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毕业设计146设计：钢球表面缺陷检测的DSP控制系统
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计146设计：钢球表面缺陷检测的DSP控制系统,电气电子毕业设计论文
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邵阳学院毕业设计（论文） - I - 钢球表面缺陷检测的 DSP 控制系统 摘要 轴承作为机械设备的关节，在现代工业中扮演着重要角色。它的精度、运动性能以及使用寿命很大程度上取决于其中钢球的质量。 目前，国内钢球生产厂家大多采用人工目视检查的方法对钢球的表面 缺陷 进行检验。这种方法劳动强度大，工作效率低，且易受检查人员技术素质、经验、肉眼分辨能力和疲劳等因素影响，所以迫切需要一种钢球 表面缺陷 自动检测装置。 本文主要提出了一种基于 DSP 的钢球表面缺陷检测控制系统的具体实现方案，并对系统的多方面问题进行了具体的研究和探讨。本文首先简单的讨论了关于钢球检测的 工作原理，接着对 DSP 芯片，步进电机以及直流电机的结构和原理进行了说明， 并开发了 基于 L297/L298 芯片的混合式步进电机驱动 模块 ，然后设计出了钢球检测平台的控制系统，画出其电路图，主要包括电源电路、复位电路、与上位接口电路、电机驱动电路、液晶显示电路、按键电路等，并对电路图作了简要的说明，最后编制了 C 语言控制程序，该程序很好的完成了控制整个系统的任务。 关键词 DSP； 表面缺陷 检测； 步进电机； L297/L298 nts邵阳学院毕业设计（论文） - II - Control System of Steel Ball Surface Blemish Detection Instrument Based on DSP Abstract Bearing is the key part of mechanical equipments and it playes a very important part in modern industry. Its accuracy, sport function and life longth is decided principally by the quantity of steel ball in bearing. At present, domestic factories for steel balls mostly detect surface blemish of steel ball with manual visual method. This kind of method has heavy labor intensity as well as low work efficiency, and it is usually affected by detect workers technical diathesis, experience, eyes resolving ability, tiredness and so forth, so automation detect device for steel balls is urgently required. This thesis mainly put forward a kind of practical solution about the control system of steel ball surface blemish detection instrument based on DSP, and studied the relative problems of multi aspects in practice. Firstly, this thesis discussed simply the operation principle concerning the steel ball detection, and accounts for fundamentaly about DSP, the structure and operation principle of the stepper motor and direct current motor. We also designed the drive circuit of the hybrid stepper motor used the chips of L297/L298, and then designed the control system of steel ball surface blemish detection instrument. Secondly, we drew its electric circuit diagram, which included mainly the power supply electric circuit, the reset electric circuit, the interface electric circuit with PC, the motor drive electric nts邵阳学院毕业设计（论文） - III - circuit, the LCD electric circuit, the keyboard electric circuit and so on, and then we explain detailedly the circuit diagram. Finally, we design the control program of the detecting system with the C language which is adequate to control the system in this application. Keywords DSP; Surface Defect Detecting; Stepper Motor; L297/L298 nts邵阳学院毕业设计（论文） - IV - 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪 论 .1 1.1 课题研究背景 . .1 1.2 课题的目的和意义 . 1 1.3 机器视觉检测技术的应用 . . 2 第 2 章 DSP 及其在运动控制中的应用 . 3 2.1 DSP 及其发展概况 .3 2.2 DSP 的基本结构和特点 . .3 2.2.1 TMS320 系列 DSP 芯片 . .3 2.2.2 TMS320LF2407A 芯片概述 . .4 2.3 DSP 在运动控制中的应用 . 5. 第 3 章 钢球检测控制系统硬件电路设计 .6 3.1 电源电路设计 . 6 3.2 复位电路设计 . . 6 3.3 与上位机的接口电路 . . .8. 3.4 DSP 仿真接口电路设计 . . 9. 3.5 按键电路设计 . . 10 3.6 液晶显示电路设计 . .12 3.7 光耦电路设计 . . .14 3.8 直流电机驱动电路设计 . .15 3.8.1 直流电机的工作原理 . .15 3.8.2 直流电机驱动电路 . 15. 3.8.3 LMD18200 芯片驱动电路 . . 16 第 4 章 步进电机驱动模块开发 .19 4.1 步进惦记概述 . . 19 4.2 步进电机的特点 . .19 4.3 步进电机的工作原理 .20 4.4 步进电机驱动控制原理 . .21 4.5 步 进电机驱动电路设计 .22 nts邵阳学院毕业设计（论文） - V - 第 5 章 控制程序编制与调试 .25 5.1 DSP 的开发环境 . .25 5.2 C 语言控制程序 . . .25 5.2.1 串口通讯程序 .25 5.2.2 步进电机控制程序 . . . . 30 5.3 步进电机运动控制的调试 . . . 33 结 论 . . 35 参考文献 . . 36 致 谢 ; . . 38 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 1 - 第 1章 绪 论 1.1 课题 研究背景 轴承作为机械设备的关节，在现代工业中扮演着重要角色。它的精度、运动性能以及使用寿命很大程度上取决于其中钢球的质量。 根 据轴承网的统计，在轴承的失效形式中，由于钢球表面的缺陷而引起的裂纹、裂缝所造成的轴承失效高 达 60%， 可以说，钢球质量是衡量轴承性能的一项重要指标。 2002 年底 ， 国家轴承质量监督检验中心对国内外 的深沟球轴承6208、 6304、 6307、 6311 等 几个型号的轴承进行了寿命对比试验， 在所试验的 国内 77 套轴承中，钢球 失效 的轴承 占 8 套， 而 在试验的 73 套国外轴承中，钢球未发生 失效 ， 轴承寿命的 抽查试验表明： 国内 所 生产 的钢球的寿命和可靠性与国外的仍有一定差距，在国内， 钢球破损所导致的轴承失效比例仍然很高，因此，生产中必须对成品钢球进行表面缺陷检测。 目前，国内各轴承企业以及钢球厂在进行钢球表面缺陷的检测时主要采用人工手检的方式。为了正确有效地对钢球表面缺陷进行分类与检测，迫切需要一种钢球表面质量自动检测装置。 1.2 课题的目的和意义 在钢球检测仪器方面，前苏联、美国、日本、捷克等国都进行过相关仪器的研究开发，其中应用效果最好的是捷克 SOMET 公司的 AVIKO系列钢球表面自动检测仪，国内几大轴承厂都引进 过这一设备。该设备利用光电，振动以及电涡流传感器进行检测，采用展开轮对钢球表面进行完全展开，可同时对钢球的表面质量及内在质量（涡流探伤）进行立体检测。其结构紧凑、操作方便、检测效率高，但是价格昂贵、检测成本高，nts邵阳学院毕业设计（论文） - 2 - 而且核心技术封锁，不易维护。 本课题基于机器视觉检测技术，研制钢球表面缺陷 的 自动检测装置，拟 采用数字信号处理芯片 TMS320LF2407A 为主控制器开发其控制系统，并在此硬件电路的基础上编制控制程序。该检测系统能够检测不同尺寸以及不同精度要求的钢球的表面缺陷类型，包括点子、群点、划条、擦伤、裂纹等。随 着对轴承需求量的逐增加，作为轴承中重要配件的钢球，其检测系统会有非常广阔的市场。此外，经过适当的功能拓展，此系统也可以用于自动化生产中的零件分检以及一般机械加工表面的缺陷检测，因此 将 具有广泛的应用前景。 1.3 机器视觉检测技术的应用 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视以及零件识别与分类等应用，通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作。 