步进电机设计l论文.doc

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1、摘 要单片微型计算机简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器、CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机主要应用于控制领域，由于其具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用1。步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,实质上是一种数字/角度转换器步进电机控制系统主要由步进控制器,功率放大器及步进电机等组成.步进控制器由缓冲寄存器,环形分配器,控制逻辑及正,

2、反转控制门等组成,能把输入的脉冲转换成环形脉冲,以便控制步进电机,并能进行正反向控制.但由于步进控制器线路复杂.成本高.采用单片机控制,用软件代替上述步进控制器,使得线路简单,成本低,可靠性大大增加,灵活改变步进电机的控制方案,无需逻辑电路组成时序发生器.软件编程可灵活产生不同类型步进电机励磁序列来控制各种步进电机的运行方式并可实现一台单片机控制多台电机.提供灵活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁琐的控制易于实现,尤其在本系统中更显示出微机控制的优越性。本设计采用凌阳16 位单片机SPCE061A对步进电机进行控制，通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，信号经过芯片L298N

3、驱动步进电机；同时，用 4X4的键盘来对电机的状态进行控制，并用数码管显示电机的转速，采用74LS164作为4位单个数码管的显示驱动，从单片机输入信号；利用凌阳单片机的语音功能播报电机的转速。 关键词： 单片机 步进电机 ABSTRACT The single slice of microcomputers is abbreviated as the one-chip computer. It is every function part which makes up the microcomputer: Central processing unit, CPU, arbitrary acce

4、ss memory RAM, read-only memory ROM, I/O interface circuit , timer / counter and serial communication interface ,etc. make in the integrated chip together, form an intact microcomputer. One-chip computer apply controlled field to mainly, because it have dependability high , small , price low , easy

5、commercialization ,etc. characteristic, therefore won extensive application in fields of automatic control such as intellectual instrument and apparatus , real-time industrial control , intelligent terminal , communication equipment , navigation system , household appliances ,etc.It is that one kind

6、 can change the electric pulse signal into a electromechanical component of angle displacement or line displacement to walk into the electrical machinery, it is a kind of figure / angle converter that is walked into the control system of the electrical machinery to mainly walk into the controller in

7、 fact, power amplifier and walking into the electrical machinery ,etc. make up . Walked into the controller to buffer the register , the annular distributor, control logic and, overturn , control door ,etc. make up , can change the pulse input into into an annular pulse , in order to control , walk

8、into electrical machinery , can carry on positive and negative to control. But because walk into the controller circuit complicatedly. With high costs. Adopt one-chip computer control , replace with software described above to walk into the controller , make the circuit simple, with low costs, depen

9、dability increases greatly, change the control scheme of walking into the electrical machinery flexibly , do not need logical circuit to make up the time sequence generator . Software programming very flexible to produce , walk into electrical machinery excitation array come , control various operat

10、ion way to walk into electrical machinery and can realize one machine control many sets of electrical machinery while being different kinds of. It is easy to realize to offer the flexible control means and improving the precision of controlling to complicated and tedious control, demonstrate the sup

11、eriority that the computer controls especially in this system even more. Design , adopt , insult male genital 16 one-chip computer SPCE061A to walk into electrical machinery control originally, square wave with time sequence as the control signal of walking into the electrical machinery through what

12、 IO mouth is outputted, the signal drives and walks into the electrical machinery through the chip L298N; Meanwhile , come state in electrical machinery go on , control with keyboard of 4X4 , in charge of rotational speed to reveal electrical machinery with number, adopt 74LS164 urge as 4 single num

13、ber display that in charge of , from the input signal of the one-chip computer; Utilize the pronunciation function of insulting the open one-chip computer to report the rotational speed of the electrical machinery.Keyword: One-chip computer Walk into the electrical machinery 目 录摘 要I第1章 绪论1第2章 方案设计和比

