基于步进电机的DSP控制毕业论文

1绪论1.1选题背景步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他 类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，广泛运用于数控机床、机器 人、自动化仪表等领域。随着计算机技术的发展，特别是08？芯片的出现，开创了步 进电机控制的新局面。用08？控制的步进电机不仅减小了控制系统的体积、简化了电 路，同时进一步提高了电机控制的精度和控制系统的智能化，从而逐步实现控制系统的 嵌入式。基于08？的步进电机控制技术在九十年代时期得到了较大发展，主要应用在 工业、航天、机器人、精密测量等领域。数控机床、跟踪卫星用电经纬仪在采用了步进 电机技术后，大大提高了控制与测量精度，这样就使步进电机伺服系统的应用前景更加 广阔。08？控制器的技术水平主要体现在三个层面：硬件方案、核心控制算法以及应用 软件功能。国内步进电机控制器所采用的硬件平台和国外产品相比并没有太大差距，有 的甚至更加先进。与欧美发达国家相比，国内控制器的差距主要体现在控制算法和二次 开发平台的易用性方面。以四相反应式步进电机为执行部件的控制系统是一个典型的机 电一体化系统，它不仅具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为 机电一体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。同时本系统也可 以作为数控系统的开发工具。1.2步进电机的发展及应用1.2.1步进电机的发展步进电机也称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称为8鄉或816卯丨明 ？111868610，81；6|6等等。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本身的发展和变化，传统电机之间分类 的界面越来越模糊。步进电机的工作过程为，每输入一个脉冲信号，则改变一次励磁状 态使转子转过一定角度，若没有脉冲信号输入，则转子保持在某一位置静止不动。因此， 步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制频率同步的同步电机。步进电机工作的机理是基于最基木的电磁铁作用，其原始模型起源于1830年至 1860年间。1870年前后开始以控制为目的进行尝试，应用于氢弧灯的电极输送机构中。 这被认为是最初的步进电机。此后，在电话自动交换机中广泛使用了步进电机。不久又 在缺乏交流电源的船舶和飞机等独立系统中广泛使用。20世纪60年代后期，步进电机本体方面随着永磁材料的发展，各种实用性步进电 机应运而生，而半导体技术的发展则推动了步进电机在众多领域的应用。在近30年间， 步进电机迅速的发展并成熟起来。从发展趋向来讲，步进电机已经能与直流电机、异步 电机，以及同步电机并列，从而成为电动机的一种基本类型。我国步进电机的研究及制造起始与上世纪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机为主。70年代初期，步进电机的生产和研究有所突破。除 反应在驱动器设计方面的长足进步外，对反应式步进电机本体的设计研究也发展到一个 较高水平。70年代中期至80年代中期为产品发展阶段，新品种高性能电机不断被开发。 自80年代中期以来，由于对步进电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式步进电 机及其驱动电路作为产品被广泛使用。1.2.2步进电机的应用步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。由于其结构简单、价格低 廉、定位方便、易于控制、无积累误差和计算机接口方便等优点而广泛应用在各种自动 化控制系统中。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要八/13转换， 能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的经济型数控机床的执行 元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一 同组成液压脉冲马达。随着步进电机制造技术及电子技术的发展，步进电动机已经能够 单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进 给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是 传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动 电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上比如作为自动 送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步 进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。