【优秀硕士博士论文】高速电子选纬机控制器设计

高速电子选纬机控制器设计摘要本设计主要使用MCS51单片机为核心对高速电子选纬机控制器的设计与改造。该产品顺应剑杆织机发展的需求，经过多年研制开发了高速电子选纬装置，为剑杆织机配套而设计。该产品属光机电一体化产品，靠传感器发送信号给程控箱，然后由程控箱发号指令控制步进电机带动选纬指完成选纬动作，它结构简单、运转可靠、适用范围广，适用于高、中、低档剑杆织机，它速度高达650转/分，更换或增加通道快捷方便，挡车工操作简单方便。关键词ATM89C51单片机驱动芯片组步进电机DESIGNOFHIGHSPEEDELECTRONICWEFTMACHINECONTROLLERABSTRACTTHEDESIGNMAINLYUSESMCS51MICROCONTROLLERASTHECOREFORHIGHSPEEDELECTRONICWEFTMACHINEDESIGNANDTRANSFORMATIONTHEPRODUCTISCONFORMTOTHEDEVELOPMENTNEEDSOFRAPIER,AFTERMANYYEARSDEVELOPEDAHIGHSPEEDELECTRONICWEFTSELECTIONDEVICEDESIGNEDSPECIFICALLYFORTHEMATCHINGRAPIERTHEPRODUCTISALIGHTMECHANICALANDELECTRICALINTEGRATIONPRODUCTS,RELYINGONSENSORSTOSENDSIGNALSTOTHEPROGRAMCONTROLLEDBOX,ANDTHENISSUEDBYTHEPROGRAMCONTROLLEDBOXDIRECTIVECONTROLLEDSTEPPERMOTORDRIVENWEFTWEFTSELECTIONREFERSTOTHECOMPLETIONOFACTION,ITISSIMPLESTRUCTURE,FUNCTIONINGANDRELIABLE,SUITABLEFORAWIDERANGEOFADAPTEDTOHIGH,MEDIUMANDLOWGRADERAPIER,ITSPEEDSUPTO650R/MIN,CHANGEORINCREASETHECHANNELISFASTANDCONVENIENTTENDERSSIMPLEOPERATIONKEYWORDSATM89C51SCMDRIVERCHIPSETSTEPPERMOTOR目录摘要1前言3第一章纺织机的发展介绍411纺织业的发展状况412剑杆织布机的原理分析413选纬机控制器的原理与应用514电子技术在选纬机控制器中的运用5第二章单片机技术的介绍621单片机的简介622单片机发展概述623MCS51单片机主要应用特性724单片机的引脚功能7第三章电子选纬机控制器的硬件设计931单片机最小系统设计电路932通道选择输入电路1133通道选择输出电路1234步进电机原理及特点1235步进电机驱动电路1336电源电路设计19第四章电子选纬机控制器的软件设计2141开机初始化程序2242通道选择程序2343步进电机控制程序2344脉冲信号处理程序25第五章联机调试和分析27参考文献29致谢29附录1详细程序30附录2PCB板照片34附录3总体设备照片35附录4实际设备工作照片36前言这几年，我国剑杆织机发展迅猛，顺应剑杆织机发展的需求，经过多年研制开发了高速电子选纬装置，专门为剑杆织机配套而设计的。该产品属光机电一体化产品，由步进电机驱动选纬指完成选纬动作，与传统的电磁式选纬器相比，它结构简单、运转可靠、适宜范围广。适应于高、中、低档剑杆织机，它速度高达650转/分，采用模块式配置2，4，6，8个选色通道，便于用户组合，特别是不需要特别保养和润滑，更换或增加通道快捷方便，挡车工操作简单方便，是用户选用的最佳好产品。纺织业近年来依靠科学发展观，在新型工业化道路上取得了突出的成绩，引起越来越广泛的关注。纺织行业在推动科技进步、结构调整、产业升级方面亮点频现，并取得了突出成就，提高了行业的经济运行质量，提升了纺织工业的市场竞争力。该产品的系列高速电子选纬程控箱，它是靠传感器发送信号给程控箱，然后由程控箱发号指令控制步进电机带动选纬指工作，它与织机同步，准确可靠，非常方便。选纬指工作行程小，纬纱所受张力小，断纬率低，无明显开车痕。它专为旧织机升级改造而设计的，通过实际考验，技术已成熟，并占有了一定市场。剑杆织布机的原理其积极引纬方式具有很强的品种适应性，能适应各类纱线的引纬，加之剑杆织机在多色纬织造方面也有着明显的优势，可以生产多达16色纬纱的色织产品。选纬机控制器的原理与应用刚性剑杆织机引纬系统的最大优点是积极将纬纱传递到织口中心而不需要任何引导装置，刚性剑杆织机占地面积小，主要是筘幅宽度有一定的限度。