【《激光旋转加工步进电机控制系统的硬件和软件设计案例》5500字】

激光旋转加工步进电机控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8460激光旋转加工步进电机控制系统的硬件和软件设计案例 121771激光旋转加工步进电机控制系统硬件设计 1117281.1单片机选型 1266361.2电源电路设计 3172331.3电机驱动电路设计 4149181.4存储模块电路设计 718081.5信号隔离电路设计 8265962激光旋转加工步进电机控制系统软件设计 1069722.1主程序设计 10157232.2中断程序设计 11105422.3串口通讯程序设计 1366902.4电机驱动程序设计 141激光旋转加工步进电机控制系统硬件设计1.1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。在目前，许多新型单片机属于8051系列，但与8051单片机不同的是他们在8051单片机的基础上改进了一些功能。单片机迅速发展的时期为1983年。在此期间，以MCS-96系列单片机为代表的16位微控制器应运而生。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，具有更高性能的32位单片机被大公司不断地推出。非常高的集成水平被装在他们之上，并使用新的RISC（减少指令数）。兼容了市面上其它的单片机们，主频可达300MHz以上，指令系统被生产厂家进行了进一步优化，可以动态改变他们的运行速度，一些高级的语言编译器被从之上删除，强大的中断控制系统被安装、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]。单片机自身的各种性能指标在一定程度上就决定了它的各种软、硬件特性，在这种情况下，每种类型的单片机都有其不同的技术特点，这就要求我们掌握单片机的基本结构和特点。单片机应用主要有以下原则：（1）具有较高的可靠性高可靠性是单片机应用的主要原则。单片机主要应用于人们的生活和工业生产中一些自动控制装备中，如果在任何一个时刻，系统出现问题，轻的话是只是造成工作上的不便，耽误了时间，而严重的话则是造成整个系统瘫痪，各方面的损失惨重。与一些单片机系统一样，主要用于工业和民用的实时控制，在整个系统工作的时间很长的情况下，就要求单片机具有很好的稳定性才能保持整个运行过程中的安全。因此，在这种条件下，安全可靠性就成为了设计单片机系统的第一要务。（2）性价比超高需要高稳定性，但成本必须保持在较低水平，系统的整体经济性必须保持在一定水平。保证功能的实现和可靠性高的情况下，不必坚持GSM和高级组件，可以使用8位的机器，尽量不需要16位的机器，可以使用中间齿轮，尽量就不需要高档机；可以用软件实现不要用做硬件的功能，尽量减少组件的数量，这样就可以在一定层度上使性价比得到提高。（3）操作简易，便于维护一般使用单片机的用户都是非专业的人员，所以在设计时，要注意用户的操作尽量简便。在日常使用中尽量不要发生故障，即使出现小故障也要让维护人员可以及时发现故障原因，使故障得到迅速的排除。（4）可扩展性强随着市场的快速发展，产品更新速度逐渐加快，单片机的管理对象在不断变化，管理所需的功能也在不断扩展。设计控制单片机系统时，该功能是不可用的，但在I/O接口、数据存储器、程序存储器等方面存在一定的空白，还有扩张的空间。综上所述，本文主要选取STM32F103C8T6单片机作为激光旋转加工步进电机控制系统的核心控制芯片。STM32F103C8T6采用LQF48引脚封装，工作电压2V~1.6V，工作温度为-40℃~85℃，具有64kb闪存、8kb静态内存、2个十位ADC等丰富的外设资源，可以有效减少本系统设计的硬件成本，避免资源浪费，如下图1.1，是STM32F103C8T6芯片的实物图。图1.1STM32F103C8T6芯片实物图STM32单片机的最小系统主要由STM32单片机、时钟电路、电源管理电路、JTAG电路和复位电路组成，STM32时钟可以由内部晶体振荡器提供，也可以由外部时钟电路产生，SYSCLK时钟电路可以选择HSI，HSE或PLL作为时钟源。STM32F103C8T6处理器及其外围电路如图1.2所示。图1.2STM32F103C8T6及其外围电路1.2电源电路设计根据激光旋转加工步进电机控制系统要求，激光控制接口板采用5V电源电压，由于强电电路预留有220V电源接口，采用12vdc适配器通过电源电路产生5vdc是合理的，设计了基于mp2359dc/dc变换器的12v-5v直流电源转换电路。