【《单片机控制的步进电机加工系统硬件设计案例》3600字】

单片机控制的步进电机加工系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27979单片机控制的步进电机加工系统硬件设计案例 186021.1单片机选型 1260041.2电源电路设计 34841.3电机驱动电路设计 449701.4存储模块电路设计 635591.5信号隔离电路设计 71.1单片机选型单片机是由一个CPU、一个程序存储器ROM、一个数据存储器RAM、一个I/O接口电路、一个计时器/计数器、一个串行通信接口、一个中断控制器等主要部件集成成一个微电路。在众多的单片机中，使用最广泛的是8051单片机，由英特尔公司于1981年推出。现在许多新型的单片机也属于8051系列，但是它们在8051单片机的基础上加强了一些功能。1983年是单片机快速发展的时期。在此期间，以MCS-96系列为代表的16位微控制器被发明。16位单片机技术先进，集成度高，允许用户使用专用语言进行生产控制[9]。然而，在16位单片机问世后不久，几家大公司不断地推出具有更高性能和技术卓越的32位单片机。他们有一个非常高的集成水平，并使用新的RISC（减少指令数）。与其他单片机兼容，主频可达300MHz以上，对指令系统进行了进一步优化，运行速度可动态改变，没有高级语言编译器，并具有强大的中断控制系统、事件定时控制系统、并有同步和异步通信控制系统。这种类型的微控制器主要用于汽车，航空航天，先进机器人，军事技术等，并代表了单片机发展的最高水平[10]。单片机自身的各项性能指标在一定程度上决定了它的各种软、硬件特性，其中，单片机具有各自的技术特点，此时便要掌握各种单片机的基本结构和特性。应用单片机的基本原理如下：（1）具有较高的可靠性提高可靠性是使用单片机的重要原则。单片机在人们的生活和工业生产中主要用于自动控制装置，如果系统在某个时候发生故障，轻则造成不便，慢则造成延迟，重则造成整个系统的故障，各方面损失巨大。MCU系统主要应用于工业和民用领域，在整个系统运行过程中，为保证系统的安全运行，需要对MCU系统进行长期稳定的维护。因此，安全性和可靠性成为MCU系统设计中的主要任务。（2）性价比超高系统需要有很高的稳定性和成本控制能力，它要求整个系统达到一定的经济效益。为确保实现的功能具有高可靠性，无需坚持使用GSM和高级部件，可使用8位部件，可尝试不使用16位部件，可使用中间部件，不可使用中间部件。广泛的部件；通过软件可以实现硬件的功能，最大限度地减少零件的数量，从而在一定程度上提高产品的性价比。（3）操作简易，便于维护SCM用户的使用通常是对的，因此在设计时应注意尽量简化用户的操作。尽量不要出现故障，在日常使用中，即使有小故障，也要让维修人员及时发现故障原因，以便能迅速排除故障。（4）可扩展性强随着市场的不断发展，产品更新逐渐加快。管理MCU的目标是不断变化的，管理功能需要不断扩展。虽然设计的单片机系统没有实现这一功能，但在I/O接口的数据存储、程序存储等方面仍有一定的空白，还有扩展空间。本文主要是将STM32F103C8T6单片机作为控制芯片，应用在激光旋转步进电机控制系统中。采用LQF48管脚对STM32F103C8T6进行封装，工作电压2V~1.6V，工作温度40~85摄氏度，采用64kb闪存、8kb静态存储器和2个十位ADC等丰富的外部资源，可以有效地降低本系统的硬件成本，避免对资源的浪费。STM32F103C8T6芯片实物图如图1.1所示。图1.1STM32F103C8T6芯片实物图它的最小系统主要包括STM32单片机，时钟电路，电源管理电路，JTAG电路，复位电路等，其中STM32时钟可通过内部晶振提供或外接时钟电路产生，时钟电路SYSCLK可选择HIS、HSE或PLL作为时钟源。图1.2显示了STM32F103C8T6处理器及其外围电路。图1.2STM32F103C8T6及其外围电路1.2电源电路设计按照步进电机控制系统对激光旋转加工的要求，激光控制接口板采用5V电源电压，由于高压电路中预留了220V电源接口，因此采用12V直流电源适配器将电源电路转换成5V直流输出的方法较为合理。采用MP2359DC/DC转换器设计了一个12V-5V直流电源。电源电路如图1.3所示。图1.3激光控制接口板电源电路图1.3电机驱动电路设计步进电机作为目前国内市场上应用十分广泛的一种控制类型的电机，拥有着控制稳定且较为精准的优点，并且在运行的过程中只存在周期性的误差，不会产生累计误差。其拥有的上述优点得益于其工作原理为在设定了初始转向的情况下每接收到一个脉冲信号步进电机就会转动一定的角度，随着脉冲频率的增加，步进电机的旋转速度增大。