三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　院 系：機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 班：電氣工程及其自動(dòng)化1004班</p><p><b>　　姓 名： </b></p><p>　　學(xué) 號(hào)：20101131179</p><p>

2、;<b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p><b>　　2014年5月</b></p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器</p><p><b>　　的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　The Design of Three-phase</p>&

3、lt;p>　　Hybrid Stepping Motor Subdivision Drive</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　作為一種常用的開環(huán)控制執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)脈沖控制一般分為整步，半步，和細(xì)分三種工作方式。由于整步和半步方式易導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)工作出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，且噪聲大，效率低，故細(xì)分驅(qū)動(dòng)已成為步進(jìn)電機(jī)脈沖控制的主流。本文正是以

4、三相混合式步進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)已有細(xì)分驅(qū)動(dòng)采用專用驅(qū)動(dòng)器帶來的成本高，檔位少，且控制不夠靈活等問題，提出一種基于分離器件設(shè)計(jì)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：</p><p>　　在對(duì)三種步進(jìn)電機(jī)分類比較的基礎(chǔ)上，討論了步進(jìn)電機(jī)的幾種常用驅(qū)動(dòng)電路。重點(diǎn)分析并探討了三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，針對(duì)目前三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀，提出結(jié)合正弦細(xì)分和恒流斬波控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案。</p>&

5、lt;p>　　分析了三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，完成了細(xì)分驅(qū)動(dòng)的逆變電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，完成了細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中，硬件設(shè)計(jì)主要包括微處理器最小系統(tǒng)，電源模塊，信號(hào)輸入及調(diào)理單元，電流采樣及PI電流調(diào)節(jié)單元，PWM調(diào)制及三路功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)主要包括上位PC機(jī)軟件和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)完成三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器細(xì)分參數(shù)的生成，并

6、基于串行通信實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的參數(shù)設(shè)置和控制；下位機(jī)基于Keil C語言平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的控制算法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分 單片機(jī) PWM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As a commonly used open-loop control actuator, the p

7、ulse control of stepper motor is generally divided into full step, half step, and subdivision driver three ways of working. As full step and half step easily lead stepper motor oscillation and noise, low efficiency, the

8、subdivision division drive has become the mainstream way of the stepper motor pulse control. This article mainly study three-phase hybrid stepping motor, but the equipment is usually expensive, and only has a few stalls,

9、 and not</p><p>　　Based on the researching the kinds of stepper motor, we discuss several ways of control. We mainly discuss the subdivision division of three-phase hybrid stepping motor. And make a project

10、to design a good equipment to make the stepper motor work well.</p><p>　　Give Three-phase hybrid stepping motor subdivision driver design requirements, and completed of the subdivision drive inverter circuit

11、 topology design. Complete hardware design and software design. Including microprocessor system, power supply module, the signal input and conditioning unit, current sampling and PI current regulator unit, PWM modulation

12、 and three-way power driver circuit design, hardware design.</p><p>　　Software design includes PC software and MCU software design. The program used to computer subdivision drive parameters, communicated wit

13、h MCU by serial. And the MCU software control the hardware system.</p><p>　　Key words: stepper motor subdivision microcontroller PWM</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b

14、>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1 基于三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器綜述2</p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義2</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

15、2</p><p>　　1.3 課題研究應(yīng)解決主要問題即基本理論依據(jù)3</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案4</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖4</p><p>　　2.2 微控制器控制電路5</p><p>　　2.3 電源模塊6</p&

16、gt;<p>　　2.4 三路功率驅(qū)動(dòng)電路6</p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)7</b></p><p>　　3.1 硬件電路框圖7</p><p>　　3.2 微處理器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.

17、3.1 電源需求分析10</p><p>　　3.3.2 EMI濾波器設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.3.3 反激電源設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.4 PWM及三相驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.4.1 PWM電路16</p><p>　　3.4.2 三相驅(qū)動(dòng)電路20</p

18、><p>　　3.5 電流采樣及PI調(diào)節(jié)電路22</p><p>　　3.5.1 電流采樣電路22</p><p>　　3.5.2 PI調(diào)節(jié)電路24</p><p>　　3.6 信號(hào)接口電路25</p><p>　　3.6.1 電流設(shè)定和細(xì)分檔位設(shè)定25</p><p>　　3.

19、6.2 外部脈沖輸入電路26</p><p>　　3.6.3 PC通信接口電路27</p><p>　　3.6.4 兩路正弦信號(hào)28</p><p>　　3.7 保護(hù)電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.7.1 欠壓保護(hù)30</p><p>　　3.7.2 過流保護(hù)30</p>&

20、lt;p>　　3.7.3 過溫保護(hù)31</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.1 上位機(jī)圖形界面設(shè)計(jì)32</p><p>　　4.1.1 細(xì)分參數(shù)生成軟件部分32</p><p>　　4.1.2 串口通信部分34</p><p>　　4.2 KEIL軟件編寫部分

21、37</p><p><b>　　結(jié)論39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種

22、很簡(jiǎn)易方便的位置控制型器件，可以加反饋裝置作精確控制，也可以不使用任何反饋裝置就能達(dá)到比較好的位置控制精度。該類電機(jī)可以將脈沖性質(zhì)的方波電信號(hào)轉(zhuǎn)換為圓形角度位移或者線性距離位移的被控型元件。步進(jìn)電機(jī)有很多特點(diǎn)，最常見的是在正常工作的狀態(tài)下，其每次運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)的停止位置可以很好通過計(jì)算給定的脈沖的方波電信號(hào)數(shù)目和方向來計(jì)算獲??；該類電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度與轉(zhuǎn)速也可以通過給信號(hào)的控制方向、脈沖的方波電信號(hào)的給出頻率來計(jì)算；還有當(dāng)其外部帶動(dòng)的負(fù)載大

23、小出現(xiàn)變化時(shí)，以上提及的幾個(gè)特點(diǎn)不會(huì)受到影響。每個(gè)步進(jìn)電機(jī)在設(shè)計(jì)完成之后都會(huì)有一個(gè)固定的參數(shù)，就是在整步工作狀態(tài)時(shí)，每接收到一個(gè)脈沖的方波電信號(hào)，其都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（有一些直線步進(jìn)電機(jī)是改變的線性位移），這個(gè)固定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度稱之為步進(jìn)電機(jī)的“步距角”。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)最早的雛形誕生時(shí)期和柱塞泵發(fā)明時(shí)期一樣。但是步進(jìn)電轉(zhuǎn)動(dòng)速度遠(yuǎn)不及現(xiàn)在其他類型的電機(jī)，在一些高速控制的地方效果不好，拖動(dòng)負(fù)載的能力也

24、比不上其他類型的電機(jī)。但是步進(jìn)電機(jī)具有很好的位置控制功能，很多非電類專業(yè)的人員只需要買回步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器就能組建一個(gè)很好的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)工作的驅(qū)動(dòng)方式有多種，如整步驅(qū)動(dòng)、半步驅(qū)動(dòng)、平滑驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。在整步驅(qū)動(dòng)和半步驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子每相繞組線圈的電流變化大，容易出現(xiàn)振蕩、噪聲大的現(xiàn)象，而且步距角的分辨率不高，控制精度低。平滑的工作方式并不能精確控制步進(jìn)電機(jī)的

