1、浙江树人大学设计论文题目：步进电机细分驱动电路设计学院：信息科技学院班级：姓名：学号：摘要：由PIC16F876控制的步进电机细分驱动电路的设计，该电路主要包括单片机控制电路、斩波电路、功率驱动电路及温度报警与限流电路等。给出了细分驱动电路的设计原理及其实现的方法，提出细分按照线性加正弦规律的方法输出阶梯电压，经脉宽调制(PWM)输出各相驱动信号，实现细分驱动信号波形。应用于天文望远镜的90BF003步进电机驱动，性能良好。关键词：步进电机、单片机、细分电路Abstract：A design of microstep driving circuit of step motor based on
2、 PIC16F876 is presentedThe circuit includeschopping circuit，the power drive circuit，temperature measurement circuit and currentlimit circuitThe design principle isgiven in detailThis circuit is applied to drive 90BF003 step motor for an astronomy telescopeKey words:step motor,PIC16F876,microstepping
3、引言：步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。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。步进电机在实际应
4、用中存在着驱动电路效率低、低频振荡、高频出力不足、频率特性差等问题。基于PIC16F876的步进电机细分驱动电路将斩波电路和可变细分控制的方法进行结合，能够使电机的高、低频运行性能和启动性能明显提高。步进电动机又称为脉冲电动机或阶跃电动机，它是将数字电脉冲直接转换为位移角度的机电设备。在一般情况下，步进电机各相绕组电流在步进脉冲的控制下，轮流切换，从而使电机的转子步进旋转。如果每次输入脉冲切换时，只改变对应绕组中额定电流的一部分，那么转子相应的每步转动也只有原步距角的一部分。额定电流细分成多少份(即细分数)，转子就以多少步来完成一个原有的步距角，这种把步距角分成若干步来完成的控制方式称为细分控
5、制。虽然这种驱动电路的结构比较复杂，但在不改变电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率；也使电机运行平稳，减小或消除电机振荡，减少噪声。1.系统功能步进电动机的控制系统一般包含步进脉冲产生与方向控制电路、相脉冲逻辑分配电路和驱动电路。其中驱动电路有细分和不细分之分。文章以PIC16F876单片机为核心，将相脉冲逻辑分配电路和细分驱动电路有机结合在一起，实现了多功能的步进电机的细分驱动电路。电路原理框图如图1所示，整个系统主要分为单片机控制子系统和功率放大驱动电路两大部分，两部分中间由电平转换电路桥接。图为步进电机细分驱动电路原理框图相选拍选细分选择电路 单片机D/A转换电
6、路脉冲调制电路电平位移转换电路脉冲输出 功率放大器步进电机步进脉冲输入电压反馈放大电路取样电压输入限温/限流报警电路相选电路 电平位移转换电路 相选输出电源电路 电机驱动电源单片机控制电路主要包括PIC16F876单片机、产生步进脉冲输出的斩波电路和产生电机相信号的相控电路以及其他一些相关电路。单片机通过中断接口接收步进脉冲和方向信号，根据方向信号和步进脉冲的顺序，输出阶梯电压细分值和相控信号。斩波电路由DA转换电路、取样电压放大电路和脉宽调制电路(PWM)组成。DA转换电路将单片机输出的电压细分值转换为模拟量，作为比较参考电压，加在脉宽调制电路同相输入端，与取样电压放大电路的输出值进行比较，
7、由脉宽调制电路产生恒频调宽脉冲，作为步进电机的脉冲信号。为了防止驱动电路的过流和过热，系统中设计了限温报警电路和限流报警电路。当驱动电路温度超过设定值或电机的相电流超过设定值时，报警电路产生报警信号，让单片机关断各相的驱动信号，暂停输出。为了适应不同相数的电机和选择不同的细分数，系统中设计了相选细分选择电路，在每次加电之前通过拨动开关来设置相数和细分数，单片机自动识别。功率放大驱动电路采用经典的高低电压功率场效应管对管实现，附加相电流取样电路和温度传感电路。2.硬件电路设计2.1 PIC介绍PIC 系列单片机是美国Microchip 公司的产品。它系用精简指令集（RISC） ，哈佛总线结构、2
