两相混合式步进电动机驱动控制系统设计毕业论文.doc

郑州航空工业管理学院 毕 业 论 文（设 计） 2010届 电气工程及其自动化 专业 班级题 目 两相混合式步进电动机驱动控制系统设计姓 名 学号 指导教师 职称 二一二 年 五 月 二十五 日摘 要本文源于解决步进电动机的失步问题。论文在了解步进电动机的特点及工作原理的基础上，重点研究两相步进电动机的单片机控制技术。根据两相混合式步进电动机的驱动控制特点，本文采用了双极性驱动方式，通过脉冲分配合理控制绕组中的电流保证步进电动机内部合成磁场的幅值恒定，合成磁场的角度均匀，并在此基础上设计了一种两相混合式步进电动机驱动器。该驱动器以单片机8098为控制核心，选用pbl3717、h桥驱动器件等构成驱动电路，论文从驱动技术方案、硬件电路、控制软件设计方面进行了详细地描述。在反馈检测电路设计时，采用光电编码器来进行步进电动机的转速。通过8279扩展键盘显示电路来显示电动机的转速和给定速度；另外利用isd1420语音芯片实现语音报速功能。最后对所设计的两相混合式步进电动机驱动器进行了性能测试分析，结果表明：该驱动器达到了系统设计前所提出的各项指标。系统运行安全、可靠、稳定。整个系统电路简单实用、性能优良、通用性强。设计原则适用于各种步进电动机，有一定的实用价值。关键词：2相混合式步进电动机，非线性动态模型，单片机，细分控制abstractthis dissertation is about a fundamental research that solve the problem of desynchronizing, based on the characteristics and the work principle of stepping motor, the paper emphasizes the control technology of stepping motor which controlled by the 8098 scm.according to the character, the paper uses dual bridge driving control technology. through analyzing and establishing the subdivision model, this paper controls the winding current reasonably, and guarantees constant magnetic field value, even angle. a new driver for 2-phase stepping motor is designed.the driver takes single chip 8098 as the control core, selects bpl3717 and h-bridge as the driver circuit. the paper discusses the technology of driver, the hardware and software designing in detail .in order to design the feedback of the current and speed of 2-phase hybrid stepping motor, using speed monitor to detect the speed of stepping motor. at the same time, using key- board to input the speed and output by led, which is taken by chip 8279.in the other way, we use pronunciation chip isd1420 to report the current steep. at last, a whole test for driver is made. the experiment result indicates that this driver reaches the qualities required. the system runs smoothly and safety. the circuit is simple, and has a good performance. the design principle fits many kinds of stepping motor, and has a good practical value. key