柔性剑杆织机引纬系统的适应性强，应用范围广，引纬率显著增加，筘幅宽达460CM。电子技术在选纬机控制器中的运用微电子技术的广泛应用，使剑杆织机的速度及引纬率大大提高。在各种引纬方式中，如片梭引纬、剑杆引纬、喷气引纬及喷水引纬系统中，剑杆引纬速度除喷气引纬外也是很高的。20世纪后50年剑杆织机取得显著进步。第一章纺织机的发展介绍11纺织业的发展状况在过去的半个世纪里，纺织业在中国既是传统产业，也是优势产业，为国民经济作出了巨大的贡献。近年来高科技产业的发展和国民经济结构的调整特别是国有企业的改革，使纺织业面临的问题进一步凸现，如企业的重组，劳动生产率的低下，设备的陈旧和技术的落后，等等。然而，纺织工业仍然是一个大产业并在整个经济结构中占据重要的地位。全国近13亿人口，其衣用和装饰用纺织品离不开纺织工业。据测算，中国加入WTO后最大的受益者是纺织行业几年来纺织行业上岗人数增加23；在近5年里，中国纺织工业总产值以每年65的平均速度增长；就2005年，纺织纤维年加工总量达到1425万吨，人均年消费量将达到78公斤左右；纺织服装年出口创汇将达到650亿美元；行业科技进步对产值增长的贡献率有望达到60以上。纺织业近年来依靠科学发展观，在新型工业化道路上取得了突出的成绩，引起越来越广泛的关注。纺织行业在推动科技进步、结构调整、产业升级方面亮点频现，并取得了突出成就行业的经济运行质量有所提高。纺织工业的市场竞争力正在不断提升。国内装备制造技术的提高和国际先进技术装备的加快引进，使行业装备和技术水平有了大幅提高。“十五”期间，我国国产成套设备基本达到20世纪90年代的国际水平。棉纺行业国际先进水平的技术装备比重超过50，比“十五”初期提高了20个百分点。这些数字是纺织业近几年取得的成就的量化体现，而成就的取得有赖于全行业成千上万企业的不懈努力和孜孜追求。这些年，是中国纺织行业发展最快、步子最大的几年。行业在发展速度、技术进步、质量效益、市场活力、融入全球化等方面取得了前所未有的巨大成绩，这进一步证明了在全面建设小康社会和基本完成中国工业化的最后十几年，纺织工业仍将具有无可替代的作用。是新型工业化道路自主创新的成功“亮剑”。在令人警醒的差距面前，越来越多的企业认识到，只有加大研发投入，攻克核心技术，提高品牌贡献率，才能在市场竞争中赢得主动，有所作为。12剑杆织布机的原理分析剑杆织机是目前应用最为广泛的无梭织机，它除了具有无梭织机高速、高自动化程度、高效能生产的特点外，其积极引纬方式具有很强的品种适应性，能适应各类纱线的引纬，加之剑杆织机在多色纬织造方面也有着明显的优势，可以生产多达16色纬纱的色织产品。随着无梭织机取代有梭织机，剑杆织机将成为机织物的主要生产机种。早在150年前，有梭织机逐步代替手工织布，那时有梭织机比手工织布的产量高1倍。1844年开始出现无梭织机，柔性剑杆织机起始于1925年，二战后，50年代至60年代实现商品化生产，并逐步取得显著进步，目前剑杆织机引纬率达到1500M/MIN以上。13选纬机控制器的原理与应用剑杆织机主要是为解决引纬方法而设计，包括刚性、柔性及可伸缩式的引纬方式。其主要产品是服装用面料，与其它引纬方式比较，剑杆织机的引纬方式适应于多色引纬，可以生产12色引纬的多式花样图案的产品，包括以往各种类型的纱线、生产各种类型的织物。积极式的剑杆驱动，可以对许多引纬比较困难的纱线完成引纬。刚性剑杆织机引纬系统的最大优点是积极将纬纱传递到织口中心而不需要任何引导装置，刚性剑杆织机占地面积小，主要是筘幅宽度有一定的限度。柔性剑杆织机引纬系统的适应性强，应用范围广，引纬率显著增加，筘幅宽达460CM。14电子技术在选纬机控制器中的运用20世纪最后15年，电子计算机引入织机，微电子CADCAM体系得到广泛应用，使微电子技术、信息传递技术与织造技术形成完美的结合，许多电子装置及系统与织机的结合成为剑杆织机的组成部分，尤其是微电子技术在剑杆织机上的广泛应用，包括引纬技术等。一些引纬元件大为改进，体积小巧、重量又轻。由于微电子技术的广泛应用，使剑杆织机的速度及引纬率大大提高。在各种引纬方式中，如片梭引纬、剑杆引纬、喷气引纬及喷水引纬系统中，剑杆引纬速度除喷气引纬外也是很高的。20世纪后50年剑杆织机取得显著进步，非凡在1995年米兰及1999年巴黎展览会上，向世界展示了最新型的高科技剑杆织机。努力提高织机的产量及运转性能、提高织造效率及产品质量，是机器制造商为参与世界竞争的奋斗目标。剑杆织机不仅速度及引纬率有很大提高，而且织机幅宽也增加较快，经过多年的努力改进，剑杆织机的速度及引纬率已大大超过片梭织机，但幅宽尚不能与片梭织机相比拟。