步进电机控制器毕业设计

分类号：分类号：TM383.6 U U D D C C：D10621-408-(2013)1379-0D10621-408-(2013)1379-0 密密 级：公级：公 开开 编编 号：号： 步进电机驱动控制器设计步进电机驱动控制器设计 论文作者姓名：论文作者姓名：陈立超陈立超 申请学位专业：申请学位专业：测控技术与仪器测控技术与仪器 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名（职职称称） ： 严寒冰（副教授）严寒冰（副教授） 论文提交日期：论文提交日期： 20132013 年年 0606 月月 0606 日日 分类号：分类号：TM383.6U D C：D10621-408-(2013)1378-0 密密 级：公级：公 开开编编 号：号： 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 步进电机驱动控制器设计步进电机驱动控制器设计 论文作者姓名：论文作者姓名： 申请学位专业：申请学位专业：测控技术与仪器测控技术与仪器 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名（职职称称） ： 论文提交日期：论文提交日期： 20132013 年年 0606 月月 0606 日日 步进电机驱动控制器设计步进电机驱动控制器设计 摘摘 要要 目前我国已经成为了世界的生产工厂，每一样产品都要经过严格的检验， 只有达到合格的标准，才能投入使用。随着步进电机这日常生活生产的普遍应 用，这个元件所占的市场比例也越来越高，而且经济效益也是非常可观。当今 这个全自动化生产线的过程中，步进电机大批量生产，尤为需要对步进电机的 质量进行监测，以防止不合格的产品产生。 基于此，课题设计了一个步进电机驱动器装置。该装置通过对步进电机的 控制使其产生消耗，以此作为监测样本提供给质检部门作详细分析。本设计中， 通过 AT89C52 单片机控制液晶显示与步进电机工作模式的选择，8254 可编程 定时器/计数器作为脉冲分配器实现 1Hz2KHz 步进式脉冲输出，A3967SLB 实现对二相步进电机驱动器驱动。步进电机的正转、反转和停止的时间通过按 键设定，并通过 LCD 显示出来。 实验结果表明：驱动器可以较准确实现对步进电机的正转、反转、停止时 间、以及工作模式的控制，满足了设计要求。本设计测试没有针对具体环境， 有些结论仅供参考。 关键词关键词： AT89C52；A3967SLB；8254；液晶 5110；步进电机 The Design Of Step Motor Drive Abstract At present, China has become the worlds manufacturing plant, Every product must go through a rigorous inspection, only those meet the quality requirement can been put into use. as the step motor became widely used in the Manufacturing and daily life, This component share of the market is also increasing, And economic benefits is very considerable. in the automated production line the step motor is widely used Particularly need to check the quality of the step motor, In order to prevent unqualified products produced. Based on this, I design a Step motor drive, the device is controlled by the step motor to produce consumption, as a quality control department to monitor the sample to be analyzed in detail. In this design, the ATC89C52 control the mode selection of step motor and the LCD. the 8254 program timer act as the pulse divider to output a 1Hz2KHz pulse then the A3967SLB will drive step motor. the forward, reverse, and the stopping time are set by the key-board ,and shown by the monitor. Experimental results show that the Driver can achieve accurately in control. the forward, reverse ,stopping time and the selection working mode ,meet the design