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广泛使用的控制型电机，具有控制稳定、精确的优点。在计算过程中，只有周期误差，没有累积误差。由于其工作原理，它具有以下优点：当设定初始方向时，步进电机每次接收到脉冲信号都会旋转一定角度。随着脉冲频率的增加，步进电机的速度会加快。虽然步进电机具有其他类型电机所不具有的精确定位功能，但步进电机由于自身的特点也存在一些问题，如失步、噪音等。目前常用细分驱动的方法来解决这类问题。对于步进电机的细分驱动，实际上是控制励磁绕组中的电流，使稳态上升过程中的电流得到多个稳定的平均电流状态，场矢量也产生多个中间状态。随着磁场矢量状态的增加，磁场矢量之间的夹角越来越小。步进电机的步进角度基本由这个角度控制，所以步进电机步进角度的减小也意味着步进电机的步进角度逐渐减小。此外，该方法还实现了细分驱动。如果电机在没有细分的情况下接收到脉冲时旋转2度，那么在采用半细分的情况下，在接收到相同的脉冲时只会旋转2/2度或1度。为了实现对步进电机更精确的控制，本文选用TB6560AHQ作为激光旋转加工步进电机的驱动芯片。驱动芯片具有很高的稳定性和集成度，可以在150摄氏度的高温下运行。作为步进电机驱动芯片，能耗低，结构简单，支持全步进、1/2、1/8、1/16细分等细分驱动方式。它还可以通过相应引脚的配置来设置电流衰减模式，并且可以进行控制电流值的百分比。图1.4步进电机的驱动电路原理图步进电机驱动电路原理图如上图1.4所示，TB6560驱动芯片需要外接5V电源供电，其中TQ1、TQ2分别连接步进电机微处理器STM32F103C8T6的PB4与PB5引脚，负责控制电流值的百分比。本文将TQ2置0，将TQ1设置为1从而使电流值为50%。CLK连接到步进电机微处理器的PB6针脚，以控制脉冲输入，从而控制电机的角度和转速。ENABLE连接到步进电机微处理器的PB7针脚，负责激活驱动芯片。复位连接到步进电机微处理器复位驱动芯片，RESET连接步进电机微处理器的PB8引脚，负责驱动芯片的复位工作。DCY1与DCY2为衰减方式控制引脚，本文将DCY1与DCY2引脚都设置为低电平，使其工作在慢衰减模式。M1与M2为细分数选择引脚，本文将M1与M2引脚同时设置为高电平，使其工作在1/8细分的驱动方式，此时电机接收到1600个脉冲才会旋转一周。CW/CCW连接步进电机微处理器的PB9引脚，通过将其拉高或者拉低分别实现电机的正转或者反转。通过对驱动电路的设计以及细分驱动的应用初步解决了步进电机由于自身特性导致的丢步问题并且减小了步进电机运行时由于不平稳而产生的噪音。图1.5施密特反向触发器电路原理图由于驱动芯片的工作电压为5V，而微处理器的工作电压仅为1.3V，因此微处理器的信号不足以驱动TB6560AHQ芯片。为了解决这个问题，在它们之间连接了一个74HC140施密特反向触发器。从而提高了信号的驱动能力。如上图1.5所示。施密特反向触发器可以将输入的电平信号进行高低转换同时可以增强信号的驱动能力，74HC140芯片VCC连接5V电源进行供电，若A1引脚输入1.3V高电平，Y1引脚将输出0V低电平，相反若A1引脚输入0V低电平，Y1引脚将输出5V高电平，施密特反向触发器的加入增强了微处理器的驱动能力，使其能够驱动TB6560AHQ芯片正常稳定工作。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上图1.6所示，电机驱动芯片TB6560AHQ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驱动步进电机的运行。1.4存储模块电路设计（1）主控制器存储模块电路主控制器需要存储的信息是激光旋转加工产品的信息，因此存储数据容量较大，鉴于此本文选用了一款三星的容量为16GB的SDHC存储卡作为存储单元，其属于FLASH存储器，速度等级为class10，满足控制系统对订单数据的存储容量。文中在与单片机连接时，选用SPI模式，如图1.7所示。共有4根传输线，分别用于SD卡的使能、数据的输入、数据的输出以及SD卡时钟的输入。图1.7SD卡存储模块电路（2）从运动控制器存储模块从运动控制器需要对电机位移和电机运动方向等重要信息进行存储，上电后可以随时看到系统位置状态信息以方便操作。