第二章单片机技术的介绍21单片机的简介单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器CPU、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路I/O接口集成在同一块芯片上，构成一个即小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。所以说，一片单片机芯片就具有了组成计算机的全部功能。它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能。单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。22单片机发展概述单片机诞生于20世纪70年代，所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CPU）和数据存储器RAM、程序存储器ROM及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。1976年INTEL公司推出了MCS48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64KB，可以说，单片机发展到了一个新的平台。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。23MCS51单片机主要应用特性MCS51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS48单片机相比，它的结构更先进，功能更强。一直到现在，MCS51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS51单片机作为代表进行理论基础学习。MCS51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品。从而容易使产品形成系列化。由于MCS51集成了完善的8位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。MCS51的指令系统近乎完善，指令系统中包含了全面的数据传送指令、完善的算术和逻辑运算指令、方便的逻辑操作和控制指令、对于编程来说，是相当灵活和方便的。MCS51单片机的工作频率为212MHZ。8051是MCS51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4KB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。MCS51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存储器和程序存储器的寻址范围达21664KB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对I/O口的访问能力。集成了完善的各种中断源，用户可十分方便地控制和使用其功能，使得它的应用范围加大，可以说它可以满足绝大部分的应用场合。24单片机的引脚功能本次设计CPU选用89C5L作为步进电机的控制芯片。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。管脚图如图21所示。1、VCC（40）电源5V。2、VSS（20）接地，也就是GND。3、XTL1（19）和XTL2（18）振荡电路。4、PSEN（29）片外ROM选通信号，低电平有效。5、ALE/PROG（30）地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。6、RST/VPD（9）复位信号输入端/备用电源输入端。7、EA/VPP（31）内/外部ROM选择端8、P0口（3932）双向I/O口。9、P1口（18）准双向通用I/0口。10、P2口（2128）准双向I/0口。图21AT89C51的引脚图第三章电子选纬机控制器的硬件设计对于单片机而言，它只是单单的一块芯片组，没有外围电路它也就是一块废品，如图31所示就是本设计的总体硬件框图，设计首先介绍了STC89C51单片机，L297和L298N驱动电路及步进电机的基本原理与功能；其次,设计步进电机实现起停、转向、速度、位置变化的控制方案；再次，在这些器件功能与特点的基础上，拟出设计思路，构建系统的总体框架；最后利用PROTEL软件绘出电路图。在此基础上，重新分配I/O资源，同时增加驱动芯片L297、L298N的个数，最终实现多台步进电机独立起停、转向、速度、位置变化的控制。