words: 2-phase hybrid stepping motor, nonlinear dynamic model single chip，subdivision control目录绪论11.1课题研究背景及主要内容11.2.2系统硬件电路21.2.3系统控制软件21.3课题关键技术22 混合式步进电动机工作原理32.1步进电动机的分类及特点32.1.2性能分析32.2混合式步进电动机结构及其工作原理32.2.1混合式步进电动机结构32.2.2混合式步进电动机工作原理43.1步进电动机的驱动概述53.1.1一般驱动系统的组成结构53.1.2驱动器的特点63.2步进电动机驱动技术分析73.2.1单电压驱动73.2.2双电压驱动83.2.3斩波恒流驱动93.2.4细分驱动103.2.5双极性驱动114步进电动机控制系统设计114.1系统总体概述124.2系统硬件134.2.1单片机主控制单元电路设计134.2.2速度检测反馈电路154.2.3功率驱动电路154.2.4系统供电电源174.3.1系统软件设计的基本原则184.3.2主程序设计194.3.3步进电动机的速度控制204.3.4 8279接口芯片扩展键盘、显示器21结 论28附录a系统控制总电路图29参 考 文 献31iii郑州航空工业管理学院1绪论1.1课题研究背景及主要内容我国步进电动机的研究及制造起始于二十世纪50年代后期。从50年代后期到60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。这些产品以多段结构三相反应式步进电动机为主。70年代初期，步进电动机的生产和研究有所突破。除反映在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电动机本体的设计研究也发展到了一个较高水平。70年代中期至80年代中期成为成品发展阶段，新品种高性能电动机不断被开发。自80年代中期以来，由于对步进电动机精确模型作了大量研究工作，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品广泛应用。步进电动机是一种新型增量式电机，是数字控制系统的一种执行元件。它是利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电动机。步进电动机有多种不同的结构。主要以混合式和反应式为主。混合式步进电动机是在同步电动机的基础上发展起来的。既有反应式步进电动机基于气隙磁导变化的特征，又有轴向恒定磁场的永磁式步进电动机的特征。步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的步进电动机驱动器；步进电动机系统的性能，除与电动机自身的性能有关外，还与驱动器性能有关。步进电动机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。课题以两相混合式步进电动机为代表作为研究对象，以先进的驱动技术为研究目的，开发高性能，高可靠性的驱动器，与两相混合式步进电动机合理搭配使用，其技术指标如下:额定电压：15v一50v额定电流: 5a以下工作方式: 连续转矩输出: 在一定频率范围内恒定鉴于上述原因，本课题对步进电动机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究，做出适合步进电动机运行特性的驱动控制方式及电路，对提高两相混合式步进电动机系统的性能，推动步进电动机的广泛应用，发展新一代高性能混合式步进电动机驱动系统，不仅具有较高的现实意义，而且具有一定的经济价值。1.2课题完成的主要工作 1.2.1系统总体方案论证 本文研究了基于单片机的步进电动机控制系统控制技术、控制策略及其实现方法，确定了基于单片机的两相混合式步进电动机驱动控制系统的总体设计方案。该阶段的工作主要包括:系统总体方案的论证:广泛查阅国内外相关技术资料，研究了步进电动机驱动控制系统控制技术、控制策略，并对基于单片机的两相混合式步进电动机驱动控制系统的各种实现方案进行了论证;系统总体方案的设计:从控制器芯片即单片机芯片的选择，系统硬件控制电路、驱动电路基本框架以到系统基本控制策略的确定等各方面，确定系统的总体设计方案。1.2.2系统硬件电路根据已确定的基于单片机的两相混合式步进电动机控制系统总体设计方案，完成了系统硬件电路的设计、实现以及硬件电路的性能测试工作。该阶段的工作主要包括：系统硬件电路设计：根据确定的控制系统总体设计方案完成系统硬件电路的设计，如单片机芯片的选择、驱动集成电路的选择、系统原理电路的绘制等；系统硬件电路性能测试：主要完成系统硬件的电器测试，系统各功能模块的测试等。