目前，机器视觉技术已经广泛地应用于人们的生产、生活等各个方面，在工业检测、交通管理、机器人视觉导航、远程监控、指纹识别、医学图像处理以及农 作物质量检测等众多领域都有成功的应用。上海交通大学机械工程学院的梁学军博士等人研制了基于机器视觉的螺纹检测系统，此系统使待检测螺纹经过调制后在 CCD 摄像机光敏面上成像，通过图像采集卡转换为数字图像，计算机对数字图像进行处理，并从中提取出有关被测螺纹通过性及接触可靠性的信息，从而实现对螺纹的自动监测，实验证明检测效率和正确率都很高。 为了解决上述机器视觉在工业检测中应用的局限性，一是采用快速的图像处理算法，二是提高硬件处理能力。 80 年代以来， DSP（ Digital Signal Processing） 芯片的推 出为这一问题的解决提供了一条途径。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 3 - 第 2章 DSP 及其在运动控制中的应用 2.1 DSP 及其发展概况 DSP（ Digital Signal Processing） 又称为数字信号处理，是指利用计算机或专用的处理设备，以数字形式对信号进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 世界上第一个单片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司发布的 S281。1979 年 INTEL 公司发布了商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑。但这两种芯片都没有现在 DSP 所有的单周期乘法器。 1980 年日本 NEC 公司推出了第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 PD7720 之后， 1982 年美国德州仪器公司（ Texas Instruments 简称 TI）推出了其第一代 DSP 芯片及其系列产品。目前 TI 公司已经推出了第六代的 DSP芯片 TMS320C62X/C67X 等 。 TI 公司将自己的产品归为三大系列，即TMS320C200 系列（包括 TMS320C2X/C2XX）， TMS320C5000系列（包括 TMS320C5X/C55X） ，以及 TMS320C6000 系列。 近几年来，随着科技的不断发展， DSP 芯片 的性能不断上升， 而 价格 却 在 不断地下降 ，因此， DSP 芯片 的应用也越来越广泛。 2.2 DSP 的基本结构和特点 2.2.1 TMS320 系列 DSP 芯片 DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，一般采用特殊的软硬件结构，具有程序和数据分开的总线结构，流水线操作功能 ，单周期完成乘法的硬件乘法器以及一套适用于 数字信号处理的指令集。相 对 于其它单片机等 微处理器 芯片而言 ， TMS320 系列 DSP 的优越性表现在以下几个方面： 1、 采用哈佛结构 2、 采用流水线技术 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 4 - 3、 运算速度快 4、 具有特殊的 DSP 指令 2.2.2 TMS320LF2407A 芯片 概述 在本次设计中，因为我们需要控制 3 个步进电机和一个直流电机，而且需要处理大量的数据信息，这样我们选择使用了 TI 的 DSP 芯片TMS320LF2407A。 此芯片作为 TMS320C2000 系列的新成员，是 TI 公司推出的面向数字控制系统，尤其是数字运动控制系统设计的新一代 16 位数字信号处理器 ， 是一种针对运动控制进行了专门优化的芯片，为数字运动控制系统提供了具有低成本、低功耗、高性能的选择 。它 具有最高 40MIPS 的执行速度，使得指令周期仅为 25ns，高达 32K 的片内 Flash， 两个针对电机控制的事件管理模块，高性能的 10 位模数转换模块，丰富的 I/O 资源以及为适应需大量存储单元的要求，提供了外部存储接口模块，并通过配置片内等待状态发生器，实现高速 CPU 与慢速存储器及其外设的无缝接口。 1、 TMS320LF2407A 芯片 的特点： TMS320LF2407A 芯片具有 TMS320 系列 DSP 的基本功能， 另外还具有以下 的一些 特点 ： a、 采用高性能静态 CMOS 技术，使得供电电压降为 3.3V，减小了控制的功耗； 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns（ 30MHz） ，从而提高了控制器的实时控制能力 ； b 、 基于 TMS320C2xx DSP 的 CPU 核，保证了TMS320LF240x 系列 DSP 代码和 TMS320 系列 DSP 代码兼容； c、 片内有高达 32K 字的 FLASH 程序存储器，高达 1.5K 字的数据 /程序 RAM， 544 字双 口 RAM 和 2K 字的单口 RAM； d、 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB，每个 事件管理器模块都 包括：两个 16 位通用定时器； 8 个 16 位的脉宽调制 （ PWM） 通道。