requirement. The test is not designed for a specific environment，Some conclusions are for reference only. Key words: AT89C52; A3967SLB; 8254; LCD5110; step motor 目目 录录 论文总页数：46 页 1 引言.1 2 步进电机应用背景.1 2.1 步进电机驱动器的重要性 .2 3 设计的分析.2 3.1 主控电路的设计与分析 .2 3.2 方案的具体组成 .3 4 电路的硬件设计.4 4.1 AT89C52 单片机 .4 4.1.1 单片机电源设计.5 4.1.2 单片机的定时/计数器.7 4.2 8254 可编程定时计数器 .9 4.2.2 Intel 8254 芯片结构 .10 4.2.3 Intel 8254 主要特性 .11 4.3 A3967SLB 步进电机驱动器.12 4.3.1 A3967SLB 引脚及工作参数 .12 4.4 步进电机 .12 4.4.1 步进电机基本概念.13 4.4.2 步进电机的种类以及工作原理.13 4.4.3 步进电机的选择.14 4.4.4 步进电机的驱动.15 4.6 显示与键盘电路设计 .17 4.6.1 显示器的选择.18 4.6.2 键盘模块设计.19 4.7 硬件调试中的问题以及处理 .20 5 软件设计.21 结 论.23 参考文献.23 致 谢.23 声 明.25 附 录.26 第 1 页 共 46 页 1 1 引言引言 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种 自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日 俱增，在各个国民经济领域都有应用。为了使我们的生活更加美满，要求这些 步进电机必须有一个可靠的使用周期，我们能获知它的使用寿命和一般规律， 我们才能更好地了解他、使用它。作为常用的执行元件，它是最容易损坏的元 件之一，小的事故会影响到我们日常的生活与学习，大的事故就会导致灾难的 到来，而且当今这个全自动化生产线的过程中，可以用到这个测试仪来测试步 进电机的质量，以防止不合格的产品产生，这个测试仪在工业生产中会有很大 的经济效益。 本设计中采用了单片机 8052 为主要控制芯片，因为这个芯片具有存储量大、 体积小、总量轻、价格低等特点，在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存 储器等的功能，在设计中，要考虑到电机的速度和方向的控制，单片机的各种 保护电路，分析到这个系统要完成包括对键盘输入数据和 LCD 显示数据的人机 操作，要在系统试验前设定好所需要的参数，而且试验过程中这些参数可随时 改动，改动后系统能完成任务。设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数 和速度，在键盘中要用到的一些功能键与数字键的区别，所以，在程序部分应 有相应的处理。整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数 据存储模块，整个系统要达到必须在全自动化下进行，只有改变输入参数时， 可人为操作。必须要有存储功能，以实现测完数据之后能自动存储，以便以后 调用。要有键盘与显示功能，要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的 程序，并且设计参数可以人为随时更改。 2 2 步进电机应用背景步进电机应用背景 步进电机的应用场合如下： 1) 步进电机主要用于一些有定位要求的场合。 例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位） ，包装机（定长度） 。基本上涉及到定位的场合都用得到。 2).广泛应用于 ATM 机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器 及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、 机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输 出扭矩的应用场合。 3) 步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电 第 2 页 共 46 页 机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控 制性能好、整机成本低。目前用于电脑绣花机的步进电机多数为五相混合式步 进电机，目的是通过采用高相数的步进电机来减小步矩角和提高控制精度，但 是采用该种方式获得的性能上的提高是有限的而且成本也相对较高。采用细 分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降 低噪音，提高步矩分辨率。若采用反应式步进电机，在性能明显提高的同时还 能大大降低产品的成本1。 2.1 步进电机驱动器的重要性步进电机驱动器的重要性 各种各样的步进电机被应用在机械、电子、纺织及一般工业或民用领域， 比如包装机、医疗仪器及设备、机器人等等。因此任何步进电机都存在使用寿 命。