1.3课题研究内容本课题的研究内容是使用08？控制步进电机，实现步进电机的驱动，构成控制系 统。其主要内容是：1、了解08？丨钟&1 8丨职&丨和步进电机的组成和原理。2、完成08？控制步进电机系统的软硬件设计，其中主要包括：设计08？控制步进电机的硬件电路，并采用绘图软件完成电路图的绘制； 采用0语言完成步进电机控制的软件设计；在038开发环境下完成步进电机控制的软硬件调试。52步进电机2.1步进电动机的分类步进电机分为以下三大类：1、反应式步进电机础16尺6111血1106，简称乂尺）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组.它的结构简 单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式 和多段式两种类型。2、永磁式步进电机(户!6!；明简称？永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源.转子的极数 和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小 (相比反应式：但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。3、混合式步进电机(氏咖丨山简称只的混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比， 结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而 不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在， 该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳，噪音 低、低频振动小。混合式步进电机在某种程度上可以看作是低速同步电机。但混合式步 进电机结构复杂.成本较高。2.2四相反应式步进电机的结构及工作原理2.2.1步进电机的结构四相步进电机的基本机构如图2.1。四相步进电机在结构上分为转子和定子两部分。 定子一般由硅钢片叠成，定子上所绕的线圈称为励磁线圈。对于如图2.1所示的绕线方 式，人、八引线形成一相，3、3引线形成一相义、引线形成一相0、0引线形成一相。 当给某相线圈通电时将形成8个磁极。这样，对于四相八级步进电机共有人、八，3、3，0、和0、四个绕组、8个磁极。每个定子磁极内表面都分布着小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制作成的。其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上 的小齿相同，形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式6 二 2 0来计算。式中，2为转子的齿数。图2.1四相步进电机步进示意图2.2.2步进电机的工作原理在步进电机的结构中必定有错齿和对齿的存在如图2.2所示。我们把定子小齿和转 子小齿对齐的状态称为对齿；把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存 在是步进电机能够旋转的前提条件。如果给处于错齿状态的相线圈通电，转子在电磁力 的作用下，如果磁极相异，则转子向完全对齿方向转动，如果磁极性相同，则转子向完 全错齿方向转动。假设将电机的转子置于线圈所产生的磁场中，便会受到磁场的作用而 产生与磁场方向一致的力，转子便开始转动，直到转子的磁场和线圈的磁场方向一致为 止。步进电机的转动就是基于这一原理实现的。二二印)转子小齿 ()对齿（卜）错齿图2.2定子齿与转子齿的磁导现象按如下四个步骤循环通电：八八相通电，电流方向为八一八；()相通电，电流方向为3一3；匚匸相通电，电流方向为一0；00相通电，屯流力向为0一0。可以分析出，在每一次通电过程中，步进电机的转子均相对上次通电时的平衡位置 顺时针旋转了一个位移角。对绕组通电一次的操作称为一拍，根据上面给出的算式每给 电机一个脉冲，步进电机将转过15度，既转过一圈则需要，360/15=24个脉冲。2.3步进电动机的工作方式四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。 具体如下：2.3.1 单四拍工作方式四相步进电动机如果按照八七-匕!)-人循环通电工作，就称这种工作方式为单四拍 工作方式，其中的“单”指的是每次对一个相的通电；“四拍”指的是磁场旋转一周需要换 相四拍，以单四拍工作方式工作的步进电动机，其步距角按下式2.2计算。式中，为步进电动机工作拍数，2为转子的齿数。在用单四拍方式工作时，各相通电的波形如图2.3所示。其中电压波形是方波；而 电流波形则是由两段指数曲线组成。这是因为受步进电机绕组电感的影响。当绕组通电 时，电感阻止电流的快速变化；当绕组断电时，电感又阻止电流的突然变小。2.3.2 双四拍工作方式四相步进电机电动机各相除了采用单四拍方式通电外，还可以有其他种通电方式。 双四拍就是其中之一。双四拍的工作方式是：每次对两相同时通电，既所谓的“双”；磁场旋转一周需要换 相四次，既所谓的“四拍”。