1.2.3系统控制软件按照系统技术标准要求和确定的系统控制策略，对系统控制软件进行合理的分析、规划及设计，确定软件流程，并对系统软件进行调试运行。该阶段的工作主要包括：系统软件分析：根据系统的要求以及主控制器的特点对系统控制软件进行整体的分析和规划；系统软件与实现：根据系统软件整体的分析和规划，编写流程图，逐个实现各功能模块程序；1.3课题关键技术课题在设计过程中主要解决如下难点和关键技术：1、两相混合式步进电动机的动态模型混合式步进电动机绕组供电情况及运行状态较为复杂，难以用解析法来分析其运行性能。近年来仿真模型逐渐成熟，但是由于对混合式步进电动机运行性能指标要求的进一步提高，其对仿真模型的精度的要求也相应提高;所以对绕组电感、电磁转矩、旋转电势等的非线性特性要求有更精确的描述。2、系统抗干扰技术步进电动机在工作过程中，会产生较大的电磁干扰，引起步进电动机工作状态不稳，直接影响系统的可靠性。分析单片机控制步进电动机驱动系统中电磁干扰产生原因，在设计初将驱动器的电磁兼容设计与整个系统电磁兼容性紧密联系起来考虑，采取光电隔离、系统有效监控、软件滤波等方法和措施有效抑制电磁干扰，提高系统抗干扰特性。3、控制电路的设计控制电路的好坏直接影响电机的运行效果。考虑到两相混合式步进电机驱动器在a、b两相电路的对称性，在反馈放大电路设计时，采用光电编码器检测速度来实现速度闭环控制;此外，驱动电路中采用双极性工作，减少了驱动电源的数量。2 混合式步进电动机工作原理2.1步进电动机的分类及特点步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电元件。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机。步进电动机的输入是脉冲信号，它绕组内的电流既不是通常的交流电，也不是恒定的直流电，而是脉冲电流。从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式步进电动机主要类型有旋转电机反应式电机、永磁式电机、混合式电机，直线电机vr型、pm型、hb型。2.1.2性能分析反应式步进电动机在结构上来说，定子上有多相绕组，定子磁极和转子上开有小齿，定、转子铁心可做成单段式或多段式。其齿距角可以做得很小，起动和运行频率较高。断电时无定位 力矩，需用带电定位，消耗功率大。永磁式步进电动机在结构上来说，定子上有多相绕组，但定子磁极上不开齿。转子用永久磁钢制成，转子极数与定子每相的极数相同。其步距角较小，起动和运行频率较低，断电时有定位力矩，消耗功率小。2.2混合式步进电动机结构及其工作原理2.2.1混合式步进电动机结构混合步进电动机结构复杂。图2.1为定子是四相八极，转子上有50个小齿的典型二相混合式步进电动机的结构图。转子由转子铁心、永磁材料和轴组成。转子被分成完全对称的两段，一段转子的磁力线沿转子表面呈放射形进入定子铁心称为n极转子，另一段转子的磁力线从定子沿定子表面穿过气隙回归到转子去，称为s极转子。为了满足控制上的需要，从轴向看，n极转子和s极转子的齿中心线并不一致，而是彼此错开半个齿距。除此之外，n极转子和s极转子在结构上完全相同。定子上有均匀分布的8个磁极，每个磁极下有5个梳齿。在定子相邻大极齿的槽内放置绕组。为了和转子配合，定子也分为两段，但实际上作为一段处理，装有两相对称绕组，沿定子轴向安装一块永久磁铁，形成n极转子和s极转子。两段定子铁心使用同一套两相绕组，实际上相当于一段，从轴向看磁极中心线应严格对齐，不允许产生任何错位。永磁材料为轴向充磁的圆环形，位于转子的中部。从它的磁路内含有永久磁钢这点看，应该说它也是永磁式步进电动机。磁钢在电动机工作中的作用反映了永磁电动机的特点，另一方面又像反应式一样，定、转子表面开有齿槽使步距角做得很小。它是反应式和永磁式步进电动机的结合，可以做成像反应式一样的小步距，也具有永磁式控制功率小的优点，兼有以上两种步进电动机的优点，常常也作为低速同步电动机运行。图2.1 两相混合式步进电动机的结构图2.2.2混合式步进电动机工作原理混合式步进电动机的气隙磁动势由两部分组成:一是由永久磁铁产生的磁动势;二是由定子绕组产生的磁动势。在每一个具体的磁极下，这两种磁动势有时相加，有时相减，随交流绕组中通电的电流方向变化。转子上均匀分布着50个齿，按角度计算，定转子的齿宽和齿距应严格相等。从电动机的某一端看，当定子的一个极上的小齿与转子的小齿轴线重合时，相邻极上的定转子的齿就错开1/4齿距。从另一端ii来看，如果1极下定转子齿轴重合，则2极下错开1/4齿距，3极下则定子齿与转子槽轴线重合。