8、 级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强等优点，体现了单片机发展的一种新趋势，深受用户的欢迎，已逐渐成为8位单片机的新潮流。PIC 的发送过程1.初始化波特率与波特率有关的寄存器有两个：TXSTA 的BBGH 位和SPBRG，其中前者为高速波特率使能位，TXSTA.BBGH=1，设置为高速；TXSTA.BBGH=0 则表示设置为低速。后者为波特率的值，其计算方式为：FOSC/（64（x+1） ） 低速波特率 =FOSC/（16（x+1） ） 高速其中 FOSC 为晶振频率，x 为填入SPBRG 寄存器中的值。2.USART 模块使能首先选择通讯方
9、式 TXSTA.SYNC=0 为异步方式，TXSTA.SYNC=1 为同步方式。然后将 RCSTA.SPEN 设置为1，从而使能串行通讯模块。3.若用到 TXIF 中断，则PIEI.TXIE 需要置1 使能，TXIF 中断是PIC16F87X 单片机14 个中断源之一，当TXREG 寄存器的内容为空时或是数据被转移到TSR 寄存器之后，这个中断位会被设置为1，只有在当数据写入TXREG 寄存器，而还未转移到TSR 寄存器的情况下，这个TXIF 位才会被消除为0。4.位数设置：这一步骤决定数据的发送是采用 8 位还是9 位的格式。TXSTA.TX9=0 为8 位，TXSTA.TX9=1 为9 位
10、。5.发送使能将 TXSTA.TXEN 置1，使能发送模块。6.送数据若设置 8 位数据，则将数据写入 TXREG 寄存器；若设置的9 位数据，则还要将9位写入TXSTA.TX9D 位。7.检测缓冲器状态，发下一个数据检测 PIRI.TXIF，若为0，则说明TXREG 被写入且没有转到TSR，此时不能写下一个数据；若为1，则说明TXREG 为空，或已转移到TSR 中，此时可以写入下一个数据。PIC 的接收过程1.使能接收模块将 RCSTA.CREN 位置1，使能接收模块。2.使能 RCIF 中断。（将PIEI.RCIE 位置1）同TXIF类似，RCIF也是PIC16F87X的中断源之一。当接收
11、位移寄存器（Receive ShiftRegister,RSR）,接收到串行通讯的数据的停止位后，会自动将寄存器的数据部分移到RCREG 中，同时将RCIF 中断位置1。3.读取接收到的数据循环检测 RCIF 中断位，当其为1 时，就可读取RCREG 中的数据，读取数据后，RCIF 位被自动清零。4.出错处理如果接收过程中有错误发生，则RCSTA.OERR 位会被置之不理，此时RSR 中的数据的转移无法完成，要清除这个位的唯一方法是复位接收逻辑电路，在软件上可以先将CREN 位清除为0，然后再置1，便可复位接收模块。PIC 的接收过程1.使能接收模块将 RCSTA.CREN 位置1，使能接收模
12、块。2.使能 RCIF 中断。（将PIEI.RCIE 位置1）同TXIF类似，RCIF也是PIC16F87X的中断源之一。当接收位移寄存器（Receive ShiftRegister,RSR）,接收到串行通讯的数据的停止位后，会自动将寄存器的数据部分移到RCREG 中，同时将RCIF 中断位置1。3.读取接收到的数据循环检测 RCIF 中断位，当其为1 时，就可读取RCREG 中的数据，读取数据后，RCIF 位被自动清零。4.出错处理如果接收过程中有错误发生，则RCSTA.OERR 位会被置之不理，此时RSR 中的数据的转移无法完成，要清除这个位的唯一方法是复位接收逻辑电路，在软件上可以先将C
13、REN 位清除为0，然后再置1，便可复位接收模块。2.2单片机电路采用单片机实现步进电机细分控制系统中，其响应频率一直受单片机的速度影响，PIC系列单片机具有精简指令集RISC结构，仅30几条单字节指令，除跳转指用指令线与数据线分离的哈佛结构，两级流水线指令取数与执行，这使得PIC在代码压缩与执行速度方面和同类8位单片机相比，具有较大的优势。PIC16F876单片机是美国Microchip公司中档产品，采用CMOS工艺制造，带有FIASH工艺特性，功耗低，IO端口有较大的驱动能力，扇出电流可达25 mA，可简化外围电路；易于编程，执行速度高，内部具有看门狗WDT防止程序跑飞，另具有程序加密性好