在双四拍工作方式中，步进电机正转的通电的顺序反转的通电顺序为：3八八。因为在双四拍的工作方 式中电机每次转动的位移角是一样的所以它的步距角与单四拍时一样，仍然用式（匕：!） 求的。用双四拍方式运行时，各相通电的波形如图2.3所示。由图可见，每一拍中，都 有两相通电，每一相通电时间都持续两拍。所以，双四拍通电的时间长，消耗的电功率 大，当然获得的电磁矩也大，同时双四拍的工作方式还有一个优点，这就是不易产生失 步。这是因为当两相通电后，两相绕组中的电流幅值不同，产生的电磁力作用方向也不 同。所以，其中一相产生的电磁力起了阻尼作用。绕组中电流也大，阻尼作用就越大。 这有利于电机在低频区工作。而单四拍由于是单相通电励磁，不会产生阻尼作用，因此 当工作在低频区时，由于通电时间长而使能量过大，易产生失步现象。2.3.3 八拍工作方式八拍工作方式是四相步进电机的另一种通电方式。这是单四拍与双四拍交替使用的 一种方法，也称作单双八拍法。步进电机的正转通电顺序为:八-八八-八; 反转通电顺序是八八-八。可见磁场旋转一周；通电需要换相八次（既 八拍这是与单四拍和双四拍最大的区别。在这种方式工作下，电机的步距角要比单 四拍和双四拍小一半，所以步进精度要提高一倍。八拍工作时，各相通电的电压波形如 图2.3所示。可以看出，在使用八拍工作方式时，有的四拍是单相通电，有的四拍是双7向通电。经过上面的介绍我们知道根据四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、 双四拍、八拍三种工作方式。其中单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩 小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持 较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序 与波形分别如图2.3 6、0所示：单四拍 汶双四拍 0八拍 图2.3步进电机工作时序波形图2.3.4三种工作方式的比较据上面的介绍和分析，三种通电方式的优缺点见下表2-1表2-1 三种工作方式的比较工作方式单四拍双四拍八拍步进周期XXX每相通电时间X2737相电流小较大最大高频性能差较好较好转矩小中大电磁阻尼小较大较大振荡易较易不易功耗小大中2.4步进电机的运行特征2.4.1 步进电机运行的矩角特性步进电机单步运行时的矩角特性如图2.4所示，从图中可以看出，假设负载转矩为 II，则改变通电状态时，电磁转矩的值大于负载转矩，从而使转子加速，朝十0方向运 动，达到新的平衡点仏处。如果开始负载转矩相当大，如图中12，则改变通电状态时， 由于新的矩角角特性曲线2上的点的电磁转矩的值小于负载转矩12，因此转子不能向十0 方向新稳定点点运动，反而向4方向滑动。这就是说电机能带动的的最大转矩要比 其最大静转矩小。曲线1和2的交点转矩丁 是步进电机的起动转矩。可见，在最大 静转矩相同的条件下，步距角减小，曲线的交点I就较高，步进电机带载能力也相应增 大。这也说明了八拍工作方式能很好的解决启动转矩问题和提到带载的能力。图2.4单步运行步进电机的矩角特性2.4.2步进电机的矩频特性图2.5步进电机的矩频特性步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即称为矩频特性。步进电机 的矩频特性如图2.5所示，从图中可以看出，步进电机的最大动态转矩将小于最大静转 矩，并随转速的升高而下降。因为步进电机控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气 时间常数。所以控制绕组中电流增长也有一个过程。当频率高时，由于时间常数的存在， 绕组中电流未达到稳态值时就下降了，这样电机的最大动态转矩小于最大静转矩，同时 电机随频率(或速度)的增大而相电流减小，最大动态转矩也减少。所以数控机床在高速 定位运动时如加减速时间常数设得小，就会造成高频出力不足而出现闷车、丢步。由于绕组电感是随转子齿和定子齿相对位置变化而不断变化的，因此绕组产生的旋 转电势，使得本来就不是理想方波的电流波形畸变，波顶下凹，如下图6所示，重 载时则更明显。电机不转电机旋转重负载图2.6绕组旋转电势对电流波形的影响结果造成电流有效值下降并导致电机在低频段出力不足。另外，如果控制脉冲的频 率等于步进电机的固有频率，则将产生共振，在共振频率附近，动态误差最大，会导致 步进电动机失步。步进电机都有低频共振现象，应当设法减弱振动并保证不失步。步进 电机在正常运行时，振动的极限振幅是一个步距角。步距角小，振动也小。所以相数多 的步进电动机或运行拍数多的不通电方式，振动不很明显，低频共振的危险小一些。2.4.3 步进电机的工作频率步进电机的工作频率是指电机按指令的要求进行正常工作时的最大脉冲频率。通常 分为起动频率、制动频率和连续工作频率。起动频率是指电机在一定负载下不失步地起 动的最高频率。对同样的负载来说，正反向起动频率和制动频率都是一样的。起动频率 的大小是由许多因素决定的，绕组的时间常越小，负载转矩和转动惯量越小，步距角越 小，则起动频率越高。工作频率是指电机起动后，当控制脉冲连续发出时，能不失步运 行的最高频率。起动频率和工作频率都是衡量电机性能的一项重要技术参数。