25、每相電流，只是把每相電流的變化率降低很多，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)一點(diǎn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)后的每相電流是呈離散的正弦曲線變化的。采用細(xì)分控制以后不但不會(huì)引起電機(jī)的力矩下降，恰恰相反會(huì)使等效力矩有所增加。</p><p>　　1 基于三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器綜述</p><p>　　1.1 課題研究的目的和意義</p><p>　　現(xiàn)階段在市場(chǎng)上廣泛銷售使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并未

26、能很好解決步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角大、振蕩、失步等缺點(diǎn)，而且不能很好的根據(jù)客戶需求改變，有的時(shí)候只能降低設(shè)計(jì)指標(biāo)，為了滿足更多特殊需求，有必要自己開發(fā)一款步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，這樣可以更具需求來快速的改變方案，做出滿足要求的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一款新的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，使用MCU單片機(jī)、一片雙路輸出的DA芯片、驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路等來構(gòu)成恒流正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，這樣成本低，使用效率高。可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角精確控制這一目的，并具有欠壓、過熱、過壓等保護(hù)

27、，提高驅(qū)動(dòng)器使用壽命。可通過撥碼開關(guān)來設(shè)置電流大小和多檔細(xì)分，能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定可靠，提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)最開始是由科學(xué)家在美國(guó)增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上發(fā)表和提出。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的最初設(shè)計(jì)是對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子每相繞組線圈的電流的控制，主要采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，多個(gè)晶體功率管并聯(lián)，單個(gè)晶體

28、功率管控制一種電流的調(diào)控，多個(gè)晶體管的開通和關(guān)斷組合成多種電流，通過這樣的方式來實(shí)現(xiàn)線圈電流的調(diào)控。隨著現(xiàn)代數(shù)字集成IC的發(fā)展，微控制器技術(shù)日益成熟，單片機(jī)和DSP之類的大規(guī)模集成IC被廣泛使用，步進(jìn)電機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面開始使用這些可編程芯片，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路硬件方面的設(shè)計(jì)，縮小了控制系統(tǒng)的體積，降低了成本，同時(shí)進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的高度智能化和細(xì)分定位精度，從而使正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了很好的推廣。</p><p&

29、gt;　　我國(guó)在步進(jìn)電機(jī)的研究和應(yīng)用方面起步很晚，由于國(guó)外技術(shù)的封鎖，我國(guó)的控制技術(shù)和現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)都比較以內(nèi)自主研發(fā)，相比發(fā)達(dá)國(guó)家也非常落后[14]。50年代后期到60年代后期，步進(jìn)電機(jī)主要是我國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)和高等院校做研究和設(shè)備裝置而采用。70年代初期，我國(guó)在步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和研究方面才有所突破和發(fā)展，在步進(jìn)電機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)方面也有了很大進(jìn)步與提升。70年代中期到80年代中期，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)和研究工作也發(fā)展到較高水平。九十

30、年代中期，我國(guó)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)做了大量研究，各種混合式步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器被廣泛應(yīng)用和推廣。國(guó)內(nèi)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)在九十年代中期得到了較大發(fā)展，主要應(yīng)用在工業(yè)、航天、機(jī)器人、精密測(cè)量等領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、跟蹤衛(wèi)星用光電經(jīng)緯儀中采用了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，大大提高了控制與測(cè)量精度。</p><p>　　國(guó)內(nèi)有很多步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)廠商，如四海步進(jìn)電機(jī)，就能很好的提供驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)，還有白云步進(jìn)電機(jī)。國(guó)內(nèi)在步進(jìn)電機(jī)控制領(lǐng)域中，雷賽科

31、技申請(qǐng)了大量專利，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品安全可靠，并大量的銷售國(guó)外，在步進(jìn)電機(jī)控制領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)執(zhí)牛耳的公司。上海運(yùn)控也是我國(guó)最為專業(yè)的步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)商，并研發(fā)了兩相步進(jìn)電機(jī)專用的芯片TL206，該芯片使用兩相步進(jìn)電機(jī)，和四相步進(jìn)電機(jī)，電流可設(shè)定，并可以外置拓展功率管，使用更加方便。</p><p>　　1.3 課題研究應(yīng)解決主要問題即基本理論依據(jù)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的電機(jī)，使用

32、簡(jiǎn)單方便。由于市場(chǎng)上的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)通用，但是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境太為復(fù)雜，供電波動(dòng)大，很多細(xì)分驅(qū)動(dòng)器會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，而且容易出現(xiàn)失步現(xiàn)象，有必要結(jié)合現(xiàn)有的軟硬件資源，研究一款實(shí)用方便穩(wěn)定可靠的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，使其具有市面上普通驅(qū)動(dòng)器的有點(diǎn)，并能有所改進(jìn)，使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更為穩(wěn)定可靠，提高精度，并可自定義配置開發(fā)新的平臺(tái)，這是本項(xiàng)目的意義所在。本課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：</p><p>　　（1） 研究三相混合式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)原理，以及

33、細(xì)分工作原理等。并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理設(shè)計(jì)一套方案并實(shí)現(xiàn)，制作一套三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。</p><p>　?。?） 根據(jù)三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)滿足要求的硬件，包括電源設(shè)計(jì)、信號(hào)接口電路、三路正弦信號(hào)產(chǎn)生電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、閉環(huán)電路、PWM波電路、采樣電路、保護(hù)電路等。</p><p>　?。?） 最后對(duì)研究與實(shí)驗(yàn)過程做以詳細(xì)的敘述，總結(jié)了在研究中遇到的問題和采取

34、的解決方法，以及后期對(duì)該設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見等。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，比如整步、半步、細(xì)分驅(qū)動(dòng)。其中以細(xì)分方案最優(yōu)，但是控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。三相混合式步進(jìn)電機(jī)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以等效為一種特定的三相同步電機(jī)。這款步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)

35、器具有市面上普通驅(qū)動(dòng)器都具有的特點(diǎn)，還將實(shí)現(xiàn)總線控制，PC軟件配置等。</p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)也有多種方式，比如恒壓正弦驅(qū)動(dòng)和恒流正弦驅(qū)動(dòng)。三相恒壓正弦驅(qū)動(dòng)輸出給定的三相正弦變化電壓，采樣回路采集三相輸出電壓并和給定電壓進(jìn)行誤差放大比較，輸出占空比可調(diào)的PWM波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，達(dá)到恒壓驅(qū)動(dòng)。三相恒流正弦驅(qū)動(dòng)輸出給定的三相正弦電流，采樣回路采集三相輸出電流并和給定電壓進(jìn)行誤差放大比較，輸出占

36、空比可調(diào)的PWM波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，達(dá)到恒流斬波。由于三相混合式步進(jìn)電機(jī)每相繞組性能都不是很一致，采用恒壓斬波時(shí)容易出現(xiàn)相繞組電流不對(duì)稱，而且反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)耦合到相電壓中，即使有時(shí)給定電壓不能很好的達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)效果，采用恒流斬波就可以很好的消除這樣影響，在設(shè)計(jì)三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)采用恒流斬波。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖</p><

