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的接線 本設(shè)計(jì)采用的步進(jìn)電機(jī)是 四相六線 步進(jìn)電機(jī) ，因生產(chǎn)廠家不同，其接線也有所不同。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速 [10]。電機(jī)是種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) a1b2c3d4e5f6g7dp891011121314U2DIG6123456789RP1RESPACK812345678RST910111213141516172122232425262728PSEN29ALE303233343536373839GND20EA31VCC40XTAL218XTAL119U18051 VCCK1K2K3K4GNDDIR1A02A13A24A35A46A57A68VCC20OE19B018B117B216B315B414B513A79GND10B612B711U374HC245VCCGND 6位數(shù)碼管123P1GNDVCCHeader1GNDVCC電源X2 X1RST 圖 34 按鍵部分電路 步進(jìn)電機(jī)部分 該設(shè)計(jì)中所用到的步進(jìn)電機(jī)為四相六線步進(jìn)電機(jī) ?？偣苍O(shè)置了 4 個(gè)按鍵，如圖 34所示，其中四個(gè) 控制按鍵 組合 執(zhí)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)停止、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速四種控制功能，由單片機(jī)的 ～ 口輸入。采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，硬件電路簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)便、顯示信息清晰 [5]。 顯示模塊 顯示模塊采用六位 LED 六 段共陰數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，如圖 33 所示。 1B12B23B34B45B56B67B7COM97C106C115C124C133C142C151C16GND8 圖 33 ULN2020A 芯片 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 驅(qū)動(dòng)模塊直接采用 ULN2020 芯片，如圖 35 所 示。 驅(qū)動(dòng)模塊 ULN2020 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片，如圖 33 所示。 步進(jìn)電機(jī)的方向控制方法是： 用單片機(jī)輸出接口的每一位控制一根相繞組。信號(hào)分配實(shí)際上就是按照某一種控制方式（根據(jù)需要進(jìn)行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)方向的目的 [9]。 40 管腳雙列直插式封裝管腳圖如 32 圖所示。 SST89E516RD 單片機(jī)組成結(jié)構(gòu)中包含運(yùn)算器、控制器、片內(nèi)存儲(chǔ)器、 4 個(gè) I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器等功能部件。控制電路輸出的信號(hào)功率很低，不能提供步進(jìn)電機(jī)所需的輸出功率，必須進(jìn)行功率放大，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)部分 [8]。通常，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由邏輯控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電源組成。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動(dòng)或停止都完全取決于脈沖的有無(wú)或頻率的高低。典型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)本體三部分組成。這主要發(fā)生在制動(dòng)和突然換向時(shí)，轉(zhuǎn)子獲得過(guò)多的能量，產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)沖，引起失步。注意，啟動(dòng)頻率不是一個(gè)固定值，提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減少步距角都可以提高步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率。例如，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，如果脈沖的頻率較高，由于電動(dòng)機(jī)來(lái)不及獲得足夠的能量，使其無(wú)法令轉(zhuǎn)子跟上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，所以引起失步。 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù) ， 稱之為失步。同時(shí)，也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率，使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。所以，可以設(shè)計(jì)一種電路，使電壓隨頻率的降低而減少，可以有效地消除振蕩。 1. 多相勵(lì)磁法：采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象。 消除振蕩是通過(guò)增加阻尼的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有機(jī)械阻尼法和電子阻尼法兩大類。在振蕩區(qū)，主要表現(xiàn)是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，振蕩加劇，噪音增大，力矩下降，嚴(yán)重的甚至失步。這種能量越大，振蕩的趨勢(shì)越利害，當(dāng)控制脈沖的頻率等于自由振蕩的頻率時(shí)，就發(fā)生低頻振 蕩，或稱之為低頻共振。 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步 步進(jìn)電機(jī)的振蕩和失步是一種普遍存在的現(xiàn)象，它影響應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此要盡力去避免。 響應(yīng)頻率：在某一頻率范圍內(nèi)步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不會(huì)丟失一步，則這一最大頻率稱為響應(yīng)頻率。 最大空載的運(yùn)行頻率： 電機(jī)在某種驅(qū)動(dòng)形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。 失調(diào)角：指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度。用百分比表示：誤差 /步距角 *100%。 θz =2π/Z (Z 是轉(zhuǎn)子的齒數(shù) ) 步距角：指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的理論值。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖24 的 a， b， c 所示：西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) a)單四拍 b)雙四拍 c)八拍 圖 24 步進(jìn)電機(jī)工作方式 工作方式（ 四 相） 1. 單 四 拍：通電順序?yàn)?： A→ B→ C→ D； 2. 雙 四 拍：通電順序?yàn)?： AB→ BC→ CD→ DA； 3. 四 相 八 拍：通電順序?yàn)?： A→ AB→ B→ BC→ C→ CD→ D→ DA； 這三種工作方式的區(qū)別，如下表所示： 表 21 步進(jìn)電機(jī)三種工作方式的性能比較 工作方式 單 四 拍 雙 四 拍 八 拍 步