92.5四相反应式步进电机的数学模型2.5.1电路方程四相反应式步进电机一相之路的电动势平衡方程式为：式中I；为励磁绕组的外加电压；1为单条支路的绕组电流；尺为单条支路的绕组电阻；中为单条支路绕组的磁链，是绕组电流丨和转子位置角06的函数。2.5.2机械方程按照力学定律列出在电磁转矩作用下的转子（包括负载）的机械运动方程为 丁 6 了 X 1X1 了 1式中：0为转子位置角；I为电动机及负载的总转动惯量；0为粘滞摩擦系数；II为负载转矩。173步进电机驱动器3.1驱动芯片结构与特点本次设计采用的驱动芯片是1112003。它是高耐压、大电流达林顿陈列。由七个 石圭达林顿管组成。该电路的特点如下：1112003的每一对达林顿都串联一个2.71的基极电阻，在5乂的工作电压下它能 与III和0108电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 1112003工作电压高.工作电流大.灌电流可达500111八，并且能够在关断时承受50乂 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。1112003采用01？16或80？ 16塑料 封装。图3.1 1112003封装外形图图3.2 1112003内部结构图3.2驱动芯片极限值表3-11112003极限值（伽油251：参数名称符号数值单位输入电压30输入电流1125111功耗？01工作环境温度IV-2010+85V贮存温度7吨-5510+1503.3驱动芯片的电特性表3-2 1112003电特性参数名称符号测试条件最小典型最大单位输出漏电 流50乂丁3111125。50|1八1 50乂丁議6=70。100饱和压降1。二 10011，18二250|1 八0.91.1V10=200111八，18二350|1 八1.11.310=3 50111八，工8二50011 八1.31.6输入电流11(0二3850.931.3511(0？！I。二500|！八，丁雜6=70。5065|1八输入电压乂叫。）二2丨0乂 I。二2001！1八2.4V二2丨0乂 10 二2501！1八2.7I。二3001！1八3.0输入电容011525垆上升时间1？0.5 扭 111:0 0.5 0110.251.0118下降时间0.5 扭 111:0 0.5 0110.251.0118钳位二极 管漏电流1尺VII 二5013111125。50|1八VII 二50乂丁議6=70。100|1八钳位二极 管正向压 降V？I？ 二350111八1.72.0V4 08？ 2407的组成及原理4.1 08？的发展08？发展历程大致分为三个阶段：70年代理论先行，80年代产品普及，90年代突 飞猛进。在08？出现之前数字信号处理只能依靠V？！；(微处理器）来完成。但V？！；较低 的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，直到70年代才有人提出了 08？的理论和 算法基础。那时的08？仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的08？系统也是由分立 元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。随着大规模集成电路技术的发展，八十年代前后，陆续有公司设计出适合于08？ 处理技术的处理器，于是08？开始成为一种高性能处理器的名称。II在1982年发表一 款08？处理器名为11832010，这种08？器件采用微米工艺8108技术制作，虽功耗 和尺寸稍大，但运算速度却比快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到 了广泛应用。至80年代中期，随着0108技术的进步与发展，第二代基于0108工艺 的08？芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像 硬件处理技术的基础。08？芯片的问世是个里程碑，它标志着08？应用系统由大型系 统向小型化迈进了一大步。其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的08？业 务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当努力使08？处理器 每0？8成本也降到了适合于商用的低于310美元范围时，08？不仅在在军事，而且在 工业和商业应用中不断获得成功。1991年II推出的08？批量单价首次低于35美元而可 与16位的微处理器相媲美，但所能提供的性能却是其5至10倍。进入九十年代，有多家公司跻身于08？领域与II进行市场竞争。II首家提供可定 制08？，称作出8？。出8？基于内核08？的设计可使08？具有更高的系统集成度，大大加速了产品的上市时间。同时II瞄准08？电子市场上成长速度最快的领域，适时 地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的08？器件已广 泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其 中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新，08？ 