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 5 - e、 10 位 A/D 转换器最小转换时间为 500ns， 可选择由两个事件管理来触发两个 8 通道 输 入 A/D 转换器或一个 16 通道输入的 A/D 转换 。 2.3 DSP 在 运动控制 中 的应用 目前 ， 国外 在 DSP 运动控制 方面 的 应用 已经 相当广泛了 ， 而 国内 在这方面 的 研究 相对而言是比较落后的 ，而且主要 集中 在一些高校和研究机构中 ， 在生产实际中的应用 要远远落后于国外 。 DSP 芯片 在 工业 控制中一般都用 来 控制步进电动机 或直流电机 等从而 控制各 种 机械装置 ，国内的许多大学在这方面也做了很多相关的工作 。 如图 2-1 所示 。这 种控制模式 充分利用了 DSP 的高速数据处理功能，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。 并且 这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法， 从而 能够实现闭环控制 的功能 。 PCI总线双口RAMD S PD / A位 置 检 测控 制 器外 接 口伺服单元伺服电机脉冲编码器控 制 逻 辑6 4 K R A M多路脉冲值图 2-1 基于 DSP 的多轴运动控制器 硬件体系结构示意图 随着 微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术 的进步 ， 运动控制技术和现代智能化运动控制系统的发展 ， 电动机控制技术 也得到了很大的 发展。电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器 、 DSP 控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展 。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 6 - 第 3章 钢球检测控制系统硬件电路设计 3.1 电源电路设计 随着现代高速超大规模集成电路尺寸不断减小、功耗不断降低 ，而且电器 和电子产品朝着更轻、更小的方向发展，低功耗己成为现代单片机、数字信号处理器及各类 IC 器件所追求的一个目标。传统的单片机、数字信号处理器组成的控制系统，工作电压为 5V。 各生产厂家为适应发展趋势，不断推出低电压供电芯片， TI 公司推出的数字信号处理器TMS320LF2407A 要求工作 电压 在 3.3V， 这样在降低功耗的同时也在一定程度上提高了数据处理速度。 图 3-1 是本 次设计的 DSP 系统 电源 电路 统图 。 POWER_IN 接入 +4V +6V 的电压，然后经过此电路的转化，向 DSP 提供 +3.3V 的供电电压。 图 3-1 电源 电 路 图 3.2 复位电路设计 TMS320LF2407A 芯片具有复位操作功能。引脚 RS#为复位电平输入引脚，此引脚 为 低电平时 则 复位有效。 RS#是不可屏蔽的外部中断，nts邵阳学院毕业设计（论文） - 7 - 并 且 具有最高优先级，可以在上电 时 或芯片工作的任何时候进行复位，以便把 TMS320LF2407A 芯片置为初始状态。通常在上电之后，系统的振荡器处于不稳定的起振阶段，芯片也就处在未知状态，因此，在每次上电之 后都应使芯片处于复位状态，即使 RS#引脚电平为低。 此硬件平台具有多个复位源 ： 外部扩展控制口产生的复位信号 ； 主机复位信号 ； 复位按钮产生的复位信号。图 3-2 所示为本 次 设计的复位电路图。在图中可看到本设计同时设计了上电复位电路和人工复位电路，其中 图 3-2 复位电路原理图 SW-PB 就是人工复位按钮开关，在系统运行出现故障是可方便地人工复位。对于复位电路，一方面应确保复位时间足够长，保证 DSP 可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止误复位。其工作原理是上电时，同时给电解电容 C59 充电，使 RS#引脚 一直保持高电平，而当出现故障时，电源断开，按下手动复位按钮，此时电解电容 C59 放电，放电结束后， RS#引脚 变成低电平，而 RS#端是连在 DSP 复位端上的，这样就可以使 DSP 可靠复位。这种复位电路设计简单可靠，完全可以满足本设计的要求。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 8 - 3.3 与上位机的 接 口电路 这一部分的作用主要是实现 DSP 芯片与 上位 机的通讯。当我们 需 要将基于标准的 RS-232 接口设备，如 PC 机 等 ，连接至 DSP 芯片时，必须作 RS-232 和 DSP 芯片之间的逻辑电平转换。传统的做法是在设备内扩展一个通讯适配卡，由通讯适配卡实现电平转换，内部主机再通过并行总线读出或写入数据。 