运用在一般工业及民用领域的步进电机，对电机的使用寿命没有严格的要 求，但如果电机被应用到医疗、航天和精密仪器等领域时，电机是否良好直接 关系到病人、机器人外空探测和精确操作时的安全及经济效益，所以必须对电 机的使用寿命提出严格的要求，要求电机制造商务必把控电机的质量，因此电 机制造商在电机出场之前有必要对同一批号的产品进行抽查测试，以掌握电机 的确切寿命系数。 电机的寿命通常取决于轴承寿命，质量合格的步进电机可达上万至数万小 时，除了轴承损耗，还有电机温度高导致的磁衰减和线圈老化等问题。另外有 的步进电机应用环境温度高，或者有油污、粉尘、水等污染，也会缩短使用寿 命2。用传统的测试方法完成电机的测试至少存在以下两点不足：意识测试效 率极低，因为要使测试人员能够正确观察到多组被测电机（通常要同时测试多 个电机） ，步进电机磨损测试时间较长，耗费人力物力，特别是对于精度要求高 的电机来说，人为地定时计数等不准确因素都会额外造成误差；二是对于要求 步长精确的电机，人工调试不准确。由于这些不足，电机的生产厂迫切需要开 关寿命的自动测试系统来取代传统的测试系统。 3 3 设计的分析设计的分析 这一章主要研究步进电机驱动器的整体设计方案，因为现在电器元件种类 比较多，只有选择一个合理的设计方案，才能充分发挥这些元件的作用，争取 不浪费资源，做到经济又合理，根据所选的主控元件，设计一套具体的系统组 合。 3.1 主控电路的设计与分析主控电路的设计与分析 经过分析此设计是用软件设定步进电机来代替人为操作。用给定的 8254 来 作为脉冲控制器产生脉冲信号来控制电机。利用 52 单片机内部定时计数器即可 第 3 页 共 46 页 实现定时的功能完成；A3967SLB 是美国 Allegro 公司生产的 PWM 恒流控制微 步距驱动二相步进电机专用驱动器，性能好，价格低廉，用它作为步进电机的 驱动器。以上述主要器件即完成主控电路的设计，如图 3-1 所示： 图 3-1 主控电路流程图 3.2 方案的具体组成方案的具体组成 在设计中要完成单片机对电机、键盘、及存储器等的功能，在设计中，要 考虑到电机的速度和方向的控制，单片机的各种保护电路，分析到这个系统要 完成包括对键盘输入数据和 LCD 显示数据的人机操作，要在系统试验前设定好 所需要的参数，而且试验过程中这些参数可随时改动，改动后系统能完成任务。 设定这些参数的目的是去控制进步电机的次数和速度，在键盘中要用到的一些 功能键与数字键的区别，所以，在程序部分应有相应的处理。 整个系统由键盘输入模块、数据显示模块、电机控制模块、数据存储模块， 整个系统要达到必须在全自动化下进行，只有改变输入参数时，可人为操作。 必须要有存储功能，以实现测完数据之后能自动存储，以便以后调用。要有键 盘与显示功能，要求软件的编写出步进电机、键盘与显示功能的程序，并且设 计参数 可以人为随时更改。系统的具体方案是由于此系统中要用到多个输入、输出口， 52 单片机有 4 个 8 位 I/O，4*4 的键盘占用 P2 端口的 8 根线来实现，液晶显示 部分则利用 P0.3P0.7，总共 5 个 I/O，另一个芯片 A3967SLB 的控制引脚分别 连接 P1 端口的 6 个 I/O。单片机最小系统上设有复位键，设定参数有误时，可 按下重置。具体芯片引脚的连接在后面第四章硬件部分详细介绍。方案设计的 结构图如下所示： LCD 按键 单片机脉冲分配器步进电机驱动器步进电机 第 4 页 共 46 页 图 3-2 电路结构图 4 电路的硬件设计电路的硬件设计 本章主要是测试仪的硬件电路设计，这一章讲到了从主控制器到显示、键 盘、数据存储、步进电机等所有的电路设计，介绍了各个组成部分实现的功能， 可以更加深入了解测试仪的工作原理。 4.1 AT89C52 单片机单片机 AT89C52 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机内带有一个 8KB 的 Flash 可 编程、可擦除只读存储器（EPROM）技术，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统 都与 MCS-51 兼容，片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易 失性存储器编程器来编程，因此 AT89C52 是一种功能强、灵活性高、且价格合 理的单片机，可以方便地应用在各种控制领域3。 主要性能如下： 1) 8KB 可编程 Flash 存储器（可经受大于 1000 次的写入擦除） 2) 全静态工作：0HZ-24MHZ 3) 3 级程序存储器保密 第 5 页 共 46 页 4) 256*8 字节内部 RAM 5) 32 条可编程 I/O 线 6) 3 个 16 位定时器/计数器 7) 6 个中断源 8) 可编程串行通道 9) 片内时钟震荡器 另外，AT89C51 是用静态逻辑来设计的其工作频率可下降到 0HZ 并提供两 种可用软件来选择的省电方式之一空闲方式（Idle Mode）和掉电方式（Power Down Mode）在空闲方式中 CPU 停止工作而 RAM 定时器/计数器串行口和中断 系统都继续工作，在掉电方式中片内震荡器停止工作。由于时钟被“冻结”使一 切功能都暂停，故只保存片内 RAM 中的内容直到下一次硬件复位为止。 AT89C52 优越的性能为我们控制的实现提供了保证。