图31硬件电路总体系统框图31单片机最小系统设计电路单片机的主要功能是负责整个系统的控制，承担复杂的数据处理任务，因此在设计单片机最小系统时通常选用AT89C5L、AT89C52、AT89S51、AT89S52（S系列芯片支持ISP功能）等型号的8位单片机作为MCU。一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路等。如图32就是单片机最小系统的原理图。单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALL和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图中Y1、C1、C2就构成了单片机的时钟电路。补偿电容通常选择30PF左右的瓷片电容。单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。其结构如图中R2、C3就构成了单片机的复位电路。上电自动复位通过电容C3充电来实现。此外还有在本设计中，51单片机的P1口作为通道选择输入口，他的作用主要有确定哪个通道的步进电机的动作，从而实现选纬功能。P2口作为输出通道的选择，他的功能主要是控制通道上的步进电机动作，即作为步进电机的使能信号。P0口主要是控制电机动作的脉冲信号和方向信号。图32单片机最小系统设计电路32通道选择输入电路在本次设计中共有8组输入输出通道，机器工作时通过对通道中步进电机的控制，最后实现选纬功能。该通道选择输入电路主要是为了确定输出通道工作状态，从而控制相应的输出通道。为了使电路中的单片机更可靠稳定的工作，特别在通道选择电路中做了光电隔离电路和施密特触发器整形电路。电路原理图如图33所示。图33通道选择输入电路在此电路中，CH1是从编码盘输入的信号，编码盘的信号情况确定了步进电机的工作状态，从而确定了该台织布机所织出来的布的花样。该信号从CH1端口输入到光耦。他以光为媒介传输电信号，对输入、输出电信号有良好的隔离作用和抗干扰能力他在该电路中还起到脉冲信号放大作用。接着是斯密特触发器，他在电路中起到了整波的作用，矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲。所以这样就能避免外界信号的干扰，使得电路中的数字信号更加稳定可靠。如图34为施密特触发器的工作波形。图34施密特触发器工作波形33通道选择输出电路在该设计中共有8组步进电机要用单片机来控制，最后实现选纬功能。该通道选择输出电路主要是为了来控制各通道上的步进电机工作，在该电路中直接使用了单片机的P2口来作为步进电机驱动电路的使能信号，这样就可以完成单片机对步进电机的控制，从而使得该设备完美的工作。34步进电机原理及特点随着工业自动化的发展,步进电机的应用越来越广泛。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一个角度或者前进一步，因此，步进电机也称脉冲电动机。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速启动、制动和反转。1步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转动一周后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。5步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。6步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。7步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。步进电机控制虽然是一个比较精确的，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制步进电机的运行速度。35步进电机驱动电路步进电机的驱动方式很多，有单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动和集成电路驱动。由于集成电路集驱动和保护于一体，作为小功率步进电动机的专用驱动芯片，使用起来非常方便。在实际应用中,我选择了L298N集成电路芯片作为步进电机的驱动芯片，用L297作为步进电动机控制器。1、L298N的原理L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。