业务也一跃成为II的最大的业务，并始终处于全球08？市场的领导地位。虽然这个阶 段08？每0？8的价格已降到10美分到1美元的范围，但08？所带动的市场规模巨大。新世纪的08？市场竞争加剧，II及时调整08？发展战略全局规划，并以全面的产 品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前 提就是08？每紉？8价格目标已设定为几个美分或更低。4.1.1 08？的简介08？ (如丨8每是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信 息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行 修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。 它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超 过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和 高运行速度，是最值得称道的两大特色。08？芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。现代08？芯 片作为可编程超大规模集成电路器件，通过可下载的软件或内部硬件来实现复杂 的数字信号处理功能。08？芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，在处理 器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做出了较大的改进。其主要特点如下：1、特殊的总线结构一08？芯片采用哈佛结构或改进的哈佛结构，即程序和数据 分开的总线结构，将程序和数据存储在不同存储空间。每个存储器独立编址，独立访问， 从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储器在两个不同空间，因此取指和 执行指令能完全同时运行。2、指令的流水线操作一08？执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数 和执行等儿个阶段。为了提高芯片计算速度，现代08？芯片普遍采用流水线结构，将 一个任务分解为若干个子任务，在任务连续执行过程中这些子任务可以相互重叠，以减 少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。3、专用硬件乘法器一在通用微处理器中乘法是由一系列加法指令来实现，而通 过在08？中设置专用硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，因此对于进行数字 滤波、尺，等需要大量乘累加操作的运算显得十分方便。4、专用的寻址单元一08？芯片面向的是数据密集型应用场合，伴随着频繁的数 据访问，数据地址的计算时间也线性增长。因此，现代08？芯片内一般都有支持地址 运算的算术单元一地址产生器。地址产生器与算术逻辑单元并行工作，不会额外占用计算时间。5、特殊的08？指令08？中对指令进行了特殊设计，可以实现一个指令周期完 成多个操作。特殊的读写指令可以在一个指令周期完成两次读写。这样使得08？源代 码编译效率高，指令执行速度较快。6、快速的指令周期一哈佛结构、流水线操作、专用硬件乘法器和特殊的08？指 令再加上集成电路的优化设计，可使08？芯片的指令周期轻易地做到5！50！18。7、强大的片内硬件配置一08？芯片内部除了08？内核以外，一般还集成了一些 其他功能外设，如通用串行口、主机接口(?)、事件管理器、0八控制模块、锁相环 电路、模数转换模块以及实现在线仿真符合1222 1149.1标准的八0测试仿真口等。4.1.2 08？的应用领域语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储 存等。图像丨图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器 人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索 和反搜索等。仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。家用电器：数字 音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。生物医学信号处理举例：01：计算机X射线断层摄影装置。其中发明头颅英国211公司的豪斯 菲尔德获诺贝尔奖。0 八I：计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异 物，人体躯干图像重建。11832012407芯片是16x8恤加哪她公司生产的16位定点数字信号处理器 11832002000家族中的一种，是118320乂240乂系列08？控制器中功能最强、片上设施最完备的一个型号。