37、;p>　　由上圖2-1可知，三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器主要包括電源模塊，外置信號(hào)輸入電路，微處理器控制電路，欠壓過溫過流檢測(cè)報(bào)警電路，兩相電流采樣電路和三路PI電流調(diào)節(jié)電路，PWM調(diào)制電路，三路功率驅(qū)動(dòng)電路。其基本工作原理是，系統(tǒng)在上電以后，電源模塊輸出多路滿足要求的電壓給弱電部分供電，同時(shí)也給強(qiáng)電部分供電，欠壓保護(hù)電路將會(huì)先對(duì)供電電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果供電電壓太低，將會(huì)輸出欠壓保護(hù)信號(hào)，并禁止功率驅(qū)動(dòng)部分電路工作。微處理器控制電路在外

38、置信號(hào)的作用下工作，輸出可程控的離散正弦給定信號(hào)給三路PI調(diào)節(jié)電路作為參考信號(hào)，與電流采樣電路反饋回來的電流信號(hào)進(jìn)行比較輸出誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過PWM調(diào)制電路輸出多路PWM信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過三路功率驅(qū)動(dòng)電路以后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣來完成步進(jìn)電機(jī)恒流細(xì)分。由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)過流現(xiàn)象，過流信號(hào)經(jīng)過欠壓過溫過流檢測(cè)報(bào)警，輸出過流信號(hào)，直接關(guān)斷PWM調(diào)制電路的輸出，迅速降低，并輸出過流報(bào)警信號(hào)，直至過流警告解除。同時(shí)由于系統(tǒng)在工作時(shí)，會(huì)發(fā)熱等現(xiàn)象

39、，欠壓過溫過流檢測(cè)報(bào)警電路的過溫部分對(duì)系統(tǒng)發(fā)熱量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)過溫信號(hào)，將會(huì)關(guān)閉拉低輸出電流甚至禁止來保護(hù)系統(tǒng)。</p><p>　　這里我們對(duì)系統(tǒng)中幾個(gè)主要的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和討論，包括微控制器控制電路、電源模塊、三路功率驅(qū)動(dòng)電路。</p><p>　　2.2 微控制器控制電路</p><p>　　在設(shè)計(jì)微控制器控制電路時(shí)，本文考慮過多款MCU和多種電路結(jié)構(gòu)，主

40、要考慮性能穩(wěn)定、出貨量大、成本低等特點(diǎn)，并不一味的講究采用高性能的微控制器來提高系統(tǒng)性能。該電路主要接受外部脈沖信號(hào)，電平信號(hào)和RS232信號(hào)等。在整個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通信和外部的輸入的脈沖或電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三路PI電流調(diào)節(jié)電路給定量的刷新，和接受欠壓過溫過流保護(hù)信號(hào)，并控制報(bào)警電路的顯示，不算很復(fù)雜的控制，可以考慮采用低端的51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。這里我們采用AT89S52單片機(jī)作為主控。整個(gè)系統(tǒng)，每工作一次，都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，并

41、達(dá)到一個(gè)相位角，如果斷電以后，系統(tǒng)從0相位角啟動(dòng)，而電機(jī)初始相位角不在0，則會(huì)出現(xiàn)電機(jī)第一步運(yùn)行角度過大的現(xiàn)象，我們考慮加入一個(gè)EEPROM芯片來存儲(chǔ)斷電前的相位關(guān)系進(jìn)行保護(hù)。</p><p><b>　　2.3 電源模塊</b></p><p>　　整個(gè)電路再設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮電源模塊的特性。該電源模塊的工作電壓范圍寬，供電電壓從AC交流80V-220V，甚至必須承

42、受電網(wǎng)電壓10%左右的波動(dòng)，還需要考慮系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)電路對(duì)外界電子系統(tǒng)的影響，需要加入EMI濾波部分。同時(shí)由于系統(tǒng)供電范圍寬，如果采用線性穩(wěn)壓芯片，采用最高電壓為12V芯片，則需要從AC交流80V-220V用變壓器降壓整流以后滿足供電要求的范圍為14-36V，而實(shí)際變壓整流以后，范圍為14-42V，不符合要求，而且從36V降到12V采用線性穩(wěn)壓芯片，效率低，發(fā)熱量大，我們考慮采用開關(guān)電源來設(shè)計(jì)電源模塊。</p><p

43、>　　2.4 三路功率驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　功率驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定可靠，在整個(gè)系統(tǒng)中尤為重要，由于我們的系統(tǒng)采用的是低端的單片機(jī)，不采用數(shù)字可靠的PWM生成電路，不能實(shí)現(xiàn)軟件死區(qū)，我們考慮采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間調(diào)控。IR公司的集成驅(qū)動(dòng)芯片可以實(shí)現(xiàn)懸浮驅(qū)動(dòng)，低壓供電，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率橋部分實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，但是需要注意的是，IR公司的芯片不具有負(fù)偏壓，一般建議選擇IR公司自己的功率管，我們選擇的GP4062管。&

44、lt;/p><p><b>　　3 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 硬件電路框圖</p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器方案的擬定和調(diào)試參考了網(wǎng)絡(luò)和期刊論文數(shù)據(jù)方面的很多文獻(xiàn)，我們對(duì)這些方案做了細(xì)致的研究與分析，經(jīng)過多個(gè)軟件對(duì)電路的仿真測(cè)試，以及多版電路的調(diào)試總結(jié)，最后終于完成了一版具有如下功能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，這里我們?cè)诤?/p>

45、文中對(duì)這些模塊電路分別予以描述和解析。系統(tǒng)硬件框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　該方案是系統(tǒng)第二版調(diào)試時(shí)所提出的要求和方案結(jié)構(gòu)圖，實(shí)際過程中為了快速調(diào)試，我們改進(jìn)了一些調(diào)試方法，會(huì)有少量的電路修改，或者是為了更好的調(diào)試我們加入了其他的功能模塊，真實(shí)的設(shè)計(jì)以樣機(jī)為準(zhǔn)。</p><p>　　同時(shí)本論文中，主要以步進(jìn)電

46、機(jī)細(xì)分工作原理進(jìn)行研究和分析，并采用電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，是一篇介紹電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)選取的論文，主要是做基礎(chǔ)的研究與分析，實(shí)用參考意義很大。</p><p>　　3.2 微處理器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　在本項(xiàng)目中采用的控制芯片為51單片機(jī)，是Atmel公司的At89s52芯片，主要是考慮手上有這樣的芯片和編程器，而且成本低，后期設(shè)計(jì)可以采用增強(qiáng)型的51單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。At8

47、9s52單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 At89s52單片機(jī)的最小系統(tǒng)</p><p>　　At89s52單片機(jī)資源有限，只能處理數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部資源有限。該信號(hào)單片機(jī)的接口主要有晶體振蕩器部分，一個(gè)能全雙工通信的串口，還有兩個(gè)定時(shí)器，以及四組普通的I/O端口，當(dāng)然也可以用總線功能?，F(xiàn)在的MCU一般不再使用老式的總線功能，以前可以供選擇的MCU過少，需要采