如图35所示，它主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图35L298内部原理图2、L297的原理L297芯片如图36所示，该芯片是具有20个引脚的双列直插式塑胶封装的步进电动机控制器包括集成的硬件环形分配器。它可产生四相驱动信号，能用半步八拍和全步四拍等方式驱动单片机控制两相双极或四相单极步进电机。该芯片内部的PWM斩波器允许在关模式下控制步进电动机绕组电流，由于相序信号也是由内部产生的，因此它只需要时钟、方向和模式输入信号便能控制步进电动机，可减轻微处理器和程序设计的负担。L297单片步进电动机控制器集成电路的核心是脉冲分配器，L297还设有两个PWM斩波器来控制线绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩频率特性。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。L297只需从上位机接受方向正反转，模式半步基本步距，时钟步进脉冲3个输入信号。它产生3种相序的信号，对应于3种不同的工作方式半步方式四相八拍；基本步距，单相激励方式单相四拍；基本步距，两相激励方式两相两拍。L297是20脚双列直插式塑料封装，常以5V供电。该单片步进电机控制器集成电路的核心是脉冲分配器，L297还设有两个PWM斩波器来控制绕组电流，实现恒流斩波控制，以获得良好的转矩频率特性，实用于双极两相步进电机或者单极四相步进电机的控制。图36L297内部原理图3、步进电机起动控制速度控制中加/减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大，电机甚至不能克服惯性而失步，加速度太少，则完成指定的运动耗费时间太多，加速度有两中方案线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。前者规定从加速度开始，每一加速度周期指令电机速度递增相同的增量F；后者则是要求每一加速度周期电机走过相同的步数。等步距加/减速度控制的优点，在于加/减过程中电机走的步数可以非常精确的计算，这一点对于加/减的位置控制非常重要，但从电机要克服惯性力来看，线性加速方案好些。调试也方便。线性加/减控制曲线如下图37所示图37线性加速控制曲线4、步进电机的换向控制一般来说，驱动器的输入共有3路，它们是步进脉冲信号CP、方向电平DIR、脱机信号FREE。它们在驱动器内部分别通过限流电阻接入光藕的负输入端，且电路形式完全相同，在这三路输入信号的共同的控制下，驱动器将输入合适的电流来控制步进电机完成指定的操作。另外，驱动器一般有一个接入端OPTO，该端口为三路信号的公共正端。三路输入信号在驱动器内部接成共阳方式，所以OPTO端须接外部系统的VCC，并在需要的情况下加限流电阻R，保证驱动器内部光藕提供合适的驱动电流。步进脉冲信号CP步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置与速度，也就是说驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机一个旋转的步距角，CP脉冲的频率改变则会使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，则可以使步进电机精确定位。方向电平DIR方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向，此端为高电平时，电机一个转向，此端为低电平时，电机转向另外一个方向，电机转相必须在电机停机后进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。脱机电平信号FREE当驱动器上电后，步进电机处于锁定状态（未施加CP脉冲时）或者运行状态（施加CP脉冲时），但当用户想手动调整电机而又不想关闭驱动器电源，这时就可以用到此信号，当此信号起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态，当此信号为高电平时或悬空不接时，取消脱机状态。此信号用户可选用，如果不需要此功能，此端不接即可。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。如图38所示。对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于5S）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向升速三个过程。