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1、1课题：步进电机的细分驱动设计目录摘要：摘要：.4第一章第一章 绪论绪论.11.1 研究背景 .11.2 目的意义 .11.3 设计任务与技术要求.2第二章第二章 方案的论证与设计方案的论证与设计.32.1 方案选择 .32.1.1 基于FPGA方案设计 .32.1.2 基于 DSP 方案设计 .32.1.3 基于单片机方案设计 .32.2 方案的确定 .42.3 方框图的设计 .52.4 本章小结 .5第三章第三章 单元电路设计单元电路设计.63.1 单片机系统介绍 .63.1.1 AG02R77单片机的基本组成.63.1.2 CPU及8个部件的作用功能介绍如下.63.1.3 AG02R77
2、单片机引脚图.63.2 单片机系统中所用其他芯片简介.73.3 程序存储器 27128 .83.4 数据存储器 6264 .93.5 AG02R77 单片机扩展电路及分析 .103.6 PWM 信号发生电路设计.123.6.1 PWM的基本原理.123.6.2 PWM信号发生电路设计.123.6.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理.143.7 芯片 4040.143.8 功率放大驱动电路设计.153.8.1 芯片74LS164性能及特点.163.8.2 74LS164的引脚图以及功能.163.9 主电路设计 .183.9.1 延时保护电路.183.9.2 主电路.183.9.3 输出电压波形
3、.203.10 测速发电机 .203.11 滤波电路 .203.12 A/D 转换 .2023.12.1芯片ADC0809介绍.213.12.2 ADC0809的引脚及其功能.21第四章第四章 软件程序设计软件程序设计 .234.1 直流调速系统 .234.2 单闭环直流调速系统.244.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较.26致致 辞辞.29参考文献参考文献.303步进电机的细分驱动设计 摘要：摘要：细分驱动技术是一种能够改善步进电机低频率特征和提高步进精确度的技术。普遍用于高精确度、低频振动，低噪音系统。譬如自动化控制、精密器械加工、航空航天技术以及所有要求高精度定位、自动记录、自
4、动瞄准等高科技领域。本篇设计先对型号为 AG02R77 的 51 单片机和型号为 20BY30XN52 步进电机的功能与有点进行概述。然后再给出基于单片机关于步进电动机的细分驱动的具体设计。关键词关键词：自动化控制；步进电机；单片机1第一章第一章 绪论绪论自从上个世纪 50 年代以来，步进电动机就广泛的应用于数字控制的各个领域中。它凭借自身良好的性能和众多的优点。出世不久便一跃成为了机电一体化方面的宠儿。步进电机的工作原理基于最基本的电磁感应理论。它是将所受到的电流脉冲信号转化为角位移或是线位移的开环控制元器件。步进电机不能直接连接电源工作它必须使用专门的驱动器。步进电机驱动系统性能的优劣，往
5、往取决于两个方面，电机的自身性能好坏与驱动器性能的优劣。必须将步进电机添加驱动器。 驱动方式为脉冲信号，无脉冲，步进电机停止。 添加适当的脉冲信号导致一定角度的旋转（称为步进角度） 。 转速与脉冲频率成正比。设计选取是型号为 20BY30XN52 步进电动机它的步进角速度为 18 度，自转一圈则为 360 度，那么将需要 20 个脉冲信号才能完成。步进电机同时拥有瞬间启动，急速停止的优秀性能。改变脉冲信号顺序，可以便捷地改变电机转动方向。 2 第二章第二章 方案的论证与设计方案的论证与设计2.12.1 单片机方案设计单片机方案设计单片机是作为一个控制芯片，总共有 40 个 IO 口，它的内部存