48、用簡(jiǎn)單的芯片完成復(fù)雜的功能，通常一個(gè)端口要分時(shí)完成多種功能。比如At89s52單片機(jī)的P0和P2端口既是地址總線，又是數(shù)據(jù)總線。At89s52單片機(jī)有一個(gè)多功能端口，在P3端子上，可以實(shí)現(xiàn)全雙工串口通信，兩個(gè)外部中斷輸入控制，以及兩個(gè)定時(shí)器輸出端子或者是兩個(gè)計(jì)數(shù)器外部輸入端子。</p><p>　　單片機(jī)正常工作都是在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下作用的，我們的系統(tǒng)時(shí)鐘采用12MHz，這時(shí)At89s52的一個(gè)振蕩頻率為12MH

49、z，一個(gè)機(jī)器周期對(duì)應(yīng)的頻率為1MHz，一般執(zhí)行一條指令需要一個(gè)及一個(gè)以上的指令周期。由于At89s52沒有內(nèi)部晶振，同時(shí)也沒有集成的數(shù)字鎖相環(huán)，一般考慮設(shè)計(jì)為12MHz時(shí)，需要添加一個(gè)晶振。當(dāng)今科技發(fā)展，晶振也有兩種可以選擇的方案，一種是無源晶振，這種晶振不需要供電；還有一種是有源晶振，需要供電。有源晶振內(nèi)部集成了振蕩電路和石英晶體。但是有源晶振一般單價(jià)遠(yuǎn)高于無源晶振。At89s52內(nèi)部具有振蕩發(fā)生器，其實(shí)低端的芯片內(nèi)部正當(dāng)發(fā)生器就是一

50、個(gè)非門。當(dāng)一個(gè)非門輸入和輸出兩端連接一個(gè)無源晶振以后，便構(gòu)成了一個(gè)振蕩電路，同時(shí)為了更快的起振，一般需要在晶振兩邊接上匹配電容。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中也有很多巧妙的地方，比如P0端口的P0_0、P0_1、P0_2、P0_3是與CPLD芯片相連接，但是At89s52芯片采用5V供電，而且為了便于與DA芯片端口電壓匹配，上拉電壓也采用5V。這里為了和CPLD芯片進(jìn)行電壓，采用弱上拉，這樣5V的輸出電流就會(huì)

51、減小，CPLD既可以識(shí)別高低電平，也降低了系統(tǒng)供電電流，降低了功耗。</p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)考慮多重方面的保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)需要報(bào)警信號(hào)的時(shí)候，采用了光電信號(hào)。光電信號(hào)報(bào)警電路如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 光電報(bào)警信號(hào)</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候考慮了三種保護(hù)，分別是欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)。分別對(duì)應(yīng)了三個(gè)LE

52、D發(fā)光管，采用紅色的LED。還有一個(gè)綠色的LED燈，單片機(jī)正常工作以后點(diǎn)亮。</p><p>　　電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候需要考慮初始位置，一般需要采用初始位置檢測(cè)芯片，或者是一定的算法來實(shí)現(xiàn)。但是步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)好處是給定一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)一個(gè)角度，當(dāng)初次系統(tǒng)時(shí)候，轉(zhuǎn)的一個(gè)角度會(huì)有很大變化，主要是沒有進(jìn)行初始位置定位，三個(gè)電磁力合成的方向與初始位置隔的太遠(yuǎn)，才導(dǎo)致這樣，但是步進(jìn)電機(jī)第一步工作以后的位置都可以很好的確定，而且停電

53、以后只要不撥動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就可以很好的保持不動(dòng)，我們可以采用一個(gè)EEPROM芯片來存儲(chǔ)這個(gè)相位數(shù)據(jù)，便于上電以后讀取初始位置。EEPROM芯片電路如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 EEPROM存儲(chǔ)電路</p><p>　　EEPROM芯片有很多中，現(xiàn)在有很多新技術(shù)應(yīng)用到其中，最新的技術(shù)產(chǎn)品有鐵電存儲(chǔ)器，刷寫次數(shù)達(dá)數(shù)億次，而且刷寫時(shí)間快，不過本次設(shè)計(jì)中并不是平凡的讀寫數(shù)據(jù)，

54、而且讀寫速度并不快，采用普通的AT24C04可以滿足設(shè)計(jì)要求。AT24C04是內(nèi)部有512個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)能力的串行芯片，支持IIC總線。外部有三根地址線，但是對(duì)AT24C04來說，最低位的地址線不具有任何意義，該芯片內(nèi)部以256字節(jié)為一頁(yè)，共有兩頁(yè)，內(nèi)部占用了一位地址線，理論上AT24C04在IIC總線上只能有四個(gè)設(shè)備連接在一起，并需要用高兩位的地址來硬件鎖定，可以實(shí)現(xiàn)最多2K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。</p><p>　　3

55、.3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 電源需求分析</p><p>　　由于系統(tǒng)供電復(fù)雜，供電電源范圍內(nèi)廣為AC交流80~220V，或者直流供電大于113V，小于310V，其中需要考慮市電會(huì)有正負(fù)10%的電壓幅度波動(dòng)。由于市電擾動(dòng)打，現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境也比較復(fù)雜，同時(shí)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用斬波電路驅(qū)動(dòng)，會(huì)有高頻開關(guān)噪聲產(chǎn)生，干擾會(huì)通過線路反串會(huì)電網(wǎng)，需要EMI濾波，盡量降低市電對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)

56、器的干擾，也避免細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)開關(guān)噪聲干擾電網(wǎng)。由于不同芯片多，需要供電電源大小也不一樣，有+3.3V，+5V，+-12V，+10V，還要給功率電路供電，需要設(shè)計(jì)一個(gè)寬范圍供電的電源。如果采用線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓，比如W781X這樣的三端穩(wěn)壓器，需要采用變壓器降壓，變壓器體積大，而且輸入電壓范圍大，三端穩(wěn)壓器輸入電壓不能超過36V，最低輸入電壓一般要比輸出電壓高出2V左右，輸入電壓范圍不能很好的控制，采用線性穩(wěn)壓芯片不能很好的解決這個(gè)問題

57、。采用開關(guān)電源芯片輸出電壓負(fù)反饋穩(wěn)壓，并結(jié)合線性芯片穩(wěn)壓，可以很好的解決這個(gè)問題。供電系統(tǒng)采用UC3842A設(shè)計(jì)反擊變換器，+5V，+-12V，+10V，并通過AMS1117-3.3V芯片穩(wěn)壓，給低壓芯片供電。</p><p>　　3.3.2 EMI濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　隨著現(xiàn)代社會(huì)科技的飛速發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)能量效率的利用提出了更高的要求?，F(xiàn)在越來越多的電路為了提高電能的利用效率