目前，计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传 输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口 。接口的物理结构 RS-232-C 接口连接器一般使用型号为 DB-25 的 25 芯插头座 ,通常插头在 DCE 端 ,插座在 DTE端。一些设备与 PC 机连接的 RS-232-C 接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即 “ 发送数据 ” 、 “ 接收数据 ” 和 “ 信号地 ” 。所以采用 DB-9 的 9 芯插头座。本次设计中用到 的三个管脚是： 2脚（ RX），用来接收数据； 3 脚（ TX） ，用来发送数据； 5 脚（ GND） ，信号 地。如图 3-3， MAX232ACSE 芯片的 10 脚，最终接到 DSP25 （ SCITXD/IOPA0 ）脚上， 9 脚与 DSP 的 26 脚（ SCIRXD/IOPA1） 相接。 RS232-C 接口接工控机。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 9 - 图 3-3 与 上位机的接口电路图 3.4 DSP 仿真接口电路设计 众所周知 ，对于 DSP 芯片 来说，它是没有自开发能力的，因此要开发 DSP 必须有 开发器 或 仿真器。要得到一个从硬件到软件功能完整的 开发器 或 仿真器，一般来说价格是非常昂贵的 ， 所以对于一 般业余爱好者或经费不多的工程技术人员，大多都使用简易的开发器。但是对于简易 开发器 来说，有些很难做到真正的仿真，调试程序的实时性也受到了限制，有时，这些开发器还占用 DSP 的 一 些 内部 资源。 自从 20 世纪 80 年代制定了有关检测 PCB 和 IC 芯片的一个标准IEEE1149.1-1990 以后， JTAG 接口的技术得到了推广。 仿真技术的特点是： 1）仿真器的硬件与单片机 或者 DSP 芯片 无关，仿真器只提供独立于DSP 的 JTAG 标准接口， DSP 芯片上只提供用于仿真调试的信号引脚，用户只需按 JTAG 标准在单片机目标板上作一接口（ 14 脚双排插针）二者相连即可对 DSP 进行仿真调试。由于仿真器的硬件与 DSP 无关，不同系列的仿真器的硬件相同，可以节省开发投资。 2）仿真接口与 DSP 的引脚数和封装无关，无论 DSP 的引脚数的多nts邵阳学院毕业设计（论文） - 10 - 少 ， 仿真头所使用的引脚数不变 ， 解决了传统仿真头随 DSP 引脚数增多而体积增大的问题。 3）仿真接口与单片机的主频无关。硬件时序就是目标系统的硬件时序，避免了其间的差异。 4）仿真器不占 DSP 的任何资源 。 DSP 的所有资源都在目标系统上。 一般 JTAG 内部有一个状态机，称为 TAP 控制器。它通过 TCK 和TMS 进行状态的转变，实现数 据和指令的输入。 TI 在其 TMS320 系列芯片上设置了符合 JTAG 标准的 DSP 明的访问，还可以通过控制和观察处理器的运行，仿真器可以对 DSP 芯片片内和片外资源进行全透 同时可以通过它向 DSP 加载程序。开发工程师还可以通过 DSP 仿真开发工具对程序进行调试。图 3-4 所示为本硬件系统设计的 DSP 仿真器接口电路。 图 3-4 DSP 仿真接口电路 3.5 按键电路设计 在 DSP 应用中，键盘是人机对话的输入设备，借助键盘可向系统设置参数，发出控制指令等。如控制器的启动，停止，急停，锁定等，还有两个按键用来以后扩展其它的功 能，在软件上实现。 如图 3-5 所示 ， 如果按键的 A 端接地， B 端上拉电阻，则平时按键的nts邵阳学院毕业设计（论文） - 11 - B 端为高电平，当按键按下时为低电平，松开后又是高电平 。 如果 B 端信号送到 DSP， 系统会认为有几个低电平，就按了几次按键。因为系统认为低电平是按键按下，而抖动过程有很多低电平。常用的消除抖动的方法有 2 种：使用硬件消除抖动；使用软件延时，即当单片机得知按键的 B端出现低电平时，就知道可能有按键按下，于是等待 10ms， 10ms 之后再检测按键的 B 端，如果还是低电平，则就一般的机械按键而言，已经处于稳定期了，按键的抖动被消除了；如果 10ms 之后按键的 B 端没有了低电平，则说明是干扰信号，而非按键按下。本设计中采用第一种方式消除抖动，使用 了 一片 MAX6818。 图 3-5 按键的实际工作情况 如图 3-6 为本论文设计的按键电路图，因为系统需要的按键较少，而且主芯片还有多余的通用 I/O 口，故采用独立按键式键盘，而不需要采用扫描式的 ， 输出端通过网络标识符号连接到 DSP 芯片的 P5 口 。 图 3-6 按键电路 原理图 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 12 - 3.6 液晶显示电路设计 随着大量电子仪器和设备的多功能化以及智能化，并且在现代各种仪器设备中普遍采用人机交互方式，这样就需要能够显示更为丰富的 信息和通用性较强的显示器。本次设计是钢球表面缺陷检测的 DSP 控制系统，此控制系统也需要显示在人工操作过程中人所需要的一些信息，如开机画面，工作时机器人的状态等，而点阵式 LCD 显示器能够满足这些要求，同时用大规模专用集成电路作为点阵 LCD 控制驱动，十分的方便。 