当转子上没有磁钢或定子绕组不通电时，电动机基本上不产生转矩，只有转子磁钢与定子磁势相互作用下，才产生电磁转矩。两相混合式步进电动机常见的通电方式有单四拍(aba)、双四拍(abbaab)和八拍(abbbaaab)等。当定子各相绕组按aba顺序通电，每改变一次通电状态，转子沿方向转过1/4齿距，即360/(504)=1.8。转子的平衡位置为通电相定子磁极从绕组首端，沿绕组前进方向，第1、3磁极与转子ii端齿轴线重合，第2、4磁极与转子ii端槽轴线重合的位置。当定子绕组按双四拍和八拍通电时，每改变一次通电状态，转子分别转过1.8和0.9。单相通电时，转子的平衡位置与单四拍运行相同通电状态下相同，两相通电时转子平衡位置为相邻二同极性定子磁极分别和与之极性相反的一端转子齿错开1/8齿距的位置。混合式步进电动机线圈电流产生的异极磁场作用子磁钢产生的单极磁场，改变了每极磁场的分布，使极间产生了磁位差，该磁位差随定子通电相序同步变化，它作用于气隙基波磁导产生转矩，实现电动机的步进运动。它以轴向磁场为基础，又受径向磁场的作用，是基于反应式的工作原理。由于混合式步进电动机是基于反应转矩工作的，因此可把它看作一台等效的反应式步进电动机，与反应式步进电动机的差别只是极齿下的磁势是异性磁势和单极磁势的合成。3步进电动机驱动控制技术在混合式步进电动机特点和工作原理的基础上，本章就步进电动机的驱动控制技术进行了详细的分析和比较。首先介绍了传统的驱动方式:单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)和恒流斩波驱动的工作原理及优缺点，然后重点介绍了细分驱动方式的原理及其模型。3.1步进电动机的驱动概述3.1.1一般驱动系统的组成结构步进电动机不像直流电动机、交流电动机一样，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动器。步进电动机驱动器系统的性能，除与电动机木身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。因此，对步进电动机驱动器的研究几乎是对步进电动机的研究同步进行的。步进电动机驱动器的主要构成如图3.1所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还需要有多种保护电路。环形分配器信号放大与处理推动级驱动级保护图3.1 步进电动机驱动器构成 环形分配器用来接受来自控制器的cp脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个cp脉冲，环形分配器的输出转换一次。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者反序转换，决定了步进电动机的转向。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于cp脉冲的有无或频率的高低。信号放大与处理的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级。信号处理是实现某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一起，形成较高性能的驱动输出。推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级的较大的信号。有时推动级还承担电平转换的作用。保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。3.1.2驱动器的特点1各相绕组都是开关工作，多数电动机绕组都是连续的交或直流而步进电动机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的。2电动机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以有较大的电感。绕组通电时电流上升率受到限制，因此影响电动机绕组电流的大小。3绕组断点时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快截止，必须设计适当的续流回落。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。4电动机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电动机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。驱动级线路，既要保证绕组有足够的电流电压及正确的波形，同时要保证功率放大器件的安全运行，另外，还应有较高的效率、较小的功耗、较低的成本。