本设计中采用了单片机的 最小系统，如图 4-1 所示： 图 4-1 单片机最小系统 4.1.1 单片机电源设计单片机电源设计 方案论证： 1) 方案 1：220V 变压器后由 4 个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就 得到一个电压波动很大的直流电源，故后面接一个 330uF/25V 的电解电容。变 压器输出端的 9V 电压经桥式整流并电容滤波，在电容 C1 两端大约会有 11V 多 第 6 页 共 46 页 一点的电压，因为我们要输出 5V 的电压，所以选用 7805，三端稳压器后面接 一个 105 的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。 最后在 C2 两端接一个输出电 源的插针，可用于与其它用电器连接。 此电路优点是：方便实用，输出电压稳定，最大输出电流为 1A，电路能带 动一定的负载 2) 方案 2：220V 交流电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流 电路 D1D4 和滤波电容 C1 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电 压的波动或负载的变化等原因而发生变化) 电路为输出电压+5V、输出电流 1.5A 的稳压电源。它由电源变压器 B，桥式整流电路 D1D4，滤波电容 C1、C3，防止自激电容 C2、C3 和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便 地搭成. 此电路优点是：此直流电压经过 LM7805（图 4-3）的稳压和 C3 的滤波便 在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可 作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用 线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用 简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器 件 结论：综合方案一、方案 2，LM7805 以其体积小、成本低、性能好、工作 可靠性高、使用简捷方便等特点,故采用这个元件，另外，采用 1117 是一款低 压差的线性稳压器，作为主要芯片，具体方案如下： 电源采用 5V 直流电压输出，稳压二极管 VD2 串接在 7805 的 2 引脚与地 之间，可使输出电压得到提高，输出电压为稳压管输出电压与 VD2 输出电压之 和。VD1 是输出保护二极管，一旦输出电压低于 VD2 稳压值时，VD1 导通， 将输出电流旁路，保护 7805 稳压管输出级不被损坏。部分系统采用了 LM1117 三端稳压集成芯片，其外观如下图 4-2 所示，1117 是一款低压差的线性稳压器， 1117 可以提供多个固定电压版本，如 1.8V,2.5V3.3V 还可以提供可调端输出， 并且有完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时 应用修正技术，确保输出电压和参考精度在百分之一的精度范围，同时抱基准 电压调整在百分之一点五以内，调整了电流限制，减少了因为稳压器和电源电 路超载而造成的压力。其输出精度是正负百分之一，最大输出电流为 1A。 第 7 页 共 46 页 图 4-2 LM1117(左) LM7805（右）实物图 由于单片机需要的是 5V 电源，液晶需要的是 3.3V 的电源，因此就需要分 压，当外接电源大于 5V 时候可以将外接电源接到 P3 同样可以满足内部芯片以 及内部液晶显示的电压要求。具体电路如下图 4-3 所示： 图 4-3 单片机电源模块 4.1.2 单片机的定时单片机的定时/计数器计数器 AT89C52 的单片机内有三个独立的 16 位可编程的定时/计数器，它们具有 四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄 存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐 述。定时/计数器的工作方式： 第 8 页 共 46 页 AT89C52 单片机内部的定时/计数器，定时器 T0 特性功能寄存器 TL0（低 8 位）和 TH0（高 8 位）构成，定时器 T1 由特性功能寄存器 TL1（低 8 位）和 TH1（高 8 位）构成。特殊功能寄存器 TMOD 控制定时寄存器的工作方式， TCON 则用于控制定时器 T0 和 T1 的启动和停止计数，同时管理定时器 T0 和 T1 的溢出标志等。程序开始时需对 TL0、TH0、TL1 和 TH1 进行初始化编程， 以定义它们的工作方式和控制 T0 和 T1 的计数。T2 的特殊功能寄存器 T2CON 的地址是 0C8H，可以对他进行位寻址3。 