本文选用Microchip公司的24LC04B芯片来记忆光电传感器反馈上来的位置方向信息，具体电路如图1.8，该芯片属于EEPROM，在使用过程中可频繁地擦写，支持IIC通信，仅有2根传输线，简单易用，适合本文设计的控制系统。图1.8EEPROM存储模块电路1.5信号隔离电路设计考虑到激光旋转加工步进电机控制系统要应用于数控加工的工业环境，工业现场环境比较复杂，控制对象在运转时，不仅有外界的各种干扰信号，还有来自于其他系统的高电压信号等会直接影响控制系统的正常运行，如若不加以隔离处理，甚至会造成控制器的元器件烧毁，系统无法使用。对于此，本文为了防止人机交互界面、步进电机驱动器、光栅尺等接口对控制器造成干扰，进行了光电耦合电路的设计，其实质上是通过光电耦合器把控制器的内部电路与外围的其他系统隔离开来，保护电路。光电耦合器是实现隔离的关键器件，它既可以实现电压电平的转换，又能实现对外界干扰信号的隔离，具有较强的抗干扰能力。根据系统设计需求，本文选择了6N137和TLP250光耦芯片进行电路的设计。6N137型光耦作为外部输入信号进行隔离电路设计的核心器件其具有信号转换速率快，可耐电压高的特点。它将外部的一些按键式输入的高电平超过1.3V的电压转换为单片机管脚需要的1.3V电压，其具体电路如图1.9。图1.9输入信号光电耦合电路TLP250光耦是控制器输出信号隔离电路设计的核心部件，将单片机输出的1.3V控制信号转换为24V控制信号，驱动步进电机驱动器。其电路如图1.10。隔离电压达到2500V，系统运行时限制系统速度，对系统的速度有一定的限制，控制信号传输频率不超过100kHZ，装置转换率可达2Mbit/s，满足系统信号输出要求。图1.10输出信号光电耦合电路

2激光旋转加工步进电机控制系统软件设计2.1主程序设计完成系统运行环境各模块的初始化是激光旋转加工步进电机控制系统主程序的主要功能，其中主要包括初始化系统时钟。本文采用的系统工作频率为48mhz；对ADC模块初始化，本文将ADC模块的工作模式改为自动转换扫描，4个采样通道，时钟由系统时钟产生；PWM产生模块进行初始化，主要设置PWM工作模式，控制输出和周期。初始化UART串口通信，设置发送和接收端口、波特率等参数[11]。除此之外，还包括获取主机信息、读取拨码开关参数、中断软呼叫等功能。初始化后，激活CCU8中的计时器。在主程序中，调用相应的串行通信函数，对上位机传输的信息进行处理，判断是否对中断有响应。图2.1主程序流程图2.2中断程序设计激光旋转加工步进电机控制系统的软件控制算法主要由主程序和中断程序实现。PWM中断程序会实现本文的主要功能，如速度计算、闭环控制算法、两相SVPWM控制等功能；其程序的流程图如图5-6。主要包括以下几个部分:坐标变换，将两相步进电机采样后得到的两相电流，通过坐标与两相步进电机在旋转坐标系中转换为正交轴电流。电机的正交轴在旋转坐标系下。通过坐标将电压转换回实际电压;闭环控制算法:比较参考转速与所得到的实际反馈转速，在速度控制器之中写入，把它的输出作为定子电流与采样后的交轴分量进行坐标变换。将当前差值输入当前控制器;SVPWM的两相算法就是将两相SVPWM模块里面输入实际电压，将得到的PWM占空比输出，为了可以控制两相步进电机的运行，就要并实时改变占空比[12]。图2.2PWM中断程序流程图图2.3闭环控制算法流程图ADC中断主要负责对电机相电流和母线电压的采样后的模数转换和坐标变换。图2.4AD中断程序流程图2.3串口通讯程序设计本文使用的串口通讯是基于Modbus-RTU通讯协议下的，图2.5为其数据帧处理的流程图。图2.5通信数据处理流程图2.4电机驱动程序设计（1）步进电机闭环反馈的精确控制在步进电机软件设计的过程中，通过采用定时器控制PWM脉冲的数量以及频率实现对步进电机的精确控制，改进后的加工阶段速度示意图如下图2.6所示。图2.6加工阶段速度示意图如图所示，本文将一次完整的加工动作大体划分为5个阶段：1.起步：为了减少丢步现象，电机在启动过程应该缓慢加速。2.平稳加速：在未接触到工件之前，为防止与工件发生激烈碰撞，加速较为平稳。1.急剧加速：在接触到工件后，为了提高整体加工速度，进入急剧加速阶段。2.高速运行：在加速阶段结束后，进入速度较高的运行阶段。5.急剧减速：为了避免造成较大噪音以及波动，所以急剧减速，降低步进电机的运行速度[13]。通过软件编程实现了对步进电机不同运