这就必须要设计合理的线路，选用合适的功率器件。目前步进电机常用的驱动方式有单电压驱动(包括单电压串电阻驱动)、双电压驱动(包括高低压驱动)、斩波恒流驱动和细分驱动等。以下分别简单介绍前二种驱动方式的工作原理和优缺点。将在后面详细介绍细分驱动方式。3.2步进电动机驱动技术分析3.2.1单电压驱动单电压驱动是指在电动机绕组工作过程中，只用一个方向电压对绕组供电。其原理图如图3.2所示，前面推动级输出信号in作用于三极管的基级，其集电极接电动机的一相绕组，绕组另一端直接与电源电压连接。因此，当三极管导通时，电源电压全部作用在电动机绕组上。归结起来，单电压驱动器有如下特点：线路简单，成本低，低频时响应较好；有共振区，高频时，带载能力迅速下降。图3.2 单电压驱动的原理图单电压驱动的致命弱点是绕组导通的回路电气时间常数较大，致使导通时绕组电流上升较慢、使电机在导通脉宽t接近时绕组电流迅速下降。由于，故要减小电气时间常数的方法是减小绕组的电感或增加绕组回路的电阻r。对于确定的步进电动机，绕组电感已经确定。因此在电路中只有用增加回路电阻的方法。即单电压串电阻驱动，其原理图如图3.3所示。单电压串电阻驱动的主要缺点是损耗大，效率低。对比前述单电压驱动，其导通时铜损为，而串电阻后的导通铜损为，所以电源提供的功率大部分都消耗在串联电阻上。3.2.2双电压驱动双电压驱动的基本思想是在较低频段用较低的电压驱动，而在高频段用较高电压驱动，原理线路见图3.4所示。电源直接接到由大功率管和二极管组成的电源转换开关上。当关断时，低压电源通过给电路提供驱动电压，当导通时，高压电源通过给电路提供驱动电压，处于反向截止状态，低压电源自动停止供电。图3.4 双电压驱动的原理图高低压驱动的原理线路如图3.5所示，初看起来，与双电压驱动电路似乎差别不大，但实际上工作过程截然不同。图中所示为每相的单元线路。主回路由高压管、电动机绕组、低压管串联而成。加高压，加低电压，电动机绕组回路不串电阻。在每相导通期间，低压管输入信号与高压管输入信号见图3.6所示。当为高电平时，该相导通；当为低电平时，该相截止。高压管的输入信号是由信号的前沿信号获得的，前沿与同步。但脉冲宽度要比小得多，高低压驱动可保证在很宽的频段内都能保证相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速释放，因此能产生较大的且较稳定的电磁转矩，因此驱动系统可得到较高的响应。图3.5 高低压驱动的原理图图3.6 高低压管输入信号3.2.3斩波恒流驱动斩波恒流驱动的电路图如图3.7所示。其工作原理为：当环形分配器输出导通信号时，输出高电平使和两管导通，高电压经向电动机绕组供电。当电流超过所设定值时，比较器输入的电流取样电压超过给定电压，比较器翻转，输出变低电平，关断高压管。此时磁场能量将使绕组电流按原方向继续流动，经由低压管、取样电阻、地线、二极管dl构成的续流回路消耗磁场的能量。此时电流将按指数曲线衰减，逐渐下降。当取样电阻上得到的电压小于给定电压时，比较器又翻转回去，输出高电平，打开高压管，电源又开始向绕组供电，电流又会上升。如此反复，电动机绕组的电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波。斩波恒流驱动方式的优点是导通相电流不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。而且低频共振现象基本消除，在任何频率下，电动机都可稳定运行。图3.7斩波恒流驱动的原理图3.2.4细分驱动步进电动机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的。绕组通电的过程非常简单，即通电断电反复进行。众所周知，电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。当通电相的电流并不马上上升到位，而断电相的电流也并不立即降为0时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这个平衡位置是在原来的步距角范围内。也就是说，如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波，而是一个分成n个阶级的近似阶梯波，则电流每升或降一个阶梯时，转子转动一小步。当转子按照这样的规律转过n小步时，实际上相当于它转过一个步距角。这种将一个步距角细分成若干小步的驱动方法，就称为细分驱动。采用细分驱动的步进电动机具有如下特点：1、避免了电机工作时的共振点。