与其他11832002000系列芯片相比具有以下特点：1、采用高性能静态08技术，使供电电压降为33乂，减小了控制器功耗;40紉？8 的最高指令执行速度使得指令周期为33118 3002，从而提高了控制器的实时控制能力。2、基于11832002乂08？的 0？1；内核，保证了 11832012407 代码和 118320系列08？代码兼容。3、片内有高达32反字？1八80程序存储器，高达1.5&字数据丨程序狀!，544字 双口 111 0八化)和2尺字单口 111 8入尺八V 。4、两个事件管理模块2乂八和2乂3，每个模块包括：两个16位通用定时器；8个 16位脉宽调制界!)通道。它们能够实现：？界的对称和非对称波形；可编程？胃 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路; 16通道10位乂0转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、 开关磁阻电机、步进电机和功率逆变器。5、可扩展外部存储器总共192反字空间：64反字程序存储空间；64反字数据存储空 间；64尺字1/0寻址空间。6、看门狗定时器模块001：可用来监控系统软件和硬件的操作，它可以按照用 户设定的时间间隔产生中断。如果软件执行进入一个不正确的循环或者运行出现 异常时，该模块可以实现系统复位，使系统进入预定状态。7、控制器局域网络X傾2.0模块：0傾模块给用户提供了设计分布式或网络化 运动控制系统接口。8、串行通信接口()模块：用于实现08？与其他异步外设之间的串行通信，其接 收器和发送器都是双缓冲的。9、16位串行外设接口模块：用于08？与外设或其他控制器进行串行通信，典 型应用包括与数模转换器、10显示驱动等器件的通信。此外，11832012407包含高达40个可单独编程或复用的通用输入丨输出弓I脚和基 于锁相环的时钟发生器。之所以称11832012407为电机控制专用芯片，主要原因在于 该芯片内置有功能强大的事件管理器、？胃脉冲发生器和两路10位模数转换模块。有 了事件管理器强大的实时处理功能和？界1控制波形发生器以及两路同时采样、保持、 转换的高速乂0，11832012407几乎可以实现任何电机控制。4.3滿转换原理八/13转化电路亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变 化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制。通信及检 测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。 由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度。压力。位移。图像等要使计 算机或数字仪表能识别。处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信 号；而经计算机分析。处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号 才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁 作用的电路-模数和数模转换器。乂0转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用 工艺技术不同，因此生产出种类繁多的乂0转换芯片。乂0转换器按分辨率分为4位、 6位、8位、10位、14位、16位和码的31/2位、51/2位等。按照转换速度可分为 超高速(转换时间次超高速3303.3、高速(转换时间3.3333问、低速(转换 时间330等。从0转换器按照转换原理可分为直接3/(1转换器和间接转换器。所 谓直接乂0转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。 其中逐次逼近型2/(1转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故 目前集成化乂0芯片采用逐次逼近型者多；间接乂0转换器是先把模拟量转换成中间 量，然后再转换成数字量，如电压彳时间转换型积分型电压彳频率转换型，电压彳脉宽 转换型等。其中积分型1转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转 换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集 成在一个芯片内，已超出了单纯乂0转换功能，使用十分方便。#？2407的乂0转换模块（八00具有以下特性：1、带内置采样和保持（甩）的10位他匕2、多达16个模拟输入通道3、自动排序的能力。一次可执行最多16个通道的“自动转换”，而每次要转换的 通道都可以通过编程来选择。4、两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器和可以独立 工作在双排序器模式，或者级联之后工作在一个最多可选择16个模拟转换通道的排序 器模式。5、在给定的排序方式下，4个排序控制器决定了模拟通道转换的 顺序。6、可单独访问的16个结果转换器用来储存转换结果。