本次设计采用的是信利半导体器件公司生产的图象型液晶显示模块MSC-G12864DYEW-7W， 其 技术参数如下表： 1、 物理参数： 项目 参数值 单位 LCD 类型 SIN 占空比 1/64 偏压比 1/9 视角 6 OCLOCK 外观尺寸 54.554.010.0 mm 视区尺寸 43.529.0 mm 点阵 12864 dots 2、 极限参数 参数 符号 MIN MAX 单位 电路电源 VDD -0.3 7.0 V LCD 驱动电源 VDD-VO -0.3 VDD+0.3 V 输入电压 VI -0.3 VDD+0.3 V 工作温度 TOP -20 70 C 储存温度 TST -30 80 C nts邵阳学院毕业设计（论文） - 13 - 3、 参数 名称 符号 测试条件 MIN TYPE MAX 单位 逻辑电平 VDD 4.5 5.0 5.5 V 工作电源 IDD 4.4 6 mA 液晶驱动电压 VDD-VO -20C 9.5 10.1 10.7 V 25C 9.5 10.1 10.7 70C 9.5 10.1 10.7 输入高电平 VIH 0.7VDD VDD V 输入低电平 VIL 0 0.3VDD V 本设计采用的液晶显示电路设计如图 3-7 所示，其中使用的液晶显示模块G12864DYEW-7W 是 DIP20 封装，它是由 DSP 芯片的 T1PWMD和 PWM9PWM12 口来控制的。 我们把要显示的汉字和符号编成字库，然后对 DSP 编写 C 语言的显示控制程序，从而控制图象型液晶显示模块 MSC-G12864DYEW-7W 显示我们需要显示的字 符。 图 3-7 液晶显示电路图 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 14 - 3.7 光耦电路设计 光电耦合（ optical coupler， 英文缩写为 OC）亦称光电隔离，简称光耦。光电耦合电路以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。光电耦合电路一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管 （ LED） ，使之发出一定波长的光，被光接收器接收 而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 光 电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。 设计中使用的光耦电路发光器件 一般 为发光二极管，光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。 本论文设计时采用 6N137 高速光耦芯片， 1 脚是 NC 端， 2 脚是ANODE 端， 3 脚是 Cathode 端，本论文中接步进电机（或直流电机），4 脚是 NC 端， 5 脚是 GND 端， 6 脚是 Output 端， 7 脚是 Enable 端， 8脚是 VCC 端 ， 设计电路如图 3-8 所示。 图 3-8 光耦电路 图 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 15 - 3.8 直流电机驱动电路设计 3.8.1 直流电机 的 工作原理 自于绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。 N、 S 为 对固定的磁极 (一般是电磁铁，也可以是永久磁铁 )，两磁极 间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。 N 极与 S 极的磁力线所通过圆柱体的途径如图中所表示。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个 电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由 石墨制成的电刷A、 B 相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入，使线圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极下时，总是从电刷B 流出的方向。这就保证了每极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 3.8.2 直流电机驱动电路 在研制直流电动机的控制器时，应当 注意 两 个基本关系：电动机速度与所加的电压成正比，输出转矩与电流成正比 。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 16 - 实现直流电动机高效运行的最常用方法就是给电动机加一个通断比对应于所需速度的脉宽调制（ PWM）的方波。电动机起低通滤波器的作用，将 PWM 信号变换成有效的直流电平。 PWM 激励信号之所以应用广泛，乃是因为它可由一个基于微处理器的控制器就能很方便地产生。虽然电动机的速度由精确的脉冲宽度来调节，但实际的 PWM 频率是可变的，应当使之最优化，以防电动机产生震动、噪声和射频干扰。 