步进电动机由其自身原因，导致其电器机械特性在某个频率下，会产生丢步或跳步现象。采用细分电路后，改善了电器特性，消除了共振点，解决了低频振荡问题。细分后，驱动电流的变化幅度减小，故转子达到平衡位置时的过剩能量也减少。另一方面，控制信号的频率提高了n倍(细分数)，可远离转子的低频谐振频率。2、低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低。由于采用了细分电路，在低速工作时电机的加速力矩明显减小，因为工作力矩=(输出力矩加速力矩)，输出力矩为步进电机静止时可产生的最大力矩，它的值一般大于工作输出力矩。由于加速力矩的减小，可以使输出工作力矩增加，所以细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小，步进电动机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。3、在不改变电机内部参数的情况下，减小步距角、减小步进误差，即提高了分辨率和步距精度。3.2.5双极性驱动双极性驱动是指对绕组正向和反向通电。两相混合式步进电动机必须实现双极性驱动。为了是两相混合式步进电动机实现双极性驱动，最常用的方法是使用h驱动桥。如图3.8所示。图3.8 两相混合式步进电动机的双极性驱动4步进电动机控制系统设计本部分将主要介绍步进电动机的单片机控制系统的硬件及软件设计，对系统硬件电路的每个主要组成部分的设计进行详细的分析介绍；对系统软件的设计思想及各部分软件的流程作了详细论述。4.1系统总体概述本课题所要做的工作是基于单片机的两相混合式步进电动机控制系统的设计，主要包括系统控制电路的硬件设计和系统软件设计。硬件电路构成原理框图参见如图4.1所示。驱动器作为外部信号与两相步进电动机的接口，接受外部的控制信号，然后驱动步进电机按给定的方式转动。此驱动器接受外部信号如:正反转信号、速度改变信号、及脉冲信号后。当接受到这些信号后，执行相应的动作。整个系统以8098单片机为控制核心，8098单片机通过对输入信号判断比较，输出存储器中给定电流波形的控制信号，信号经过pbl3717驱动器驱动两相步进电动机，该信号和电机绕组中反馈回来的电流信号进行比较，若电流信号大于控制电压，电路将功放管截止，反之使功放管导通来驱动步进电机。输出不同的控制电压，绕组中流过不同的电流值。由图4.1中可看出，系统按功能可分为以下几个部分：8089单片机驱动器步进电机led显示语音报速键盘保护速度检测单元串行通信图 4.1 控制系统结构框图1.以8098单片机为核心的电路单片机在外部脉冲到来后，输出控制脉冲信号到dpbl3717以驱动内部h桥电路来驱动步进电动机。通过单片机扩展芯片8279实现键盘显示功能。2.功率与驱动电路驱动部分采用专用集成驱动芯片pbl3717。一片pbl3717可驱动一个桥臂的上下igbt管，功率电路设计为h桥式功率驱动电路，所以一相绕组需一片pbl3717。总共需要两片pbl3717驱动八只igbt管。3.保护电路主要是对主功率电路进行保护，当主回路电流高过一定值之后，保护电路输出信号，该信号电平被送至单片机进行判断处理。当保护信号为高电平时，驱动芯片pbl3717被封锁，电动机停止运行，实现保护的目的。4.给定显示功能通过单片机的扩展应用电路实现，利用8279实现键盘的给定和led的显示功能。5.串行通信电路，采用max-232芯片，利用单片机的串行口实现rs-232的串行通信方式。4.2系统硬件4.2.1单片机主控制单元电路设计本系统中，通过分析系统的功能和要求，比较各种单片机性能，最终采用8098单片机为控制核心，系统主控制电路图详见附录1.8098单片机简介8098是intel公司于1988年推出的96系列准16位单片机，所谓准16位是指片内数据总线采用16位，外部数据总线采用8位。8098单片机具有16位机性能，8位机的价格，并解决了与8位 i/o口接口芯片的匹配问题，因而易于应用和推广，具有广阔的前景。8098单片机的主要性能、特点如下：. 16位的中央处理单元cpu；. 可直接提供一路脉冲宽度调制输出pwm;. 自带波特率发生器的全双工串行口；. 高速输入、输出部件（his/hso）；. 多用途的并行接口p0、p2、p3和p4；. 中断系统功能；. 16位监视定时器（wdt）俗称看门狗；. 两个16位硬件定时器t1、t2；. 4个16位软件定时器；. 256个字节的寄存器阵列和特殊功能寄存器sfr；. 存储器统一的编址方式。由上所述，可见8098单片机特别适合用于要求很高的高精度、快速的实时控制场合，8098单片机常常是现场微控制器的理想机种。2. i/o口电路在8098单片机i/o口中，p0口作为输入口，有ach7(p0.7)ach4(p0.4)共4个引脚。