14、较32.1系统概述32.2 硬件电路的整体框架32.3硬件电路特点42.4 SPWM工作原理5第3章 相关器件性能介绍73.1 SPCE061A的介绍73.1.1 SPCE061A性能73.1.2 SPCE061A单片机硬件结构83.1.4 NspTM的核心结构93.2 AD7520的性能介绍11第4章 驱动电路设计134.1单片机控制电路134.2电平转换与第三相正弦波合成电路134.3电流反馈和比例积分电路164.4 脉宽调制电路174.5 开关电源电路194.6 硬件电路PCB板的制作19第5章 数模混合式PWM应用225.1在电机驱动方面的应用225.1.1 系统方案225.1.2 辅

15、助电路设计235.2 控制脉冲的产生265.2.1旋转方向和时序脉冲的关系265.2.2 步数的确定275.2.3 升降速控制29第6章 结论33参考文献34致谢35附录3639第1章 绪论第1章 绪论1.1课题来源及意义步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电元件，与其他类型电机相比具有易于精确控制、无积累误差等优点，在众多领域应用广泛细分驱动技术是一种可有效改善步进电机低频特性和提高步进精度的驱动技术，是步进电机实现步距高分辨率控制的关键技术其基本工作原理是通过控制电机各相绕组中的电流，使其按照一定的规律上升或下降，相应的合成磁场也将出现多个稳定的中间状态。为了减弱或消除步进电动机在低

16、频运行时的低频振荡,在步进电动机的驱动电源上,往往要采用调压驱动电源或采用步进电动机细分电路等。本文采用脉宽调制的方法来改善步进电动机的低频特性。主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。 驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或关断。1.2国内外研究现状近年，由于微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，感

17、应电机的变频调速技术获得了空前发展。当前广泛使用的矢量控制变频调速方式是一种比较成熟的变频方式，而且矢量控制使离线计算转为实时控制，实现了动态优化，从而获得更快的动态响应。但这种方式仍有自身的不足，如输出电压谐波分量较大、低速特性不太好、鲁棒性较差等，所以变频调速技术仍有很大的发展空间，新的理论方法如现代控制论、非线性系统控制的数学分析方法等越来越多地应用于该领域，使交流传动系统的性能更加优异。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难。SPWM技术较好地克服了这些缺点。目前SPWM的产生方法很多，汇总如下。 1）利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，

18、实现困难且不易改进； 2）由SPWM专用芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制； 3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计，实现数字式SPWM发生器； 4）基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。 而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展，尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用更为广泛。PIC单片机含具有spwm功能的外围功能模块（CCP），利用此模块更容易通过软件实现spwm，且具有更快的执行速度。本文采用

19、软硬件结合设计的方法，利用面积等效法，并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的spwm控制。 1 面积等效的SPWM控制算法 目前生成spwm波的控制算法主要有4种。 1）自然采样法； 2）对称规则采样法； 3）不对称规则采样法； 4)面积等效法。 理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算，所以自然采样法不利于软件实现工程实际中应用最多的是正弦spwm法(简称spwm)，它是在每半个周期内输出若干个宽窄不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应每一等份的正弦波形下的面积可用一个与该面积相等的矩形来

20、代替，于是正弦波形所包围的面积可用这N个等幅(Vd)不等宽的矩形脉冲面积之和来等效。1.3课题任务本文论述了基于spwm的步进电机控制系统的设计方法和研制过程，包括:硬件设计、软件设计等方面。硬件电路用凌阳16位SPCE061A单片机、先进的接口技术和大规模集成电路设计而成。软件程序用SPCE061A汇编语言写成。利用软硬件结合，实现对步进电机工作状态的自动控制和精确控制。利用单片机输出的CP脉冲和方向信号，改变对步进电机绕组的通电方式和通电顺序，来准确控制步进电机的正转、反转，步距精度等工作状态，方便良好的人机界面是用4x4键盘/数码管显示来实现，达到调速比D能大于100，并且最大输出电流在

21、5A以上。 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第2章 方案设计和比较2.1系统概述数模混合式SPWM既保持驱动电路响应快的特点，又具备数字化控制的功能，下面叙述数模混合式SPWM的具体方案。2.2 硬件电路的整体框架系统的整体硬件结构如下图所示。整体上可以分为三大部分：比较器功率模块步进电机D/A单片机电压反馈A/D电流反馈A/D三角波发生器键盘显示器电源图2.1 系统框图1）主回路部分驱动器的主回路采用交-直-交电压型逆变电路，由整流滤波电路，三相逆变电路以及混合式步进电机等组成。直流电压源是由整流滤波电路构成，主要是把220V，50HZ的交流电转换成直流电源。三相逆变桥电路的主