6、放着步进电机转角细分电流所需要的数据控波形图表，通过它内部查表所产生数字量化的信号经过 DA 转换，将数字信号转变为模拟信号，再经过斩波器将模拟的信号量转变成为 PWM 式的电流信号，再对四相型步进电动机转角过程进行均匀的细分与灵活控制。 单片机电机驱动键盘控制步进电机DA斩波器图 2.1 单片机系统方框图 单片机是将拥有各功能的部件高度集成的电路芯片，体积也是最小的。所以芯片内部的布线非常短，但不影响它抗外部干扰的能力远远高于一般的 CPU。因为单片机内部的程序指令，常数及表格等固化在 ROM 中所以不易被破坏，众多信号传输通道都在芯片内部，因此可靠性高。同时它的内部从硬件到软件都有一整套完
7、备的按位操作系统，使它在控制系统中存在巨大的优势。为了满足对不同对象的控制要求，单片机指令系统都有着有极极其丰富的条件，如:分支转移的能力，I/O 口的逻辑操作和位处理能力，非常适和用在专门的控制系统中。单片机不仅功能特别强大而且价格也十分的低廉，在控制领域有着得天独厚的优势。 2.22.2 方框图的设计方框图的设计根据设计要求，系统可细分为以下模块，如液滴速度测量模块，液位检测模块，键盘显示模块，电机系统控制（液滴速度控制）模块。,如图 2-2。AT89C51PWM信号的产生与放大步进A/D转换滤波电路测速发电机3图 2-2 设计框图 2.32.3 本章小结本章小结本章节主要介绍本次毕业设计
8、中单片机的长处，确定用单片机作为核心的数控稳压源，并对单片机的设计及原理给予全面分析。在下个章节中，将对该设计中各个单元电路的具体方案与元器件的选择作进一步阐述。4 第三章第三章 单元电路设计单元电路设计3.13.1 单片机系统介绍单片机系统介绍3.1.1 AG02R77 单片机的基本组成AG02R77 单片机由一个 CPU 和八个部分组成，全部通过连接到芯片的单个总线进行配置，但其基本结构仍然是普通 CPU 加外围芯片，然而在其功能单元的控制上采用了具有特殊功能寄存器集中控制的方法。其基本组成如下图所示：图 3-1 AG02R77 单片机基本组成3.1.2 CPU 及 8 个部件的作用功能介
9、绍如下AG02R77 是一个 8 位 80Z55 微处理器，8KB 程序闪存 ROM，256 字节的内部存储器（RAM） ，两个 32 字定时器和计数器部分是 TO 和 T1,4 个 8 位 I / O 端口：P0，P1，P2 ，P3，全双工 UART 串行通信端口等组件。单片机 AG02R77 空闲模式：CPU 停止运行，同时允许 RAM，T0 和 T1，串行端口以及系统继续运行。单片机 AG02R77 掉电模式：为了保存 RAM 的所有内容，振荡器立即停止工作并停止所有其他芯片功能运作，直到下一次硬件复位。 微控制器 AG02R77 用于许多控制系统，以提供灵活和低成本的解决方案。 充分利
10、用片上资源，即使外围电路的数量非常少，可以形成功能更强大的超声波测距系统。3.1.3 AG02R77 单片机引脚图5图 3-2 AG02R77 单片机引脚图3.23.2 单片机系统中所用其他芯片简介单片机系统中所用其他芯片简介1.地址锁存器 74LS68674LS686 片内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器。其结构如下图所示：图 3-3 74LS373 片内三态门的 D 锁存器当使能端 G 为高电平时，锁存器的内容被更新，同时可以返回低电平时刻完成锁存。 当此时芯片的输出端 OE 为低电平时，也就是说，当输出三态门的状态被释放时，锁存器的地址信息可以通过三态门。以下是其引脚图：6 图 3-
11、4 74LS37 引脚图3.33.3 程序存储器程序存储器 2712827128(1)芯片引脚 图 3-5 程序存储器 27128 引脚图（2）功能表 3-1 功能表73.43.4 数据存储器数据存储器 62646264（1）芯片引脚图 3-6 数据存储器 6264 芯片引脚（2）芯片功能表表 3-2 芯片功能表83.53.5 AG02R77AG02R77 单片机扩展电路及分析单片机扩展电路及分析图 3-7 AG02R77 单片机扩展电路接线分析9表 3-3 P3 口功能表 3.63.6 PWMPWM 信号发生电路设计信号发生电路设计3.6.1 PWM 的基本原理在由 PWM 驱动控制的整个控