58、采用了開關(guān)技術(shù)，電磁干擾環(huán)境更為復(fù)雜。數(shù)字電路只需要處理高低電平信號(hào)，也只有兩個(gè)狀態(tài)，可以很好的轉(zhuǎn)換到電路的開關(guān)狀態(tài)上?，F(xiàn)在數(shù)字電路設(shè)計(jì)上也采用開關(guān)技術(shù)，降低了系統(tǒng)工作漏電流。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的數(shù)字電路和開關(guān)電源技術(shù)的在設(shè)計(jì)中被使用，很多電子設(shè)備泄露和輻射出來的電磁波，會(huì)對(duì)周邊的電子設(shè)備正常工作產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。這種干擾很容易見到，比如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室調(diào)試好的設(shè)備到了現(xiàn)場(chǎng)就容易出現(xiàn)死機(jī)，或者我們的設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)開機(jī)以后，周邊的設(shè)備都不能正常

59、工作。最近有新聞報(bào)道，一個(gè)通信基站設(shè)備不能正常工作，經(jīng)過專業(yè)的設(shè)備檢查以后，發(fā)現(xiàn)是周邊一家商店的電子廣告牌工作以后發(fā)出的電磁輻射干擾了基站的正常工作，可見這些泄露和輻射出來的電磁能量能嚴(yán)重干擾其他設(shè)備控制出錯(cuò)，設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至現(xiàn)在有些人因?yàn)殚L(zhǎng)期使用手機(jī)通話引發(fā)頭疼現(xiàn)象，甚至因?yàn)殡娏€路的輻射患有重大疾病，嚴(yán)重危險(xiǎn)了人類的人身健康。這種無形的電磁干擾對(duì)人類生活的影響并不亞于環(huán)境噪聲、食品、飲用水、空氣等實(shí)質(zhì)性的污染物，很有必要好好的

60、研究如何降低</p><p>　　現(xiàn)在研究表明，在電路中加入EMI濾波器，可以有效的減少干擾。其中這些干擾信號(hào)一般被分為兩種，一種是共模干擾，一種是差模干擾。共模干擾就是導(dǎo)電物體和參考地線之間不希望存在的電位差；差模干擾是兩個(gè)導(dǎo)電物體之間不希望存在的電位差。共模干擾和差模干擾的來源主要可以從以下兩個(gè)方面來考慮：架空的導(dǎo)線在傳輸過程中受到周邊的電磁輻射照成的干擾，比如閃電雷擊等為共模干擾；當(dāng)同一條輸電線上的不同設(shè)備

61、其中一臺(tái)設(shè)備操作切換時(shí)容易產(chǎn)生的干擾為差模干擾。</p><p>　　為了有效的濾除工模干擾和差模干擾，有的時(shí)候采用多級(jí)濾波器。圖3-5示出一種兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級(jí)（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。其中C2、C3、C4、U1、U2主要用來濾去工模干擾，C1、C5、U1、U2主要用來濾除差摸干擾。當(dāng)然這些參數(shù)從理論上來講是越大越好，但是會(huì)造成電感電容體積過大，成本增加，無功功率太大

62、，效率降低。</p><p>　　圖3-5 兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路</p><p>　　為減小體積、降低成本，單片開關(guān)電源一般采用簡(jiǎn)易式單級(jí)EMI濾波器， 典型電路如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 單級(jí)EMI濾波器</p><p>　　其中P4為電源輸入端子，假設(shè)輸入電源幅度為220V交流電，則其峰值電壓為310V

63、。C9和U3構(gòu)成工模濾波器，C9和U3，C10構(gòu)成差模濾波器。該電路同時(shí)具有整流功能，通過集成的全波整流橋U4整流以后，C6，C7，C8三個(gè)電容充電濾波，輸出310V的直流電。同時(shí)該電路也具有軟啟動(dòng)功能。繼電器U5處于斷開狀態(tài)，R1和R2兩個(gè)正溫度系數(shù)的熱敏電阻串聯(lián)，當(dāng)接入電源，啟動(dòng)電流較大時(shí)，兩個(gè)熱敏電阻工作，發(fā)熱阻抗增大，使得啟動(dòng)電流迅速降低，電流較小則正常啟動(dòng)，啟動(dòng)以后，閉合繼電器，R1和R2短路。F1保險(xiǎn)絲的作用主要是在啟動(dòng)以后

64、，電機(jī)開始工作，有大電流產(chǎn)生起到保護(hù)作用，以防燒毀貴重的元器件和電機(jī)內(nèi)部線圈。</p><p>　　3.3.3 反激電源設(shè)計(jì)</p><p>　　由于市電會(huì)有10%的電壓幅度波動(dòng)，并且電源從AC80V~220V供電范圍太寬，普通的線性穩(wěn)壓芯片難以滿足設(shè)計(jì)要求。并且需要輸出多路電源，如果采用穩(wěn)壓芯片，側(cè)需要塊芯片，這里采用反激變換電路和線性穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)。反激變化電路采用UC3842結(jié)合分離

65、器件實(shí)現(xiàn)，輸出+5V，+-15V，+12V；+5V通過AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓輸出+3.3V。</p><p>　　UC3842B芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖3-7所示的UC3842B芯片是美國(guó)半導(dǎo)體公司Unitrode公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種高性能PWM控制型的開關(guān)電源芯片，Unitrode公司已被美國(guó)TI德州儀器公司收購(gòu)。該芯片可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管、IGBT管等半導(dǎo)體功率管，該芯片封裝為SOP-8體積小、

66、內(nèi)部集成運(yùn)放比較器等、管腳少、外圍電路簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等特點(diǎn)。UC3842B芯片內(nèi)部具有集成式的5V電壓基準(zhǔn)源，并可以精確的控制PWM波占空比。還有過流保護(hù)用的集成比較器，以及大電流驅(qū)動(dòng)的推完輸出結(jié)構(gòu)，可以很好的驅(qū)動(dòng)MOS管之類的功率器件。</p><p>　　圖3-7 UC3842B芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　管腳1為內(nèi)部電壓誤差放大器的輸出端子，一般需要外接電阻電容元件來降低開環(huán)

67、增益，，運(yùn)放的增益帶寬積一定，增益降低則帶寬增大，改善了誤差放大器的頻率和增益特性；管腳2是反饋電壓的反相輸入端子，此腳的輸入電壓與誤差放大器同相端的基準(zhǔn)電壓2.5V進(jìn)行比較，形成誤差電壓，用來控制占空比；管腳3為電流過流檢測(cè)輸入端，當(dāng)電流通過電阻采樣轉(zhuǎn)為電壓后，超過1V的電壓會(huì)縮小脈沖寬度，并使電源處于一種停止工作和正常工作切換狀態(tài)；管腳4為定時(shí)器輸入端子，內(nèi)部振蕩器的發(fā)生頻率由外接電阻電容的時(shí)間常數(shù)和內(nèi)部電流電壓泄放參數(shù)決定；管5腳

68、芯片為公共端，即參考地；管腳6為晶體管推挽輸出端，上升和下降時(shí)間反應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)電流大；管腳7是電源供電端，具有欠壓、過壓鎖定功能，啟動(dòng)時(shí)要超過16V；管腳8為5V的基準(zhǔn)電壓輸出端子，具有一定的帶載能力。</p><p>　　根據(jù)PDF手冊(cè)推薦的常用電路和我們需要的相關(guān)參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)的反激變換電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 反激變換電路</p><p&