定时/计数器的方式控制字 TMOD，字节地址为 89H，其格式如表 4-1: 表 4-1 定时/计数器的方式控制 D7D6D5D4D3D2D1D0 GATAM1M0GATAM1M0 T1 方式字段T0 方式字段 定时器控制积存器 TCON，字节地址为 88H，位地址为 88H8FH，其格 式如表 4-2： 表 4-2 定时器控制积存器 D7D6D5D4D3D2D1D0 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 定时器 T2 每位的含义如下表 4-3： 表 4-3 定时器 T2 D7D6D5D4D3D2D1D0 TF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR22CP/RL2 工作方式 0 和工作方式 1 的最大特点就是计数溢出后，计数器为全 0，因 而循环定时或循环计数应用时就存在反复设置初值的问题，这给程序设计带来 许多不便，同时也会影响计时精度，工作方式 2 就针对这个问题而设置，它具 有自动重装载功能，即自动加载计数初值，所以也有的文献称之为自动重加载 工作方式。在这种工作方式中，16 位计数器分为两部分，即以 TL0 为计数器， 以 TH0 作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至 TL0 和 TH0 中，当 第 9 页 共 46 页 计数溢出时，不再象方式 0 和方式 1 那样需要“人工干预”，由软件重新赋值， 而是由预置寄存器 TH 以硬件方法自动给计数器 TL0 重新加载。 程序初始化时，给 TL0 和 TH0 同时赋以初值，当 TL0 计数溢出时，置位 TF0 的同时把预置寄存器 TH0 中的初值加载给 TL0，TL0 重新计数。如此反复， 这样省去了程序不断需给计数器赋值的麻烦，而且计数准确度也提高了。但这 种方式也有其不利的一面，就是这样一来的计数结构只有 8 位，计数值有限， 最大只能到 255。所以这种工作方式很适合于那些重复计数的应用场合。例如 我们可以通过这样的计数方式产生中断，从而产生一个固定频率的脉冲。也可 以当作串行数据通信的波特率发送器使用。 当 M1M0=11 时，定时/计数器处于工作方式 3，值得注意的是，在工作方 式 3 模式下，定时/计数器 1 的工作方式与之不同，下面我们分别讨论。在工作 方式 3 模式下，定时/计数器 0 被拆成两个独立的 8 位计数器 TL0 和 TH0。其中 TL0 既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器 0 的各控制位 和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式 0 或方式 1 完全相同。TH0 就没 有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器 0 的控制位已被 TL0 占用，因此只能借用定时/计数器 1 的控制位 TR1 和 TF1， 也就是以计数溢出去置位 TF1，TR1 则负责控制 TH0 定时的启动和停止。等效 电路由于 TL0 既能作定时器也能作计数器使用，而 TH0 只能作定时器使用而不 能作计数器使用，因此在方式 3 模式下，定时/计数器 0 可以构成二个定时器或 者一个定时器和一个计数器。 如果定时/计数器 0 工作于工作方式 3，那么定时/计数器 1 的工作方式就不 可避免受到一定的限制，因为自己的一些控制位已被定时/计数器借用，只能工 作在方式 0、方式 1 或方式 2 下在这种情况下，定时/计数器 1 通常作为串行口 的波特率发生器使用，以确定串行通信的速率，因为已没有 TF1 被定时/计数器 0 借用了，只能把计数溢出直接送给串行口。当作波特率发生器使用时，只需 设置好工作方式，即可自动运行。如要停止它的工作，需送入一个把它设置为 方式 3 的方式控制字即可，这是因为定时/计数器本身就不能工作在方式 3，如 硬把它设置为方式 3，自然会停止工作4。 4.2 8254 可编程定时计数器可编程定时计数器 4.2.1 8254 芯片作为脉冲分配器的优点分析芯片作为脉冲分配器的优点分析 本设计中要求输出脉冲的频率范围为1Hz2KHz，单步为1Hz。由于89C52时钟 最大能取24MHz，单指令周期为05s，计数频率为2106Hz。当输出1999Hz 和2000Hz时，若采用89C51内部计数器来计数，根本无法区别，而且不好通过 外部按键进行设置。因为计数频率为2MHz，单指令周期05s，而要输出 第 10 页 共 46 页 1999Hz 时，计数应为1000500；输出2000Hz时，计数应为1000000。因此 在本设计中，采用外部定时器计数器8254。8254是8253的改进型，操作方式 及引脚与8253完全相同。它的改进主要反映在两方面： 1) 8254的计数频率更高，可由直流至6MHz； 2) 8254多了1个读回命令（写至控制器的寄存器），因为8254最高计数频率 可达6MHz，能满足以上设计的要求，另外采用8254的工作方式3可输出方波。 当8254以方式3工作时，在计数的过程中要输出有一半时间为时可输出高电平， 后N2时可输出低电平，不需要用软件来控制高低电平的转换。 8254的连接可以把定时器0和定时器1的门控信号连在一起，并接到5V电源 上。定时器0的输入脉冲线CLK0接6M的晶振，定时器0的输出OUT0作为定时器 1的脉冲输入。两定时器均设为工作方式3，因为8254的计数器是16位，即计数 范围为065535，在输入时钟为6M时，要输出1Hz的脉冲，则其计算值也为 6M，大于其最大的计算值，因此本设计最终输出的脉冲由两个定时器的两次分 频所得。