14、、价位低廉等优点。在PIC16F876中，共有3个IO端口：端口A、端口B、端口C，都是双向IO 口。系统中，PIC16F876的端口功能如表1所示。表一 PIC16F876 的端口功能端口 功能 端口功能RA0-1 相选输入 RB1 步进电机方向信号RA1 拍选输入 RB4 74HC373寻址RA2 是否细分输入 RB5 TLC7226寻址RA3 是否加电至电机 RB6 TLC7226的 A1RA4 WR信号 RB7 TLC7226的 A0RA5 温度、限流报警输入RC0-RC7 数据总线RB0 外部中断步进脉冲信号从PIC16F876的中断引脚RB0INT输入，选择上升沿触发，单片机一旦检
15、测到引脚上出现有效边沿，就把INTF位(INTC)N的D1)置1， 向CPU申请中断，在中断服务时间内，单片机将完成输出相选控制信号和阶梯电压细分值。为了防止错误的死循环执行同一个中断，在重新开放这个中断之前必须在中断服务程序中用软件对INTF位清零。中断现场保护是中断技术一个很重要的组成部分，由于中断服务程序会改变主要寄存器，在返回时可能影响主程序，必须对这些寄存器进行现场保护。在中断返回之前必须恢复主要寄存器的原值。而在该程序中，主程序在等待中断时，行空操作，即使主要寄存器改变也没关系。为了防止在受到干扰时程序跑飞，一般在系统设置看门狗电路。在PIC16F876中自带了自振式(RC振荡)看
16、门狗电路，不需要外加电路，简化了外围电路。 2.3斩波电路斩波电路由DA转换电路、电压反馈放大电路和脉宽调制电路(PWM)组成，根据单片机输出的细分值和取样电压的反馈值，产生宽度受调制的脉冲输出，具电路如图2所 图2：斩波电路示意图 DA转换电路采用TI公司的TLC7226芯片，TLC7226芯片是采用LinBiCMOSTM 技术的的电压输出型四通道8位DA转换器，每一通道片上有独立的数据锁存器，数据通过8位公共的与TTLCMOS 5 V兼容的输入端口锁存到数据锁存器中。在设计中，TLC7226的工作条件是单电源+12 V供电，基准为+5 V电压，DA转换的输出为05V。 电压反馈放大电路采用
17、同相放大器结构，将取样电压同相放大，与DA输出比较同相放大器采用TI公司的TLC2254芯片，具有满电源电压幅度输出和极低功耗等特点。 脉宽调制电路采用LM339构成，LM339为低功耗低失调四电压比较器，设计中采用单电源+5 V供电，接成单限比较器。在V+V 期间，电路输出一定宽度的脉冲，控制功放管的导通。在V+V 期间，电路输出为0，关断功放管。电路中V+为经DA转换的细分电压，v 为经电压反馈电路放大后的输出电压。由于v 是随绕组电流变化而变化的，故输出脉冲的宽度随IN+与IN 之间的误差变化而变化，从而实现脉冲调制。 2.4报警电路 报警电路包括温度报警电路和电路报警电路。限流报警电路
18、主要是将采样反馈放大器的输出电压与设置的门限电压进行比较，当超过门限电压时，说明相电流超过设定值，产生报警。温度报警电路采用LM35作为温度敏感器，LM35为精密摄氏温度电压变换器，它的输出电压正比于摄氏温度，灵敏度为l0 n1Vc。由于芯片采用曲率补偿电路，其输出电压的线性得到了改善，在45+150范围内最大非线性误差仅为02 ，它的输出阻抗很低，可采用单电源或双电源工作(电压范围为520V)，所以很容易地读出或(和)控制电路接口。LM35的输出电压与温度呈正比，当功率放大电路过热时，LM35的输出电压超过设置的门限电压，产生报警。2.5功率驱动电路步进电机系统的控制信号功率很低，因此控制电
19、路连接到电机前必须经过几级开关放大。功率MOS器件是最理想的电机驱动元件，因为它不存在二次击穿，所以电路极其简单，可以不用复杂的浪涌吸收电路。MOS器件的栅极可以直接用CMOS电路驱动_4 J。单相功率驱动电路如图3所示。 图3 单相功率放大电路示意图高频小功率晶体管9013可加速功率场效应管IRF620的导通速度并减小功耗，选用增强型VMOS对 管IRF9540和IRF540，这种管子的导通电阻很小约在05 Q以下，可以达到加快开关速度并降低功耗的目的。在电路中，并联在功率场效应管的栅极与漏极之间的+l5稳压管是为了保护功率场效应管，以防止它的栅极与漏极被击穿。二极管MUR1560与电机及电