22、要的功能是直流电转换成变频变压交流电，为三相混合式步进电机的定子绕组提供要求的交流电流。三相逆变电路采用了集成六输出门极驱动模块IR2130.驱动器采用二个霍尔电流传感器用来检测步进电机的线电流的值。2） 控制电流部分驱动器的控制部分是由比例积分部分，正弦脉宽调制电路，驱动模块IR2130，单片机控制器组成。单片机通过接受控制器发来的步进脉冲，方向信号和细分设置值发出相位相差 120的正弦波，与电机绕组反馈电流相减后再通过比例积分调节器，与15Hz频率的三角波进行电压比较，生成正弦脉宽调制信号，再经过驱动模块IR2130电路控制IGBT的开关，来控制电机绕组中的电流，驱动电机转子运转。3） 开

23、关电源开关电源的主要作用是给驱动器内部的控制电路和驱动模块IR2130提供多路电源。 图2.1 系统的整体硬件结构上图反映了数模混合式pwm的特征，用单片机控制D/A输出在与三角波比较得pwm波形。2.3硬件电路特点 硬件是由单片机、数模转换、三角波发生器、键盘电路组成的。各个系统采用硬件的数量也不相同，而且，各个系统可以根据需要任意扩展，也为计算机的广泛应用提供条件。 1)单片机：由它产生数字信号。 2)数模转换：将单片机产生的数字信号转换为模拟信号，或者将反馈信号转换为数字信号。 3)三角波发生器：发射三角波，在和转换过的模拟信号比较，生成脉宽。4)键盘电路：调节电路。2.4 SPWM工作

24、原理7脉宽调制技术建立在以下理论基础上21:在采样控制理论中有一个重要的结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段的特性非常接近，仅在高频段略有差异，这是PWM控制的重要理论基础。步进电机的相绕组是明显的质性环节，因此可以用PWM技术来控制电机绕组的电流大小。把正弦半波分成N等份，就可把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同

25、样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使脉冲的中点和相应正弦等分点的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就可得到所示的脉冲序列。这就是PWM波形，可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波形是等效的。像这种脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。要得到所要求的PWM波形通常采用调制的方法，就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波(通常采用等腰三角形)，通过对载波的调制得到所期望的

26、PWM波形。正弦pwm的信号为正弦波，就是正弦波等效成一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，如图，这个由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周期波形等效成为spwm波形。wtwt图 2.2 spwm波形第3章 相关器件性能介绍3.1 SPCE061A的介绍 SPCE061A是继SPTM系列产品SPCESOOA等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCESOOA不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH)。较高的处理速度使SPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCESO

27、OA相比，以SPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。3.1.1 SPCE061A性能16 位nSPTM微处理器；工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5VCPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置2K字SRAM；内置32K FLASH；晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2A，3.6V2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A / B时基，2个外部时钟源输入，

28、键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码 SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；32768Hz 实时时钟；7 通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有 WatchDog 功能。3.1.2 SPCE061A单片机硬件结构 SPCE061 A芯片内部集成了ICE(在线实时

29、仿真/除错器)、FLASH(闪存)、SRAM(静态内存)、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环(PLL), ADC(模拟数字转换器), DAC(数字模拟转换器)输出、U ART（通用异步串行输入输出接曰)、SIO串行输入输出接口)、低电压监测/低电压复位等模块。在本章中我们将详细介绍各个模块的结构及应用。如图3-1所示： 图3.1 SPCE061A硬件结构图用户寄存器 SP:堆栈指针 R1-R4通用寄存器 BP基指针 SR:段寄存器 NZSC 4个标志位 DS:数据段选择控制位 PC：程序计数器 SHIFTER移位器 ALU算术逻辑单元 ADDRGEN地址编码器3.1.4