I、可有多个触发源启动乂0转换：软件：软件立即启动（用80(3和82研0；2/3：事件管理器（在2/3中有多个事件源可以启动乂!)；外部：入IX： 80(3引脚；8、灵活的中断控制，允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中断请求。9、排序器可工作在启动丨停止模式，允许多个按时间排序的触发源同步转换。10、2乂人和2乂3可各自独立地触发82(1和82识仅用于双排序器模式XII、采样和保持获取时间窗口有单独的预定标控制。12、内置校验模式。13、内置自测试模式。4.4事件管理器在实际应用中，使用11832012407来构成运动控制系统的关键是该芯片具有一个 事件管理器明过)专用外设模块。事件管理器是一个专门用于电动机控制的外 设模块，主要由通用定时单元、比较单元、捕获单元、正交编码脉冲电路卩2？和外部 输入组成。234.4.1 通用定时器11832012407的每个事件管理模块有两个可编程通用定时器(?)。每个0？定时器叉乂八，乂二1，2；对2乂3，乂二3，4包括：1、一个16位定时器增丨减计数的计数器1x0X1，可读写。2、一个16位定时器比较寄存器(映射双缓冲寄存器尺，可读写。3、一个16位定时器周期寄存器(映射双缓冲寄存器玎?!可读写。4、一个16位定时器控制寄存器1x008可读写。5、可选择的内部或外部输入时钟。6、用于内部或外部时钟输入的可编程预定标器。7、控制和中断逻辑用于四个可屏蔽的中断：下溢、溢出、定时器比较和周期中断。8、可选方向的输入引脚1101尺(当选择双向计数方式时，可以用来选择向上或向 下计数在实际应用中，这些定时器能够产生系统所需要的计数信号、离散控制系统的采样 周期、卩2？电路、捕获单元和比较单元的时基等。为了适应不同应用的需要，每个通用 定时器都有6种可选的计数模式，分别是：停止丨保持模式；单增计数模式；连续增计数 模式；定向增减计数模式；连续增减计数模式；单增减计数模式。每个0？定时器都有一个比较寄存器和一个比较？界1输出引脚，通用定时器可以 工作在比较操作模式或比较？输出模式。当工作在比较操作模式时，定时器的计数 器值总是和相关的比较寄存器中的值相比较，当两者相等时就发生比较匹配事件。当工 作在比较？模式时，其输出引脚的信号受通用定时器控制寄存器的定义、定时器所 处的计数模式以及定时器的计数方向的影响。4.4.2 全比较单元事件管理器2乂八模块中有三个全比较单元 二1，2，3事件管理器2乂3模块中同样有三个全比较单元1=4，5，6。每个比较单元都可以工作在比较模 式或？界1模式下，可以通过中的位决定每个比较单元的工作模式。当比较模式被选中并且全比较操作被使能时，定时器的计数器就会不断地与全比较 单元的比较寄存器中的值进行比较。当发生比较匹配时，全比较单元的输出引脚会根据 八尺中的定义产生合适的电平跳变，同时比较中断标志被置位。如果同组中没有其他 更高优先级的中断挂起，该中断标志将向08？内核发出中断请求。当工作在？模式 下，全比较的操作类似于通用定时器的比较操作。4.4.3 捕获单元和正交编码脉冲电路捕获单元在11832012407的捕获引脚上出现跳变时被触发，事件管理器总共有6 个捕获单元。当捕获引脚对2乂八，二1，2，3：对2乂3二4，5，6上检测到所 选的跳变时，所选的0？定时器的计数值被捕获并存储在两级？1？0栈中。每个2乂模块都有一个正交编码脉冲电路。该电路被使能后，可以在编码和计数引 脚0入？ I 2？ I和0入？对于2乂八模块)或0入？31卩2？3和0入?对于2乂3 模块)上输入正交编码脉冲。正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械 的位置和速率信息。此电路在处理电机测速光电编码器的输出信号时很有用，可以大大 简化电机测速的软硬件开销，提高控制系统的测速精度与可靠性。如果使能了正交编码 脉冲电路，则相应引脚上的捕获功能将被禁止。5系统各模块电路设计5.1系统流程设计在本次步进电机的控制系统中，由于步进电动机本身所拥有的精确定位特点我们采 用开环控制系统。控制系统如图5.1整个控制系统分为四个部分：08？中央控制器11832012407、外接电位器、步进电机及其驱动。在本次设计中采用的电机是微型四相反应式步进电动机，其接受数字控制信号（电 脉冲信号），并转换为与之相对应的角位移。基于对低碳节能的考虑，在这里设计成一 个单四拍信号来进行步进电动机的控制，通电顺序为八-只-匕!)-八，步距角为15。驱动 芯片采用的是1112003芯片，根据前面的讨论控制流程如下：首先由08？的乂0转换 模块将电位器输出的模拟信号转换为数字信号，然后将该数字信号输入到08？中以设 定脉冲信号的间隔时间以便控制电机的转速，接着将由08？的四个1/0 口提供脉冲信号 给驱动芯片，脉冲信号经过驱动芯片的处理后用来驱动步进电机的四个相，从而达到控 制电机运转的目的。5.2 08？微处理器、外扩II八V以及外围电路的设计本次设计采用的11832012407人08？微控制器共有144个引脚如图5.1，其内部 功能结构包括：08？内核、内部0趴1、内部8趴1、扩展存储器界面、事件管理器八、 事件管理器3、110接口、数字1/0 口、10位八乂 0模块、时钟、几八80尺01、匸控制器模块、8(31中行通讯模块、8？1中行外设模块、看门狗模块。