20、源构成回路泄放，对提高工作频率大有好处。 3.系统的软件设计及编程实现 3.1系统程序流程 系统程序分为主程序和中断程序。主程序主要是端口初始化和寄存器的初始化，判断相数、拍数及是否细分，然后以空操作来等待步进脉冲的中断，中断服务程序如 图 4 中断服务子程序中断服务程序正向？表结束？ 表结束？温度限流报警温度限流报警重量正向偏移量 重量反向偏移量关中断，细分相选输出为 0等待关机读相选，各细分值表输出数值表址+1读相选，各细分值表输出数值表址-1中断返回是 否否 否是 是是 是否 否图4所示。在软件编程中，尤其重要的是为了提高步进脉冲的频率，应尽可能减少中断服务程序执行的指令时间。该系统采用
21、20 Mt-Iz的晶振，一个指令02 bts，中断服务程序一共68个指令周期，则理论上脉冲频率最大可以是735 kHz。3.2 电机运行方式与方向的软件实现步进电机的运行方式是指各相绕阻循环切换通电的方式，实现各绕阻按一定方式轮流加电，需要一个脉冲循环分配器，这里采用软件上的循环查表法。循环查表法是将各相绕阻加电顺序的控制代码制成一张表，各相输出的细分值也制成表，存在内存区，再设置一个地址指针，正向时赋予表首址，然后地址指针依次加l；反向时赋予表首址加上当前步长的偏移量，然后地址指针依次减l，即可从表中输出加电相选的代码，通过并行接口转换后驱动功放管，以及各相细分值的输出。相序表和数值表的建立
22、考虑两个因素：(1)根据步进电机运行方式的要求；(2)步进电机各相绕组与数据线连接的对应关系。因此，实现同一种运行方式，由于绕组与数据线的连接不同，可以有多种相选代码。当然运行方式发生改变，相选代码也会改变运行方向。软件对消一般可使信噪比提高约20饵。通过硬件对消，可使所关心频段上信噪比进一步提高。系统中硬件对消，主要MH可变衰减器、移相器、小功率低噪声放大器组成。可将背景信号对消至一60饵以下，单个频点甚至可达一80饵。但是硬件对消同时作用有效频段较窄。3.3 线性加正弦规律的数学模型步进电动机细分控制的关键在于：按照什么样的细分电流波形(前后沿)来控制步进电机各相绕组中的电流。采用的线性加
23、正弦规律最接近于电机的非线性，因而可以实现步距角的等步距细分，它的数学模型如式(1)和式(2)所示。上升沿：C(，2)：z，2M+Ksin(2 zr，2M) (1)下降沿：c(，2)=z(M 一，2)M +Ksin(2rr(M 一，2)M) (2)式中，C为细分电流数据，M 为细分数， 为细分步 序数(”=0，1，2 M)，Z和K 为常数(Z=255； 0K1， 设计中为20255)。软件上为了节省CPU时间，单片机输 出的数字信号(各相细分值、相选值)是采用即时计算方法 确定，而是预先经过C程序计算，利用预存细分编码的方法 存放在单片机ROM中开辟的单元，建立数据表，通过查表形成各输出值。4
24、.软件测试结果目标宽带RCS扫频测试系统， 目前已开发完毕，投入使用。图3给出了F一117型隐身飞机缩比模型典型频点测试结果。可以看出其在鼻锥方向RCS很小，但在两侧翼方向RCS较大。测试结果较为可信。图中左翼方向上，出现一很高尖峰，是由于在测试中，转台归零存在偏差，支架反射未能完全对消所引起。由此可见支架反射完全对消是系统测试中主要技术难点。整套系统操作较为方便，精度较高，完全可满足实验验 图3 F一117缩比模型测试结果图证需要。实践证明扫频方式测试目标宽带RCS方案作为理论研究的实验验证，方案可行。但在实际工程化中，出于实时性及雷达作用距离等方面限制，脉冲体制具有扫频方式所无法替代的优势
25、和巨大的发展 前景。5.结论经过精心的调试，电路的实测最大响应频率可达722 kHz，比理论的低一些，是因为响应中断本身需要花一些时间。电路适用于三相电机，也可适应二相和四相电机，细分数可随应用设定。在实际应用中，设计为三相六拍十细分，驱动由90BF003步进电机带动的天文望远镜，运行状态良好，性能可靠。参考文献：1孙兴进步进电机的最佳细分控制J 自动 化与仪器仪表，2001，(1)：33352王有绪PIC 系列单片机接口技 术与应用系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，20013彭树生PIC 单片机原理及 应用M北京：机械工业出版社，20014余永权单片机应用系统的功率接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，1994