30、 NspTM的核心结构 nSPTM的核心由总线、ALU算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。ALU算术逻辑运算单元nSPTM的ALU非常有特色，除了一般基本的16位算术逻辑运算，还提供了结合算术逻辑的 16 位移位运算。在数字信号处理方面，提供了高速的16 位16位乘法运算和内积(乘加)运算。16 位算术逻辑运算nSPTM与大多数 CPU一样，提供了基本的算术运算与逻辑操作指令，加法、减法、比较、补码、异或、或、与、测试、写入、读出等 16 位算术逻辑运算及数据传送操作。结合算术逻辑的 16 位移位运算nSPTM的移位运算包括：算术右移 ASR、逻辑左移 LSL、逻辑右移 LS

31、R、旋转左移ROL 及旋转右移 ROR。nSPTM的移位器 shifter 就串接在 ALU 的前面，也就是说，操作数在经过移位处理后，马上会进入 ALU 进行算数逻辑运算。所以，nSPTM的移位指令都是复合式指令，一个指令会同时完成移位和算术逻辑运算。程序设计者可利用这些复合式的指令，撰写更精简的程序代码，进而增加程序代码密集度 (Code Density)。在微控制器应用中，如何增加程序代码密集度是非常重要的问题；提高程序代码密集度可以减少程序代码的大小，进而减少ROM或FLASH的需求，以降低系统成本与增加执行效能。16位*16 位的乘法运算和内积(乘加)运算除了普通的 16 位算数逻辑

32、运算指令外，nSPTM还提供了高速的 16 位 16 位乘法运算指 令 MUL， 和 16 位 内 积 运 算 指 令 MULS。 二 者 都 可 以 用 于 有 符 号 数 相 乘(signed signed) 或无符号数与有符号数相乘 (unsigned signed)的运算。在nSPTMISA1.1 指令集下，MUL 指令只需花费12 个时钟周期，MULS 指令花费 10n+6个时钟周期，其中 n 为乘加的项数。例如：“MR=R2*R1 ，4”表示求 4 项乘积的和，MULS指令只需花费 46（104+6=46）个时钟周期。这两条指令大大的提升了nSPTM的数字信号处理能力。寄存器组nS

33、PTM CPU 的寄存器组一共有 8个16 位寄存器，可分为通用寄存器和专用寄存器两大类别。通用寄存器包括：R1R4，作为算术逻辑运算的来源及目标寄存器。专用寄存器包括 SP、BP、SR、PC，是与 CPU 特定用途相关的寄存器。通用寄存器 R1-R4 (General-purpose registers)可用于数据运算或传送的来源及目标寄存器。寄存器 R4、R3 配对使用，还可组成一个 32 位的乘法结果寄存器 MR；其中 R4 为 MR 的高字符组，R3 为 MR 的低字符组，用于存放乘法运算或内积运算结果。堆栈指针寄存器 SP (Stack Pointer)SP 是用来纪录堆栈地址的寄存

34、器，SP 会指向堆栈的顶端。堆栈是一个先进后出的内存结构，nSPTM的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。CPU 执行 push、子程序调用 call、以及进入中断服务子程序(ISR，Interrupt Service Routine) 时，会在堆栈里储存寄存器内容，这时 SP 会递减以反映堆栈用量的增加。当 CPU 执行 pop 时、子程序返回ret、以及从 ISR 返回 reti 时，SP 会递增以反映堆栈用量的减少。nSPTM堆栈的大小限制在 2K 字的 SRAM 内，即地址为 0x0000000x0007FF 的内存范围中。基址指针寄存器 BP (Base Pointer)nSP

35、TM提供了一种方便的寻址方式，即基址寻址方式BP+IM6；程序设计者可通过BP 来存取 ROM 与 RAM 中的数据，包括：局部变量（Local Variable）、函数参数（FunctionParameter）、返回地址（Return Address）等等。BP 除了上述用途外，也可做为通用寄存器 R5，用于数据运算传送的来源及目标寄存器。因此，在本书或程序中，BP 与 R5 是共享的，均代表基址指针寄存器。程序计数器 PC (Program Counter)它的作用与一般微控制器中的 PC 相同，是用来纪录程序目前执行位置的寄存器，以控制程序走向。CPU 每执行完一个指令，就会改变 PC