尽管步进电机具有其他电机所没有的精确定位功能，但是由于步进电机本身的特点，它还存在失步、噪声大等问题。为解决这些问题，目前常用的是分片驱动法。对步进电机细分驱动而言，其实质是控制励磁线圈内的电流，使其在稳态上升过程中达到稳态中间电流状态，从而使磁场矢量也产生多重稳态中间状态，这一稳态的增加将导致励磁线圈内磁场矢量间的夹角减小，步进电机细分驱动的实质是通过此夹角进行控制。马达在接收到非细分脉冲时，仅在马达接收到1/2度的细分脉冲时，马达才会转动2/2度。为保证激光旋转加工的步进电机驱动芯片的稳定性和整合性，可在150摄氏度的高温下工作，作为步进电机的驱动芯片能耗较小，结构简单，可支持整步、1/2、1/8、1/16细分等细分驱动方式，还可通过配置相应的插头来设置电流衰减方式，并可控制电流值百分比。图1.4步进电机驱动电路原理图步进电机驱动电路原理图如图1.4所示。TB6560驱动IC需要外接5V电源，TQ1和TQ2分别连接STM32F103C8T6步进电机微处理器的PB4和PB5引脚，负责控制电流值的百分比。本文将TQ2设置为0,TQ1设置为1，因此当前值为50%。CLK与步进电机微处理器的PB6引脚相连，负责控制脉冲输入，从而控制电机的角度和速度。ENABLE连接到步进电机微处理器的引脚PB7，负责驱动微电路的开启。RESET连接到步进电机微处理器的引脚PB8，负责驱动微电路的复位。DCY1和DCY2是衰减模式控制引脚。本文将DCY1和DCY2引脚调低，使其工作在慢衰减模式下。M1和M2是细分选择引脚。本文中，引脚M1和M2同时调高，使其以1/8的分段驱动方式运行。在这段时间内，当它接收到1600个脉冲时，电机将只旋转一次。CW/CCW与步进电机微处理器的PB9引脚相连接，分别通过向上或向下拉动实现电机的正旋转或反向旋转。通过对驱动电路的设计和采用分步驱动，初步消除了步进电机自身特性造成的步进损失，降低了步进电机运行不稳定造成的噪声。图1.5施密特反向触发器电路原理图由于驱动IC的工作电压为5V，微处理器的工作电压仅为1.3V，导致微处理器发送的信号不足以驱动TB6560AHQ。为了解决这个问题，本节在它们之间连接一个74HC140施密特逆触发器，以增加信号控制，如图1.5所示。施密特逆触发器可以同时将输入电平信号转换为高电平和低电平，以提高信号的可控性。VCC74HC140芯片连接5V电源。如果A1引脚是1.3V高，Y1引脚输出0低。反之亦然，如果A1引脚输入0V低，Y1引脚输出5V高。添加施密特逆触发器增加了微处理器的控制能力，允许它驱动TB6560AHQ芯片，运行正常稳定。图1.6电机驱动信号输出电路原理图电机驱动信号输出电路原理图如图1.6所示。TB6560AHQ电机驱动IC产生的驱动信号OUT_AM2和OUT_AP2作为A相功率桥输出到步进电机，驱动信号OUT_BM2和OUT_BP2作为B相功率桥输出到步进电机，共同控制步进电机运行。1.4存储模块电路设计（1）主控制器存储模块电路的主控制器需要存储的信息是关于自旋激光加工产品的信息，因此需要存储的数据量比较大。因此，本文选择了三星SDHC作为存储卡，容量为16gb。内存块相关闪存，速度类是第10类，它对应于控制系统用于订单数据的内存容量。当连接到微控制器时，选择SPI模式，如图1.7所示。一共有4条传输线，分别用于SD卡上电、数据输入、数据输出和SD卡定时输入。图1.7SD卡存储模块电路（2）从运动控制器存储模块运动控制器必须存储电机的位移和运动方向等重要信息。上电后，可以随时查看系统状态信息，方便操作。在本文中，选择了Microchip公司的24LC04B芯片来存储光电传感器返回的位置和方向信息。具体的布局如图1.8所示。该芯片属于EEPROM，在使用过程中可以频繁擦除。它保持IIC通信。2根传输线简单，使用方便，适合本文开发的控制系统。图1.8EEPROM存储模块电路1.5信号隔离电路设计考虑到激光回转加工步进电机控制系统必须应用于工业数控加工环境，工业现场环境较为复杂。当控制对象工作时，不仅有各种外部干扰信号，还有来自其他系统的高压信号。这将直接影响控制系统的正常运行，如果不进行隔离，甚至会导致控制器组件瘫痪，系统无法使用。因此，为了防止人机界面、步进电机驱动器、光栅条等界面对控制器产生干扰，开发了一种光电耦合电路，实质上是将控制器的内部电路与外围电路连接起来。通过光伏连接器。其他系统是隔离的，以保护电路。光耦合器是实现隔离的关键器件。它不仅能转换电压电平，还能提供外部干扰信号的隔离，具有较强的抗干扰能力。根据本文对系统设计的要求，选用光耦6N137和TLP250进行电路设计。采用6N137光耦作为外输入信号隔离电路的主器件，具有信号转换率高、耐压高的特点。它将一些超过1.3V的外部高电平按钮输入电压转换