采用频率分段输出，即当要求输出的频率为1100Hz 时，定时器0的 计数值设为100，则定时器1的计数频率为6104Hz，最大计数为6104，最小计 数为600，符合要求；当输出频率为1012kHz时，定时器0的计数值设为1，则 定时器1的计数频率为6M，最大计数为59406，最小计数为3000，满足8254的计 数范围。 4.2.2 Intel 8254 芯片结构芯片结构 8254 芯片如图 4-4 所示： 图 4-4 8254 1) CS#:片选信号，接IO端口译码电路的输出 2) RD#,WR#:读写控制信号 3) D7D0：低2位，用于片内端口的选择。A1A0=00，选择通数据线，与系统 第 11 页 共 46 页 数据总线相连 4) A1A0接地址总线道0；A1A0=01，选择通道1；A1A0=10，选择通道 2；A1A0=11，选择控制端口。 5) 每个通道有三根对外的信号线： CLK，OUT和GATE。 8254内部结构与外部引脚如图4-5： 计数器 0# 计数器 1# 计数器 2# CLK0 GATE0 OUT0 数据总线 缓冲器 读/写 逻辑 控制 寄存器 WR RD A1 A0 CS GND VCC D0D7 CLK1 GATE1 OUT1 CLK2 GATE2 OUT2 图4-5 8254内部结构与外部引脚 8254有3个结构完全相同的定时器/计数器通道：0、1、2 每个通道包含： 1) 一个8位的控制字寄存器 2) 三个16位的初值寄存器、减1计数器和结果输出锁存器。 每个通道有3根专用的信号线： 1) CLK:计数/定时脉冲输入端，每输入一个脉冲，减1操作 2) OUT:计数值减到零时，由输出端OUT输出结束信号 3) GATE:门控信号，允许或停止计数5 4.2.3 Intel 8254 主要特性主要特性 1) 3个独立的16位定时/计数通道。 2) 每个通道有6种工作方式。 3) 最高计数频率为10MHz。 4) 可以按二进制或BCD码两种方式计数。 5) 定时时间长短可用软件设置，可由软件或硬件控制开始计数或停止计数。 第 12 页 共 46 页 6) 可以同时锁存13个计数器的计数值和状态值，供CPU读取。 8354每个通道有六种工作方式，本设计中当工作在方式3，用它产生方波。 4.3 A3967SLB 步进电机驱动器步进电机驱动器 驱动部分采用的是 A3967SLB 芯片，A3967SLB 是美国 Allegro 公司生产的 PWM 恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。它的工作电压可达 30V， 驱动电流达 750mA，一个 A3967SLB 即可驱动一台二相步进电机，可实现 8 细 分驱动。芯片内的 PWM 电流控制电路可通过加在 PFD 的电压设置为慢、快、 混合三种电流衰减模式，如果 PFD 端的电压高于 06VDD，则选择慢衰减方 式。若低于 021VDD，则选择快衰减模式。处于两者之间为混合衰减模式6。 另外，A3967SLB 还能提供完善的保护措施，包括抑制瞬态电压、过热保 护、防止电流直通、欠电压自锁等功能。A3967SLB 和微处理器之间不需要附 加其它的接口电路，该芯片采用 Easy Stepper 接口，将 8 条控制线减少为 2 条 (步长和方向)，只要简单地输入控制步进电机的脉冲，其内嵌的转换器就可以 实现对步进电机的控制。A3967SLB 还需要一些电阻、电容来调整其工作参数， 整个驱动电路非常简单。 4.3.1 A3967SLB 引脚及工作参数引脚及工作参数 A3967SLB 如图 4-6 所示： 图 4-6 A3967SLB 电气特性在 T A = +25C，V BB = 30 V，V CC = 3.0 V 至 5.5V 时的操作参 数环境7详见附录 A。 4.4 步进电机步进电机 第 13 页 共 46 页 本设计中采用 A3967SLB 驱动步进电机，A3967SLB 是美国 Allegro 公司生 产的 PWM 恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。故采用一个二相四 线步进电机来作为本设计的驱动器件。 4.4.1 步进电机基本概念步进电机基本概念 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进 驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度（及步进角） 。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位 的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而 达到调速的目的8。 4.4.2 步进电机的种类以及工作原理步进电机的种类以及工作原理 步进电机分永磁式（PM） 、反应式（VR） 、和混合式（HB）三种。永磁式 步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度；反应式步进 一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。 在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的 优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛9。 