13广；一.1.11:5.1-31.！1。二-1細I-31：-1：；12：-|X25：5士-土VI1:715：12二115X2XI1！歐:122:II“利 1 X IV|1X1:1II51：:12V1-1丨：31土3:I141515-13？-1：-11121152苎 芒X2？|52灘-琴|？1& X /1.22？ 丨5 11107 2苌 I XI |2 I IX212？52| 1三箄：1？| ？2|5、？下1 ！；VI 3 5 0 |1/3： 17533 &-1 31*34=1 7【20弓I名？| 一：厂 1 ？71 13531 名71 一 -/1-10吳2、11 711-/14 ？3 | 2 1-1，1、？：71、3：1|】丨131151021-514 1？571:1 I I1 11？14 韦 I 【丨721；5乇3721:50一】|XX3-2 ，7|5？ ？弓 3亡1 53； 1 |名7175：一-妄；？，！5.34 I ？ 己声：2皆2|1 弓？一-1.-71 1311- 差2 2/1+II】7171，名71女 110-513| 了名70，323 2名71之101；1：XI1#11、11！21！束7112广？11【011 I V？4？10 0 0III？囹01. 1 2407 II4：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0-0一I！12II安15【1；|菩！；51？4I与|妄|05 4711：；？；5 VI专 |一一，1：12 卜2：111、一 V 4 亡 2 ？ -1 ？7二 #一亡 二汰-1，VI 上丨 529去丨 ？；1 1 巾一 /|萁1？61X1 -11 ？1-1 7？1二1：！ 7：7 式【7V ：I 】5II圈3|：|517 III一亡XI 1 ？ 1 1I 11 I X？与 1！茫，?/.占2:1 笑亡1荽：3：工1六30 【2X1 2X2I匕XI5.2.1外扩存储芯片 II 1. 丨01234 6789111111111八八九七八八八八八八八八八八八八八八八021/0 0 1/0 1 1/0 2 1/0 3 1/0 4 1/0 5 1/0 61/0 71/0 81/0 91/0101/0111/0121/0131/0141/0150000鄕 102131315551611/64160*00X0图5.2外扩存储芯片1146 八7411008I-一丁图5.3与门本次设计选用的型号为186116416，641*16池，08？通电后外扩芯片的八0到人14为高电平。当08为0时（低电平）时，外扩的芯片只有15个管脚启动其存 储空间大小相当于2215既00000-7？阳，而这段的存储空间用来存放数据，当08为 1时（高电平）时，外扩芯片的人16管脚启动，其增加的存储空间为215 -216既8000队吓阳 这两段存储空间大小一致。启动扩展芯片我们需要一个与门如图5.3。08与？8只要有 一个为低电平则结果1108为低电平从而启动扩展芯片。5.2.2电源模块图5.4供电电路本次设计所采用的开发板既可以使用独立的队开关电源供电，也可使用1183 线直接供电，使用起来很方便。因为实验室？0机可以提供1183供电，所以为了便捷在 设计中我们采用了 1183线直接将开发板和机相连进行供电。5.2.3复位电路00 06图5.5复位电路在本次设计中复位电路采用了专门的复位芯片8？708尺，保证08？芯片能可靠复位， 并且提供手动复位按钮，方便在程序死机的情况下重新启动。需要复位时，按下按键 (础丫丨）一次，既给8？708尺芯片一个脉冲即可。5.2.4 时钟电路本次设计我们采用201的外部晶体给08？提供时钟，并使能2407八片上电路， 见下图5.6。由？IX控制寄存器控制，可由软件动态的修改。11832012407的最高可工作在401的主频，也即是对201输入频率进行2倍频。2倍频可以通过设置 系统控制和状态寄存器)来实现。1X1910030(/10110 八！/。乙反！1图5.6时钟电路5.2.5入70电路图5.7八0转换电路丁1812407 08？内置了 16通道10位“X：如图5.7。在本次设计用的开发板上，通过运放隔离只扩展了 2个通道，分别位于通道0和通道8，由于本次设计釆用的是开 环控制，所以只采用了通道0，08？能接受的“X：输入电压为0-33乂，由于在2407 板上没有单独釆用基准源所以直接使用系统的33乂。板上所引的八0输入电压范围就为5.2.6 步进电机接口本次设计采用的驱动芯片是1112003，如下图5.8所示。它是高耐压、大电流达林 顿陈列。由七个硅达林顿管组成。1112003的每一对达林顿都串联一个2.71的基 极电阻，在5乂的工作电压下它能与1几和0麗38电路直接相连。可以直接处理原先 需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。1112003工作电压高，工作电流大，灌电流可达 50011认，并且能够在关断时承受50的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。图5.8电机驱动接口5.2.7 显不芯片本次设计采用的显示芯片是0044780芯片，它是一种点阵字符型显示模块。见下 图 5.9。315.3本章小结图5.9显示电路本章首