p2口有4个引脚：txd(p2.0),串行口输出；rxd(p2.1)，串行口输入；extint(p2.2),外部中断源输入信号；pwm(p2.5)，脉冲宽度调制输出（或d/a转换）。其中，p2.0与p2.1连接max-232的输入和输出口进行rs-232串行通信方式。p3口作为地址总线低8位和8位数据总线；接8279的数据端，实现8279扩展键盘显示功能。通过p3.0、p3.1、p3.2连接isd1420的录音、放音控制口达到语音报速功能。p4口作为地址总线高8位。3. 高速输入、输出器（his/hso）his有4个输入端：his.his.3，可同时接收4个引脚的脉冲变化信号；hso有6个输出端：hso.0hso.5，可由用户程序设定在规定的时刻输出触发信号。通过hso口连接pbl3717的输入端以输入驱动信号，即步进电动机的方向、转速控制信号。4. 输入隔离电路光电隔离电路为了是防止步进电动机和驱动电路产生的干扰信号通过输入输出接口进入单片机系统而烧毁器件，影响它的正常工作。因此，在输入输出口与单片机之间加上以tlp521为主要元件的光电隔离电路，从而提高系统的可靠性和抗干扰能力。tlp521的输入端信号是单片机控制信号，经tlp521隔离后输出cp脉冲信号进入pbl3717驱动芯片驱动步进电动机按要求运行，输入与输出电平是同相的。tlp521的输出端用+5v电压作为提拉，该电压与单片机控制电路的供电电压相同。这样可提高了工作的可靠性。5.晶体振荡电路晶体振荡电路主要给单片机提供时钟信号。在单片机芯片内部有一个高增益的反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体振荡器crys和微调电容c1、c2形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。其中crys为6m晶体，c1、c2取20pf。4.2.2速度检测反馈电路图4.2 光电速度检测电路原理图光电编码盘角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器，它将测得的角度位移转换为脉冲形式的数字信号输出。其电路原理图见图4.2所示。4.2.3功率驱动电路驱动电路如图4.3所示，在本驱动电路中，开关管选用绝缘栅型功率管igbt。驱动功率igbt管方面，传统上采用由分离元件组成的ttl电路、功率管mosfet、线性运放电路或者混合电路来实现，但这些电路存在的问题是工作频率上不去，开启和关断时间较长，而且元器件多、电路复杂，可靠性也不高，鉴于此，本系统选用了美国sgs公司生产的专用集成驱动芯片pbl3717。图4.3 驱动电路1. pbl3717功能原理简介pbl3717是sgs公司设计生产步进电动机单相绕组驱动电路，内部采用是h-桥脉宽调制电路。利用外部逻辑电路构成逻辑分配器或微处理器分配信号，由若干片这种电路和少量无源元件可组成一个完整多相步进电动机驱动程序，可实现整步（基本步距）、半步或微步距控制。控制方式是双极性、固定off（关断）时间斩波电流控制。下面介绍一下pbl3717引脚功能。它采用16脚双列直插塑料封装。1脚和15脚为输出端，分别接一相绕组线圈两端；2脚外接rc定时元件；3、14脚是绕组线圈供电电源，可在1046v范围内选择；4、5、12、13脚接地端，可接至热片；6脚是ic供电电源接 5v；7、9脚用于选择绕组线圈电流；8脚（为相位输入端，用于控制转动方向；16脚外部绕组电流采样电阻，采样信号通过rc低通滤波器送至10脚，与内部电压比较器基准电压进行比较；11脚外接参考电压。 pbl3717具有欠压告警、欠压封锁、过流保护之功能等比较完善的保护功能。所以驱动电路选用2片pbl3717驱动两个h桥。4.2.4系统供电电源在一个控制系统内，往往需要不同的供电电压，如数字ttl，cmos图4.5 电源电路器件需要+5v电压，而执行电动机及其驱动电路的供电电压、电流要求更是各有不同。此外还要求电源体积小、运行可靠、效率尽可能高。所以电源的设计就显得非常重要。本系统中要求驱动器的工作电压范围10v50vdc，单片机及逻辑芯片采用5vdc。为了满足系统要求，本文采用采用三端集成稳压芯片l7805ct及l7812ct设计了如图4.5所示电路。该电源模块能为该驱动器提供可靠的电源保证，满足系统要求，且电路简单实用。为了保证其能长时间稳定工作，安装时应注意给，lm7805ct及lm7824ct添加大散热片。