下面我们以一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图 4-7 来说明步进电 机的工作原理。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕 组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构 成四对所以称为四相步进电机。 图 4-7 步进电机工作原理示意图 它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软 铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁 通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励 的一相对准。在图 4-7(a)中 A 相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与 正向的 A 齿对准。从这个位置再对 B 相进行激励，如图 4-7 中的(b)，转子向反 时针转过 15。若是 D 相被激励，如图 4-7 中的(c)，则转子为顺时针转过 15。 第 14 页 共 46 页 下一步是 C 相被激励。因为 C 相有两种可能性：ABCD 或 ADC B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动 15。电机 步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小 的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。 4.4.3 步进电机的选择步进电机的选择 步进电机必须与驱动器、控制器配套使用才能完成工作要求。步进电机驱 动系统的性能除了与电机自身的性能有关外，在很大程度上还取决于驱动器和 控制器的优劣。因此对步进电机驱动器的研究几乎是与对步进电机的研究同步 进行的。 在选用步进电机时，一定要先确定好它的性能指标达到的要求，它的指标 一般分为一下几个方面。 1) 步矩精度。空载时，以单脉冲输入，步进电机的实际步矩角与理论步矩 角之差成为静态步矩角误差，以偏差的角度或相对百分数来衡量。我国生产的 步进电机的步矩精度一般在1030 分的范围，有些可达25 分。 2) 最大静转矩。转子处于静止状态时，能与最大负载转矩相平衡的电磁转 矩称为步进电机的最大转矩.它是衡量步进电机带负载能力的主要指标。 3) 起动频率。使步进电机能够由静止定位状态不失步的起动，并进入正常 运行的控制脉冲最高频率，称为起动频率。在电机空载情况下，称为控制起动 频率。在有负载情况下，不失步起动所允许的最高频率将大大降低。 4) 连续运行频率。步进电机起动后，其转速将跟随控制脉冲频率连续上升 而不失步的控制脉冲的最高频率，称为连续运行频率的最高工作频率。步进电 机的连续运行频率随负载的增大而下降，但步进电机连续运行频率远高于其起 动频率10。 本设计中采用 A3967SLB 驱动步进电机，A3967SLB 是美国 Allegro 公司 生产的 PWM 恒流控制微步距驱动二相步进电机专用驱动器。故采用一个二相 四线步进电机来作为本设计的测试原件,在本设计中，我选择的是安川 42HD0401-20 型号的电机，步进电机实物如图 4-8 所示 第 15 页 共 46 页 图 4-8 步进电机实物 它的工作参数如下表 4-4 所示： 表 4-4 电机各项参数 电压5V静力矩 2.5/ 电流0.8 A定位力矩150g/cm 步距角1.8 度绝缘电阻500VDC100M 相数2绝缘等级B 电阻 6.710% 转动惯量cmg /38 2 电感 9.5nH20% 重量0.2 kg 该型号步进电机的工作电压、工作电流可由 52 单片机带动，符合要求。 4.4.4 步进电机的驱动步进电机的驱动 步进电机的驱动方式有很多种，对于的当下比较流行的几种驱动方式简要 分析。 方案比较： 1) 利用 ULN2003 驱动步进电机 ULN2003 是高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅 NPN 达林顿管组成。 ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻，在 5V 的工作电压下它 能与 TTL 和 CMOS 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。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够 在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行11。ULN2003A 功 能框图 4-9： 图 4-9 ULN2003A 功能框图 第 16 页 共 46 页 ULN2003 在小电流的步进电机时，可以实现控制电机的停止、运转、加速 和减速功能，至于控制电机的正转和反转，由于 2003 就相当于 7 个与非门，可 以用两片 2003 来实现12，当然也可以将一片 2003 的两个非门结合起来使用， 也可以用一片 2003 实现控制电机的正反转功能，但是此时芯片的灌电流还是 500mA。 其驱动步进电机电路原理图 4-10： 图 4-10 ULN2003 驱动电机原理图 2)方案