69、gt;　　假設(shè)市電220V供電，經(jīng)過3.1.2章節(jié)EMI濾波器和整流，電容充電以后，輸出脈動(dòng)很小的直流電，約為310V。這時(shí)310V直流經(jīng)過R3、R4對(duì)電容C13、C15緩慢而快速的充電，R3、R4起限流作用。假如在5V端子，加上一個(gè)LED燈電路，可以明顯觀察到，交流80V供電時(shí)，LED燈被點(diǎn)亮需要的時(shí)間遠(yuǎn)大于交流220V供電時(shí)間。當(dāng)C13、C15兩端的電壓超過16V，UC3842芯片啟動(dòng)，C13、C15兩端電壓繼續(xù)升高，該芯片正常工作

70、電壓在12V至25V。芯片內(nèi)部有5V基準(zhǔn)，從8腳輸出，一般加上電容濾波，可以輸出50mA電流，8腳通過R11給C19充電，內(nèi)部有電荷泄放電路，當(dāng)C19兩端電壓超過門限電壓時(shí)快速放電并降低，低于另一門限電壓時(shí)，開始充電，如此反復(fù)，產(chǎn)生振蕩的三角波，可以在4腳測(cè)量觀察。三角波振蕩頻率計(jì)算公式有：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　當(dāng)6腳輸

71、出高電壓時(shí)，Q1管導(dǎo)通，變壓器U4的3、4部分開始儲(chǔ)能；當(dāng)6腳輸出低電壓時(shí)，Q1管截止，變壓器U4的3、4部分釋放能量，開關(guān)管U4這樣不停的導(dǎo)通關(guān)斷，把直流電能通過變壓器耦合出去。C13、C15兩端電壓繼續(xù)升高，超過一定的電壓，該芯片會(huì)自動(dòng)鎖死保護(hù)，并有可能燒毀，經(jīng)過變壓器耦合出去的能量通過變壓器U4的6、7部分傳送，經(jīng)過D2二極管整流，C10充電濾波以后輸出15V電壓供UC3842B芯片使用。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于采用了DA芯片，并且

72、沒有加電壓基準(zhǔn)源芯片，考慮為了節(jié)約成本，將一路輸出VDD為5V的電源端子電壓反饋回去，以采用最低的成本，使得5V的電壓最為穩(wěn)定，文波最小，變壓器U4的8、9端子就是用來輸出5V電壓的。5V電壓通過R5、R6串聯(lián)分壓，輸出2.5V到U5芯片2腳。VDD的輸出電壓由公式計(jì)算為：</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　U5芯片的2腳是內(nèi)部運(yùn)放的

73、反向輸入端，內(nèi)部運(yùn)放的正向輸入端接在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V上。由于運(yùn)放開環(huán)增益很大，這樣勢(shì)必會(huì)照成運(yùn)放的帶寬很小，影響通頻帶的頻率特性，為了提高通頻帶的增益穩(wěn)定性，需要降低開環(huán)增益，U5芯片將內(nèi)部運(yùn)放的輸出腳引出，為1腳，通過在U5芯片的1、3管腳并上電阻電容，構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，降低增益，拓寬頻率特性。通過將變壓器耦合輸出的電壓反饋回去與U5芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V比較并將誤差電壓放大輸出，并于振蕩產(chǎn)生的三角波調(diào)制輸出帶寬可變的PWM波，控制

74、開關(guān)管Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的作用。R8是防止上電時(shí)Q1管處于導(dǎo)通狀態(tài)，燒壞器件，加上R8，Q1管在上電時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。Q1管下接的R13選值1歐，是檢測(cè)電流的，當(dāng)電流超過1A，電阻端電壓超過1V，經(jīng)過R12、C18濾波以后，通過U5芯片3腳輸入，起電流保護(hù)。U6管起到過壓保護(hù)作用，當(dāng)VCC電壓超過18V時(shí)，就保護(hù)。D6、R9、C16構(gòu)成RCD吸收電路，吸收尖峰電壓，防止擊穿Q1管。</p><p>

75、　　+3.3V輸出電壓由反激變換電源輸出的+5V電壓，通過AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓芯片降壓輸出。AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓電路如圖3-9所示。其中C22和C23用來濾去高頻噪聲，C20和C23濾去低頻干擾。</p><p>　　圖3-9 AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓電路</p><p>　　3.4 PWM及三相驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　

76、PWM是一種對(duì)方波占空比進(jìn)行控制的開關(guān)數(shù)字方式，一般用在電壓電流高效率控制電路中，有軟件數(shù)字調(diào)制和模擬硬件電路調(diào)制兩種方式。這里采用硬件電路調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)PWM波的輸出。其實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單，用模擬電路構(gòu)成振蕩三角波做載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，輸入比較器的兩端，用來比較兩個(gè)信號(hào)的大小來輸出高低電平，就可以生成SPWM波了。</p><p>　　3.4.1 PWM電路</p><p>　　

77、（1） 三角波電路</p><p>　　傳統(tǒng)的雙運(yùn)放三角波振蕩電路由滯緩比較器和積分電路組成，一般需要雙限幅二極管，但是雙限幅管體積大，而且貴。這里采用簡(jiǎn)單的方波振蕩電路，加上限幅電路，將方波振蕩電路的電壓限定在-0.7V-6V以內(nèi)，再經(jīng)過一個(gè)模擬開關(guān)，其實(shí)是模擬開關(guān)多了一路沒用，剛好利用一下控制開關(guān)，輸出低電平0V和高電平5V的方波。最后后級(jí)電路濾波和積分，濾波部分濾去0-5V方波中的直流部分，輸出交流-2.

78、5-2.5V的方波，積分電路對(duì)方波積分，輸出三角波。圖3-10為本次設(shè)計(jì)采用的三角波電路。</p><p>　　圖3-10 三角波電路</p><p>　　（2） 比較器電路</p><p>　　當(dāng)用硬件的方法描述PWM波時(shí)，需要用的比較器。這里比較器電路設(shè)計(jì)如下圖所示。SINU表示三相混合式步進(jìn)電機(jī)U相的參考信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過PID電路誤差放大以后的輸出值，經(jīng)

79、過R13、C4簡(jiǎn)單的濾波，與三角波進(jìn)行比較。其中R11騎到正反饋?zhàn)饔?，比較器部分相當(dāng)于一個(gè)滯緩比較器電路。由于比較器的輸出需要上拉，這里采用R14和R12串聯(lián)的方式，上拉只VDD電源5V電壓。其中U4A輸出-15V到5V的電壓，從R14輸出以后，為幅度0V至5V的方波，在通過U5A門電路緩沖一下，濾去方波的邊沿毛刺。比較器電路如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 比較器電路</p>

80、<p>　?。?） CPLD電路和實(shí)現(xiàn)</p><p>　　CPLD是從GAL器件與PAL器件發(fā)展過來的器件，可以更具需求來開發(fā)普通的邏輯電路，如果要開發(fā)大型復(fù)雜的功能，比如芯片內(nèi)核設(shè)計(jì)等，則需要采用FPGA之類的芯片了。在做專用的數(shù)字芯片時(shí)，可以先用CPLD芯片在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，再做出RTL之類的文件，最后在生成硬件版圖，就可以找像中芯國(guó)際之類的廠商流片了。在該項(xiàng)目中采用的EPM570T1