4.2.5语音报速电路isd1420为单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国isd公司的专利-直接模拟存储技术（dast tm）实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入eeprom存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。 图4.6 语音电路不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。根据isd1420的语音功能设计如图4.6所示语音电路。4.3系统软件4.3.1系统软件设计的基本原则系统中控制任务的实现最终是靠控制软件来完成的，控制软件的设计将直接决定整个系统的控制性能。1. 实时性单片机必须在一定的时间内，完成一系列的软件处理过程，如对系统的被控参数(如转速、转角等)的反馈信号进行采样、计算、逻辑判断和分析，按照规定的控制算法进行数值计算，输出各种控制信号，以及对可能出现的故障进行处理。2. 可靠性软件的可靠性是指软件在运行过程中避免发生故障的能力，以及一旦发生故障后的解脱和排除故障的能力。因此，为了提高软件的可靠性，软件设计时要考虑系统运行过程中可能出现的非正常情况，系统一旦出现故障，要有一定的对策，以防止对系统造成严重损失。3. 可维护性一个完整的控制软件，通常需要一个不断地设计、调试、修改和完善的过程，才会最终满足系统所需的功能要求。因此，在软件的总体设计时，必须要有良好的程序结构设计。本系统控制软件采用汇编语言编写。汇编语言是用符号表示的指令，是对机器语言的改进。汇编语言是直接对硬件操作的语言，因此，每一条汇编语句对应一定的硬件操作，意义明确，调试时十分方便，它具有很高的编译效率和执行效率。本控制系统软件的主要工作是大量的对硬件进行操作，程序相对短小，运算量也不大，所以建议使用汇编语言编写程序。4.3.2主程序设计系统软件采用模块化程序设计，使程序流程清晰明了。系统主程序主要完成的内容:系统参数初始化、判断保护信号、打开中断启动电机。系统主程序流程图如图4.7所示。可以看出，主程序是一个死循环，在系统上电初始化完毕后，系统一直在不断的执行这个循环程序。在循环过程中，若产生中断，则程序就转去执行相应的中断服务程序。在后面将逐一介绍中断服务程序，功能子程序等的设计。开始初始化设置中断方式等待中断判断保护信号是否需要保护执行保护程序结束图4.7 主程序流程图4.3.3步进电动机的速度控制步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。对于用软件实现脉冲分配，可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。根据调速原理，控制步进电动机速度的方法可有两种：1. 通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率，但这种方法使cpu长时间等待，占用大量机时，因此没有实用价值。2. 通过定时器中断的方法。在中断服务子呈现中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可本系统软件延时的方法实现调速，从hso.0通道输出连续脉冲信号。在50h单元存放脉冲处于“1”电平时间值（单位为2），52h单元存放脉冲处于“0”电平时间值（单位为2）。改变50h和52h单元的内容，就可以改变脉冲输出的频率及占空比。程序如下：；主程序 org 2080houpss: ld sp,#00c0h ;设栈指针 di ;关中断 orb int-mask,#8h ;允许hso中断 ld temp,#hso-int ;送hso中断服务程序入口地址 st temp,2006h0 add 54h,t1,52h ;计算上跳变时刻 scall ldcam ;调cam装载子程序 ei ;开中断here: sjmp here ;等待中断；中断服务程序hso-int: pushf ;保护psw，同时清psw scall ldcam ;调cam装载子程序 popf ;恢复psw ret ;返回主程序；cam装载子程序ldcam: ldb hso-command,#20h ;1hso.0 ld hso-time,54h add 54h,50h ;计算下跳变时刻 nop nop ;空操作 ldb hso-command,#10h ;0hso.0并产生hso中断 ld hso-time,54h add 54h,52h ；计算上跳变时刻 ret其它高速输出口(hso)的连续脉冲信号的产生程序可依据如上程序写入。这样可通过改变输出脉冲的频率达到控制步进电动机速度和方向4.3.4 8279接口芯片扩展键盘、显示器827