12、制系统中，电源以相同的固有频率开启/关闭，并且可根据需要更改一个周期的“连接”和“关闭”长度。 为了达到控制电机转速的目的，改变了步进电机电枢电压“占空比”的方法以改变平均电压大小的目的。 所以 PWM 被称为“开关驱动” 。如下图所示： 图 3-8 时序图假设电机一直连接电源时，电动机最大转动速度为 Vmax，假设占空比为 D= t1 / T，则电动机的平均转度为 Va = Vmax * D。终上所述，通过改变占空比 D = t1 / T，可以找到不同类型的电机平均速度Vd 以达到改变速度的目的。 严格意义上，平均旋转速度 Vd 和占空比 D 不是线性的，而是可以在现实应用中当作线性关系。3
13、.6.2 PWM 信号发生电路设计10图 3-9 PWM 信号发生电路上图中的两组数值比较器 Lv 8729v，U2，U3 A 连接到 12 位串行 4040 计数输出 Q2-Q9，而 U2，U3 B 组连接到微控制器 P1 端口。 通过简单地改变 P1 端口的输出值，就可以通过改变 PWM 信号的占空比来达到调节速度控制的目的。3.6.3 PWM 发生电路主要芯片的工作原理1芯片 Lv8729v（1）芯片 Lv8729v 的用途：通过对 A 和 B 两组的 4 位并行数值进行比较，来判断两者之间的大小关系是否相等。（2）芯片 Lv8729v 的功能表：表 3-4 芯片 Lv8729v 的功能
14、表11（3）芯片 Lv8729v 的引脚图：图 3-10 芯片 Lv8729v 的引脚图3.73.7 芯片芯片 40404040 有芯片 4040 都是主从触发器。从时钟下降沿进行倒数。 当 CR 为高电平时，计数器清零。 由于施密特触发器用于时钟输入，因此脉冲上升和下降没有时间限制，所有输入和输出得到缓冲。（1）芯片 4040 的极限值：12（2）芯片 4040 引出端功能符号：CP: 时钟输入端 CR：清除端 Q0Q11：计数脉冲输出端VDD: 正电源 VSS: 地端（3）芯片 4040 功能表：表 3-5 芯片 4040 功能表输入CPCR输出*LLH保持计数所有输出端均为 L（4）芯片
15、 4040 的引脚图：图 3-11 芯片 4040 的引脚图3.83.8 功率放大驱动电路设计功率放大驱动电路设计该采用了 74LS164 芯片，引脚功能如下：13芯片参数：174LS164 的极限参数和限制：14274LS164 的推荐工作条件：图 3-12 74LS164 芯片3.93.9 主电路设计主电路设计3.9.1 延时保护电路主程序初始化模块，接收来自传感器的信号，处理信号，调整输出信号，控制电机的旋转，并扫描键盘进行动态显示。 使用完整的 74LS164 芯片设计可以实现延时保护电路。15R 2110 可以在两个通道信号输入之间提供适当的延迟，并且在施加到驱动逆变器桥的桥臂上的两
16、个功率 MOS 器件的驱动信号之间存在时间延迟。这确保了防止直接功率通路 通过同时导通逆变器桥中的两个功率 MOS 器件而产生。3.9.2 主电路为了能够提供在必须存在操作开关的低压侧的前提下对产生高压侧栅极驱动电压的路径进行充电的自举电容器，有必要提供一个高电平它必须在两者之间关闭。因此，在该电路中，Q1，Q4 或 Q2，Q3 是连续的，并且不可能连续导通。可以捕获双 PWM 信号来控制步进电机的正转和转速。这样，两个芯片输出的信号反过来连接到 IC2 HIN，HIN 的 LIN 端的一端，并连接到 IC1 和 IC2 的 LIN 端。HIN 为高电平时，Q1 和 Q4 导通，正向工作电压加在步进电机上。具体程序如下。当 IC1 的 LO 为低电平且 HO 为高电平时，Q2 截止，C1 的电压通过 VB，IC1和 HO 的内部电路被加到 Q1 的栅极，Q1 导通。同样，IC 的内部电路和 HO 通过 VB被施加到 Q4 的栅极端子，对于低电平 HO 和 LO 是高电平的，Q3 关断，并且 Q4 被施加到 Q4 的栅极端子。Q 1 通过步进电机给正电机通电后，通过 Q4 达到零电位，电