81、00C5N片子，可以采用latice公司的低端CPLD，EPM570T100C5N最小系統(tǒng)如圖3-12所示。</p><p>　　EPM570T100C5N是當(dāng)今四大FPGA和CPLD供應(yīng)商之一的Altera公司生產(chǎn)，屬于古董級(jí)的芯片。這四家公司分別為Xilinx、Altera、Actel和Lattice，其中前兩家基本上占有了市場(chǎng)上近3/4的空間。選擇EPM570T100C5N主要是基于現(xiàn)有的手中資源，比如芯片

82、和仿真器，以及編輯軟件等。</p><p>　　由于EPM570T100C5N采用的3.3V供電，而PWMU、PWMV、PWMW和IOVER這幾個(gè)信號(hào)輸入幅度為0-5V，管腳電平不兼容，這里采用串電阻的方式來進(jìn)行緩沖。QuartusII是美國(guó)Altera公司獨(dú)立開發(fā)的編程器，xilinx公司的fpga開發(fā)軟件也是委托其他公司開發(fā)的。我們采用Verilog語言開發(fā)了一段簡(jiǎn)短的代碼，主要是用來做PWM信號(hào)一路分兩路，

83、還有就是中斷保護(hù)，中斷級(jí)別最高，一段出現(xiàn)保護(hù)信號(hào)，所有的PWM輸出全部禁止，如果采用門電路，是可以實(shí)現(xiàn)的，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用的數(shù)字芯片成片多，成本超過使用低端的CPLD，而且CPLD可以軟件配置，有的時(shí)候需要改動(dòng)一下需求只需要用軟件編寫一下就好了。</p><p>　　圖3-12 EPM570T100C5N最小系統(tǒng)</p><p>　　EPM570T100C5N該款芯片的CPLD程序編寫

84、如下。</p><p>　　module PWM（PU，PV，PW，PUH，PUL，PVH，PVL，PWH，PWL，RESET）；</p><p>　　input PU；//定義U相的PWM輸入</p><p>　　input PV； //定義V相的PWM輸入</p><p>　　input PW； //定義W相的PWM輸入</p>

85、;<p>　　input RESET； //定義復(fù)位接口，只要有</p><p>　　output PUH； /定義U相的PWM的高端輸出</p><p>　　output PUL； /定義U相的PWM的低端輸出</p><p>　　output PVH； /定義V相的PWM的高端輸出</p><p>　　output PVL；

86、 /定義V相的PWM的低端輸出</p><p>　　output PWH； /定義W相的PWM的高端輸出</p><p>　　output PWL； /定義W相的PWM的低端輸出</p><p>　　assign PUH = （RESET==1）?PU：0；</p><p>　　assign PUL = （RESET==1）?（!PU）：0；

87、</p><p>　　assign PVH = （RESET==1）?PV：0；</p><p>　　assign PVL = （RESET==1）?（!PV）：0；</p><p>　　assign PWH = （RESET==1）?PW：0；</p><p>　　assign PWL = （RESET==1）?（!PW）：0；</p

88、><p><b>　　endmodule</b></p><p>　　Verilog的語法和C語言很相似。C語言需要有函數(shù)的定義，包括名稱和變量，verilog也有module定義，也有變量定義。Verilog中有begin和end這個(gè)語法，相當(dāng)于是C語言的函數(shù)括號(hào)部分。Verilog需要有module開始和endmoudle結(jié)束。Quartus還支出原理圖庫(kù)輸入，可以將

89、采用verilog語法編譯的模塊生成block圖形塊并可以多次調(diào)用。本項(xiàng)目中CPLD內(nèi)部程序block結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。</p><p>　　圖3-13 CPLD內(nèi)部程序block結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.4.2 三相驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用三個(gè)半橋功率電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用IR公司的MOS管和IR2110驅(qū)動(dòng)芯片。I

90、R2110芯片不具有負(fù)偏壓關(guān)斷功能，因此不能用來驅(qū)動(dòng)NPT工藝的功率管，這里IR公司的驅(qū)動(dòng)芯片手冊(cè)上有明確指出。</p><p>　　IR2110芯片是美國(guó)IR公司（國(guó)際整流器公司，英文名為International Rectifier Company）獨(dú)立研發(fā)的一款驅(qū)動(dòng)大功率IGBT管和MOS管得專用驅(qū)動(dòng)芯片，而且外圍參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，根據(jù)手冊(cè)提供的公式予以計(jì)算即可，而且理論計(jì)算的參數(shù)具有很高的實(shí)用意義。IR211

91、0芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-14 IR2110芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　該芯片管較少，占用體積也很小，與功率IGBT管和MOS管構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，在很多電機(jī)調(diào)速控制、逆變等方面有著廣泛的應(yīng)用。IR2110具有上下兩路輸出功能，而且輸出響應(yīng)輸入快，供電電壓范圍寬，高達(dá)600V，并具有外部封鎖保護(hù)端口。本次設(shè)計(jì)需要由6個(gè)MOS管子來構(gòu)成三個(gè)

92、半相橋，只需要三個(gè)IR2110芯片即可，大大降低了產(chǎn)品硬件成本，并提高了系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　如圖3-14所示，芯片需要三個(gè)供電端子，一個(gè)公共地線，SD是一個(gè)IR2110外圍電路如圖3-15所示。需要三路電源，VDD是數(shù)字部分的電源，給芯片內(nèi)部弱電部分供電。VCC給下橋臂MOS驅(qū)動(dòng)部分供電，VB是給懸浮驅(qū)動(dòng)的模塊供電。由于MOS管Q1與Q2構(gòu)成的半橋臂電路中，上下兩管的導(dǎo)通時(shí)間比關(guān)斷時(shí)間要快，采用對(duì)稱

93、的PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)容易出現(xiàn)上下橋臂直接導(dǎo)通的現(xiàn)象，燒毀MOS管或燒毀保險(xiǎn)絲之類。為了讓電路更好的工作，需要在PWM波中加入死區(qū)控制，有硬件死區(qū)和軟件死區(qū)兩種，用來防止上下橋臂短路現(xiàn)象。這里采用硬件死區(qū)控制方式，D1、R2與C1，D4、R4與C3構(gòu)成簡(jiǎn)易的死區(qū)延遲電路。</p><p>　　圖3-15 IR2110外圍電路</p><p>　　IR2110芯片是一種寬電壓的數(shù)字IC和功率

94、驅(qū)動(dòng)IC的結(jié)合體。數(shù)字IC部分屬弱電，但是有多個(gè)供電電源接口，有輸入的邏輯的電路的供電VDD，還有驅(qū)動(dòng)部分的供電VCC。在本次設(shè)計(jì)中邏輯輸入部分供電仍可以采用最低電壓3.3V供電，這里我們采用5V電壓供電。IR2110的第二、三兩腳輸入超過2.7V~5V的電壓時(shí)會(huì)被識(shí)別為高電平。在分析硬件死區(qū)電路時(shí)，IR2110的兩路輸入都是很對(duì)稱的，可以只選擇一路分析。這里對(duì)二極管D1、電阻R2與電容C1三個(gè)器件來做死區(qū)控制分析。當(dāng)PV_H的電壓從高