36、的值，使其指向下一条指令的地址。在nSPTM里，16 位的 PC 寄存器与 SR 寄存器的 CS 字段，共同组成一个 22 位的程序代码地址。状态寄存器 SR (Status Pointer)SR内含许多字段，每个字段都有特别的用途，如图 2.1所示。其中包含两个 6 位的区段选择字段: CS (Code Segment)，DS (Data Segment)，它们可与其它 16 位的寄存器结合在一起形成一个 22 位的地址，用来寻址 4M字容量的内存。 SPCE061A只有 32K字的闪存，只占用一页的存储空间，所以CS和DS字段在SPCE061A中都是设为 0。3.2 AD7520的性能介绍

37、AD7520的内部结构图类似图3.2，只有它是由10个节点的倒置R-2R倒T型网络等组成，并将运算放大器的反馈电阻RF与道T型网络电阻的性能及所处环境保持一致，以提高器件的转换精度。它内部不含运算放大器，使用时需外加。图4.1为AD7520的引脚图。图 3.2 AD7520引脚图D0D9是10个数码控制位，控制内部CMOS的电流开关。IO1和IO2是电流输出端。Rf端是反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。UREF端是基准电压输入端。+UDD端接电源的正端。GND端为接地端。主要技术指标1 分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为位的数模转换器中 ， 输出电

38、压能区分个不同的输入二进制代码状态，能给出 个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用数模转换器的最小输出电压 ( 对应的输入二进制数只有最低位为 1) 与最大输出电压 ( 对应的输入二进制数的所有位全为 1) 的比值来表示 。 2 转换精度 数模转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差、这误差是由于参考电压偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等原因所引起的。3 输出建立时间 从输入数字信号开始，到输出电压或输出电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。目前，在不包含参考电压源和运算放大器的单片集成数模转换器中，建立时间一般不超

39、过1.4 线性度 通常用非线性误差的大小表示数模转换器的线性度。产生非线性误差有两种原因：一是各位模拟开关的压降不一定相等，而且接 和接地时的压降也未必相等；二是各个电阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的电阻阻值的偏差对输出模拟电压的影响又不一样。此外还有电源抑制比、功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术指标 。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第4章 驱动电路设计4.1单片机控制电路单片机控制器输入信号包括步进脉冲信号CP，方向控制信号，IR2130的故障信号，脱机信号等，这几种信号连接到单片机的引脚上。另外还有细分步数选择信号。驱动器每接受到一个步进脉

40、冲将驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，方向信号指明步进电机顺时针或逆时针转动。当出现脱机信号时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处在自由状态。通过SPCE061A和两种同道16位数模转换器（DAC）输出两相相位差120的正弦波。DAC用电源作为参考电压，Vdd(+5V)作为上限参考电压，Vss（0V）作为下限参考电压。在实际工作时，电机绕组电流为阶梯状，正弦阶梯电流的每一阶与电机的每一步相对应，电机每转的步数就是每一个周期正弦电流的阶梯数与电机的磁极对数的乘积。4.2电平转换与第三相正弦波合成电路驱动器中的三角波发生电路，脉宽调制电路等均由运算放大器电路构成，三角波的频率可到十

41、几K赫兹，因此需要用用高速运算放大器。经过试验，摩托罗拉公司的TL084能满足上述要求，其为4运放集成芯片。内接频率补偿电路和短路保护电路，四个运放之间具有良好的匹配性能和隔离性能，同道隔离度为120dB，输出电压速率为16V/us，单位增益带宽乘积为4MHz，开环电压增益为150V/mV，输入失调电流为5mA，适用于高速数据采集系统，高速A/D转换系统等领域。根据转换精度的要求，D/A转换器既可以选择8位的，亦可以选择12位的，本控制系统选用的是8位D/A转换器MAX516.MAX516把4个比较器组合在单个的CMOS IC（DIP20封装）上，4个D/A转换器共享一个参考输入电压。每个转换