为了使直流电动机反转，必须使电动机中的电流方向相反，最常用的方法是使用一个 H 电桥电路。下面 就其 介绍一种驱动原理 ： 3.8.3 LMD18200 芯片 驱动电路 LMD18200 是美国国家半导体公司 (NS)推出的专用于直流电动机驱动的 H 桥组件。同一芯片上集成有 CMOS 控制电路和 DMOS 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。 LMD18200 广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。 1、主要性能 1）峰值输出电流高达 6A， 连续输出电流达 3A； 2）工作电压高达 55V； 3） TTL/CMOS 兼容电平的输入； 4）无 “shoot-through” 电流； 5）具有温度报警和过热与短路保护功能； 6）芯片结温达 145 ，结温达 170 时，芯片关断； 7）具有良好的抗干扰性。 2、封装和引脚说明 LMD18200 外形结构如图 3-9 所示 ， 11 个引脚，采用 TO-220 的封装图 ， 各引脚的功能如下 ： nts邵阳学院毕业设计（论文） - 17 - 图 3-9LMD18200 封装示意图 LMD18200 提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。单极性驱动方式是指在一个 PWM 周期内 ,电动机 电枢只承受单极性的电压。 单极性驱动直流电机的闭环控制电路。在这个电路中， PWM 控制信号是通过引脚 5 输入的，而转向信号则通过引脚 3 输入。根据 PWM 控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向如图 3-10。采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，输出 AB 两相，检测电机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机。 5 V05 V0 V+ V s0 V- V sD I R（ P I N 3 ）P W M（ P I N 5 ）V 0 1 - V 0 2M O T O R S P E E DS L O W M E D I U MF A S TS L O W M E D I U MF A S TA V E R A G E C U R R E N T L O W S F R O M O U T P U T 1 T O O U T P U T 2A V E R A G E C U R R E N T L O W S F R O M O U T P U T 1 T O O U T P U T 2图 3-10 单极性驱动方式下的理想波形 图 3-11 是本论文中设计的直流电机的驱动电路图，在实际应用中 3 脚nts邵阳学院毕业设计（论文） - 18 - 接方向 信号 ， 4 脚接 PWM 信号 。 图 3-11 直流电机驱动电路图 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 19 - 第 4章 步进电机驱动模块 开发 4.1 步进电机概述 步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，步进电机的品种规格很多，按照其结构和原理可以划分为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。 目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电动机分类间的界 限也 越来越模糊。步进电动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，步进电动机 既 可以 看作是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率内转速与控制频率同步的同步电动机。 4.1.1 步进电机的特点 步进电动机具有自身的特 性 ，归纳起来如下所述： 1) 可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 2) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。 3) 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4) 易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。 5) 停止时， 具 有自锁能力。 6) 步距角选择 范围大，可在较大范围内选择。 7) 速度可 以 在相当宽 的 范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电机 ，并 可 以 使它们完全同步运行。 步进电动机也有一些自身的缺点，主要表现在：步进电机自身的噪音和振动较大，带惯性负载的能力较差 ， 而且步进电机存在失步和振荡现nts邵阳学院毕业设计（论文） - 20 - 象 。另外 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用普通的交流电源和直流电源。 