95、點(diǎn)平3.3V降為低電平0V時(shí)，二極管D1管受正向電壓導(dǎo)通，電容C1迅速放電降為低電平，HO管腳的電壓輸出立馬降為低電平變化；當(dāng)PV_H的電壓從低電平0V升為高點(diǎn)平3.3V時(shí)，二極管D1管受反向電壓截止，電容C1兩端電壓慢慢升高，為所需要的系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間，t取值應(yīng)該是一個(gè)范圍，則有關(guān)系式如下：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　當(dāng)C1充電

96、以后，升壓為=2.7V時(shí)，有如下關(guān)系式：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　對(duì)于MOS管，一般選取死區(qū)時(shí)間為0.2us~2us左右，我們?cè)谌《ㄋ绤^(qū)時(shí)間以后，通過公式計(jì)算則可，但是需要考慮電阻電容的誤差。</p><p>　　IR2110采用的懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)，主要是在上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路中使用。由于MOS管柵源驅(qū)動(dòng)電壓

97、要超過門限電壓，采用15V電壓供電時(shí)，輸出電平幅度變化為0V-10V，我們假設(shè)輸出高電平為9V，低電平為0V。但是當(dāng)U1的8腳輸出低電平時(shí)，Q1管關(guān)斷，Q1源極電壓為0V；當(dāng)U1的8腳輸出高電平時(shí)候，Q1管開啟，Q1管源極電壓為310V，此時(shí)如果輸出高電平仍未9V，Q1管會(huì)關(guān)斷。IR2110的懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)很好的解決了這個(gè)問題，當(dāng)Q1管開通時(shí)，U1的8腳輸出電壓將會(huì)達(dá)到319V。我們先假設(shè)U1的8腳為低電平，VCC通過二極管D3給C2充電

98、，假設(shè)VCC為15V，C2兩端充滿電以后端電壓差為14.3V，這個(gè)電壓通過U8的7腳給IR2110的高電平輸出端子供電；隨后U1的8腳輸出高電平，Q1開啟，Q1源極電壓變?yōu)?10V，但是由于C2電容兩邊電荷不能突變，照成兩端電壓不能突變的現(xiàn)象，U1的6腳為310V，U1的7腳為314.3V，高于VCC的15V電壓，二極管D3截止，防止方向?qū)?，這時(shí)U1的8腳輸出的高電平電壓將會(huì)達(dá)到319V，柵源之間的壓差仍為9V，Q1管保持開通狀態(tài)，這

99、就是IR2110的懸浮驅(qū)動(dòng)技術(shù)。</p><p>　　3.5 電流采樣及PI調(diào)節(jié)電路</p><p>　　3.5.1 電流采樣電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了一種高實(shí)時(shí)性低成本的逆變電路電流采樣電路，該電路包括：電阻電流采樣電路、互感器電流采樣電路、邏輯型電流采樣疊加電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形跟蹤電路、反向加法合成電路。</p><p>

100、;　　電阻電流采樣電路，用來對(duì)半橋臂電路下橋臂功率管導(dǎo)通時(shí)電流采樣；互感器電流采樣電路，用來對(duì)半橋臂輸出電流變化率采樣；邏輯型電流采樣疊加電路，在半橋臂電路下橋臂功率管導(dǎo)通時(shí)實(shí)現(xiàn)電阻電流采樣電路輸出電壓和互感器電流采樣電路輸出電壓的加法合成，在半橋臂電路下橋臂功率管截止時(shí)，保持導(dǎo)通時(shí)的該電路的輸出電壓；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形跟蹤電路，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓為低時(shí)，輸出負(fù)電壓，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓為高時(shí)，輸出正電壓，起到隔離跟隨作用；反向加法合成電路，用來實(shí)現(xiàn)

101、互感器電流采樣電路和邏輯型電流采樣疊加電路的加法合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)半橋臂輸出電流的采樣。電流采樣電路如圖3-16所示。</p><p>　　圖3-16 電流采樣電路</p><p>　　3.5.2 PI調(diào)節(jié)電路</p><p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)每相的電流都需要很好的跟蹤給定輸入。有了雙極性的給定信號(hào)和電流采樣電路以后，一般都會(huì)在電路中加入PID控制環(huán)節(jié)。PID控

102、制器易懂簡(jiǎn)單，使用中不需精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器之一。為了使輸出更好的跟蹤輸入給定信號(hào)，采用三路PI調(diào)節(jié)器，其中一路帶有加法器功能，根據(jù)采集回來的兩相信號(hào)，合成第三相信號(hào)，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。三路PID電路如圖3-17所示。</p><p>　　圖3-17 三路PID電路</p><p>　　PID電路輸出都有可能達(dá)到運(yùn)放的最大的輸出電壓，三角波電路的輸出

103、最大幅度也只能達(dá)到運(yùn)放的最大輸出電壓，會(huì)出現(xiàn)PWM占空比0%和100%的極端現(xiàn)象，這樣能加快控制的靈敏度，為了限定最大的占空比輸出，這里我們采用降低PID電路的供電電壓，如果考慮極端現(xiàn)象的調(diào)試，那么不加二極管D1、D2、D3、D4；可以只考慮加一組二極管，這樣會(huì)小幅的降低最大輸出占空比；如果加上兩組四個(gè)二極管，那么最大占空比輸出將會(huì)達(dá)到最小設(shè)定值。</p><p>　　3.6 信號(hào)接口電路</p>

104、<p>　　三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際時(shí)為了更便于使用，設(shè)計(jì)了用4個(gè)撥碼開關(guān)來控制16種電流檔位設(shè)定，用4個(gè)撥碼開關(guān)來控制16中電機(jī)細(xì)分檔位設(shè)定；還設(shè)計(jì)了RS232通信端口，便于計(jì)算機(jī)通信控制。</p><p>　　3.6.1 電流設(shè)定和細(xì)分檔位設(shè)定</p><p>　　外置撥碼開關(guān)用來設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)帶動(dòng)三相混合式步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)細(xì)分檔位，有十六種細(xì)分方式，也可以通過PC

105、軟件來修改細(xì)分參數(shù)；有十六種峰值電流輸出大小，通過撥碼調(diào)節(jié)運(yùn)放構(gòu)成的加法電路，實(shí)現(xiàn)十六種最大參考信號(hào)輸出。</p><p>　　采用撥碼開關(guān)和運(yùn)放構(gòu)成加法電路。S1是四位撥碼開關(guān)，有十六種組合，可是調(diào)節(jié)十六種參考電壓輸出。四位撥碼開關(guān)對(duì)應(yīng)為16個(gè)地址，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)于一種電流。電流檔位設(shè)置接口如圖3-18所示。關(guān)于輸出的參考電壓有計(jì)算公式如下：</p><p><b>　?。?-5