42、器的输出电压均采用下式表示： （4-1）N=0，1，2.,256，对应于8位的DAC的输入码D0-D7.通过调节的变化范围，便可以调节步进电机绕组中的电流的幅值。数模转换器D/A的输出电压范围是0-5V，因此输出的正弦阶梯波也被限制在此范围内，如下图所示。需要进行电平转换，从0-5V变换为-5V- +5V，该电路如下图所示该电路中运放的正相输入端接来自单片机输出的正弦波，即图4.1 单片机的输出波形图4.2 电平转换电路对于上图中的集成运放用虚短和虚断的概念，有： （4-2）取R1=R2，得以下公式： （4-3）代入，VCC=5V和，得4-4公式： （4-4）该电路的输出将正弦波由0-5V转换

43、成-5V-+5V。三相混合式步进电机一般把三相绕组连接成星形或者三角形，按照电路基本定理，三相电流之和为零，即。通过电路在控制电路中加入两个霍尔电流传感器即得到，而的获得通过一个减法器既可以得到。单片机只需要产生两相绕组的给定信号，第三相绕组的给定信号可根据其它两相求得，第三相正弦波合成电路如下4-5图所示：图4.3第三相正弦波合成电路运放反向输入端的节点列方程： （4-5）当R1=R2=R3时，有以下公式： （4-6）4.3电流反馈和比例积分电路对电机绕组线电流的检测使用的是霍尔电流电流传感器。众所周知，在有电流流过的导线周围会感应出磁场，该磁场与流过的电流的关系，可由安培定理求出。霍尔器件

44、以霍尔效应为其工作基础，用霍尔器件检测由电流感应的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的电流的值。由此，可以构成霍尔电流传感器。霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的无电位检测，即测量电路不必接入被检测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入，输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的影响，检测电路也不受被检测电路的影响。霍尔传感器可以检测从直流到100KHz的各种波形的电流，精度高，线性度好，响应时间大大减小。由于这些优点，霍尔电流传感器得到了极其广泛的应用，很适合对步进电机绕组中电流的检测。在本驱动器中，用两个霍尔传感器分别检测三相电机中两相的绕组中的

45、电流，第三相绕组的实际电流如4-5图示所示：选用的霍尔电流传感器的检测电流与输出值之比为500：1，即电机的电流为10A时，传感器输出为20mA的电流。电流反馈信号通过电阻转化为电压信号，经过电压跟随器送入比例积分调节电路。电压跟随器的输出电阻很小，输入电阻很大，能真实的将信号传递给负载，而向信号源所取得电流极小。比例积分调节器的比例调节作用，可以使得系统动态响应速度较快；而其比例积分调节作用，又使得系统基本上无静差。下图所示是点击一相绕组的电流反馈和比例积分电路，该电路的比例积分放大倍数为R2/R1，积分时间常数为R1C。图4.4电流反馈和比例积分电路4.4 脉宽调制电路该电路的作用是将比例

46、积分调节器的输出信号调制成相应脉冲宽度的矩形波，通过IR2130控制IGBT的导通与关断，使电机相电流为正弦波。电路由三角波电路和电压比较器组成。三角波发生器的电路图如下所示。图4.5 三角波发生器的电路三角波电路由滞回比较器和积分器闭环组合而成，滞回比较器输出方波，积分器可将方波变为线性的三角波，积分器的输出反馈给滞回比较器。电路的工作波形如下图所示：图4.6电路的工作波形由于高质量集成运放的开环放大倍数很大，输入偏置电流很小，失调电压也很小，一般可按理想情况考虑。因此在开环状态下，只要反相输入端U-的电位高于同相输入端U+的电位，则输出为负电平-Uz，反之，则输出为高电平+Uz.当滞回比较器其输出Uo1=+Uz时，则积分器的电容C充电，同时Uo按线性逐渐下降，当使滞回比较器运放的U+略低于U-时，即电位略低于0时，Uo1从+Uz跳变为-Uz。在Uo1=-Uz后，电容C开始放电，Uo按线性上升，当使运放的U+跳变略大于0时，Uo1从-Uz跳变为+Uz，如此