4.1.2 步进电机的 工作 原理 步进电机 主要 有永磁式 （ PM） 、反应式 （ VR） 和混合式 （ HB） 等三种类型 。 永磁式步进 电机 一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5或 15。 反应式 步进 电机 一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5，但噪声和振动都很大 。 混合式步进 电机结合 了永磁式和反应式的优点， 目前 这种步进电机的应用最为广泛。 电动机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是从定子沿定子表面穿过气隙回归到转子中去的，称为 S 极转子。如图 4-1 所示为三相混合式步进电动机的横截面图。三相混合式步进电动机的定子为三相六极，三相绕组分别绕在相对的二个磁极上，且这二个磁极的极性是相同的。它的每段转子铁心上有八个小齿，两段铁心 上的小齿相互错开半个齿距。从电动机的某一端看，当定子的一个磁极与转子齿的轴线重合时，相邻磁极与转子齿的轴向就错开 1/3 齿距 。 （ a） N 极段铁心截面图 （ b） S 极段铁心横截面图 图 4-1 三相混合式步进电动机的横截面 当 A 相通电时，转子处于图 4-1 中所示的位置，此时与 N 极转子铁心相对的定子 A 相极下气隙磁导最大，与 S 极转子铁心相对的定子 A 相极nts邵阳学院毕业设计（论文） - 21 - 下气隙磁导最小 ， 这就是转子的稳定平衡位置。混合式步进电动机的稳定平衡位置是定转子异极性的极下磁导最大，而同极性的极下磁导最小。绕组的通电状态改变，电 动机的稳定平衡位置也改变，在电磁转矩的作用下，转子将转到新的平衡位置。比如， A 相断电的同时，给 B 相反向通电。 B 相磁极呈 N 极性，转子沿 CBA 方向转过 1/6 齿距，达到 B 相磁极与 S 段转子齿轴线重合，与 N 段转子齿错开 1/2 齿距的位置，即达到新的稳定平衡位置。 4.2 步进电机驱动控制 原理 不管是 哪 一种类型的步进电机，其运动控制系统都是相似的 ， 图 4-2是典型的步进电机开环控制系统结构框图，主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成。 步进电机环行分配器功率放大器脉 冲方 向信 号控 制 方 式 信 号步 进 电 机 驱 动 器步进电机运动控制器脉 冲 信 号图 4-2 步进电机控制系统原理结构图 步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，并实现正、反转控制和定位控制。由于输出的功率极小，只有几毫安电流，而步进电机相绕组一般需要几安至十几安的电流，所以脉冲分配器不能直接驱动步进电机工作，必 须通过功率放大器进行放大，才能给步进电机各相绕组提供足够的电流 。 nts邵阳学院毕业设计（论文） - 22 - 步进电机运动控制器则是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动 控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制方式信号 ， 运动控制器提供给步进电机的驱动信号是标准的信号。 为了控制的方便，步进电机一般可以有两种不同的控制模式可供选择 ， 控制模式就是由控制方式信号来设置的。一种是方向脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向 ； 另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。 4.3 步进电机 驱动电路 设计 单片步进电动机控制器集成电路 L297 适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制，提供的电压为 10V，输入电压为 7V，总功耗为 1W（在温度为 70 时），工作温度为 -40C +150C。 L297 输出信号可控制 L298 双 H 桥驱动集成电路，用来驱动电压为 46V、每相电流为 2.5A 以下的步进电动机。相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。此芯片是具有 20 个引出脚的双列直插式塑胶封装的器件。采用固定斩波频率的 PWM 方式工作， L297 主要由译码器、两个固定斩波频率的 PWM 恒流斩波器以及输出逻辑控制组成。 L297 的核心 是脉冲分配器。它产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步 （ HALF STEP） 方式；基本步距 （ FULL STEP，整步 ） 一相激励方式；基本步距两相激励方式。 L297 另一个重要组成是两个 PWM 斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩 频率特性。 CONTROL 信号用以选择斩波信号控制。当它为低电平时，斩波信号作用于两个禁
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