图38转向信号起作用的时刻5、步进电机的位置控制步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数。电机不丢步数这一控制的实际。就是要求精确地发出定量的步进脉冲。不过不带加/减速控制，位置控制很容易实现的。将发给电机的脉冲，用计数器通道计数，到最后通过CPU停发脉冲就是了。但是这种不带加/减速的位置控制，除非速度特别低，否则会在起停时造成器械冲击、失步。系统的设计思路本设计的目的是实现单片机能同时实现8台步进电机的起/停、转向、加/减速和位置控制。在熟悉好各芯片的性能特点后，接下来就是分配好各芯片的控制任务。图39所示就是该系统的设计框架。如图310所示单片机主要完成脉冲的分配，使步进电机按照设定的方式运转，通过程序设定，从单片机的I/O口输出一系列有规律的脉冲信号；由于直接输出的脉冲信号驱动功率有限，很难直接驱动步进电机运转，所以必须经过驱动器进行脉冲放大，本设计采用的L297与L298N芯片能解决这个问题，它可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机。再利用单片机程序分配好控制字的存储单元，以及相应的内存地址赋值，使单片机能控制步进电机的起停、换向顺序、速度和位置变化。图39系统的设计框架图310L297、L298N与电机的电路设计此电路由一块STC89C51，8块L297、8块L298N、8台二相四拍步进电机器以及相关的电路组成。利用单片机8个并行I/O口的部分引脚（P20P28）连接驱动芯片，各个端口直接与驱动芯片L297直接相连，L297与L298N共用一个5V的电源，输出36V的步进电机驱动电压；L298N的2、3、13、14四个输出引脚直接与一个二相四拍的步进电机相连。以同样的方式，连接另外7台电机的控制电路。在升、降频率过程中，考虑到步进电机的惯性，要求每改变一次频率，需持续运行一定的步数，称频率阶梯步长，采用直线方式，频率阶梯步长的值为常数，由初始启动频率到恒速运行频率的阶梯步长数，称为频率的阶梯数。36电源电路设计图310为本世纪的电源原理图，该电源用220V市电经变压器变压后得到8V和25V的两档交流电。由于在单片机和数字电路中常用5V电源，本电源特别曾设了5V输出，该电源市场上常见的镇流堆来镇流，加上470UF电解电容和01UF瓷片电容作为该电源的整流电路。再采用LM7805，15A，TO220封装集成串联式稳压电源来完成输出5V的直流电源供单片机工作。IN13OUT2GDU3L780512PMHDR1X2470UFC470UFC6104C8104C5D9BRIDGE1D10LE1KR5T1TRANS312P2MHDR1X2470UFC1104CD1BRIDGED12LE051KR6470UFC9F1USEAC20VAC8VAC25VDC5VDC28VGNDGND图311系统电源原理图另一路电源是作为步进电机的驱动电源，所以他需要有一定的功率驱动能力，该路电源同样也采用变压器输出25V的交流电源，进过整流堆的整流，再经大电容的滤波就可以了，因为驱动电源的稳压效果不需要很高，所以没有使用稳压电源。在这基础上该电源还分别加上了LED发光二极管指示灯用来电源工作是否正常。第四章电子选纬机控制器的软件设计在本设计中除了有安全可靠的硬件电路之外还有软件的设计。设计中重要使用51单片机作为核心电路，使用思路清晰的C语言编程，实现了对8台步进电机的控制。在实现这些动作的过程中还要处理通道的选择，输入脉冲信号的处理等。如图41就是本设计的总体流程框图。图41总体流程框图在这个过程之外，该单片机还使用了两个外部中断，用来时刻检测输入的脉冲信号，当检测到脉冲上升沿时相应通道上的步进电机需要正转，当检测到下降沿时相应的步进电机又要实现反转功能，如此循环最终实现整个工作过程。当然在这过程中还有步进电机的脉冲控制等。41开机初始化程序开机初始化是为了在开机时检查各电机通道的电器与机械是否都正常，本设计的自检过程是在开机上电时首先是电路给单片机复位，这是单片机工作的必要条件。等单片机进入正常工作时就为系统进行自检测试。在这时不管是否有信号输入，系统都会分别给每个通道的步进电机发送动作指令，每个通道电机动作20次，最终达到8路通道的电机都自检完毕，同时把电机上的指针定在同一个位置。这样的过程也相当于实现了开机初始化的功能。开机初始化的主要程序如下UNSIGNEDCHARCSXH0/初始化循环次数变量UNSIGNEDCHARCSH0/初始化电机个数变量UNSIGNEDCHARDJZT0/电机状态检测变量UNSIGNEDCHARSN0/动作矢量变量UNSIGNEDCHARSN10/使能信号暂存变量CP0FX0SN0/设置初值MISOUTPUT0X01/设