1、步进电机运动控制系统设计（二）PMM8713 是日本三洋电机公司生产的步进电机脉冲分配器。该器件采用 DIP 16 封装，适用于二相或四相步进电机。PMM8713 在控制二相或四相步进电机时都可选择三种励磁方式(1 相励磁，2 相励磁，3 相励磁三种励磁方式之一)，每相最小的拉电流和灌电流为 20mA，它不但可满足后级功率放大器的要求，而且在所有输人端上均内嵌有施密特触发电路，抗干扰能力很强，其原理框图如图 1 所示，表 1 所列是 PMM8713 的引脚功能。在 PMM8713 的内部电路中，时钟选通部分用于设定步进电机的正反转脉冲输入法。PMM8713 有两种脉冲输人法:双脉冲输人法和单脉
2、冲输人法。采用双脉冲输人法的连线方式如图 4-3-2(A)所示，其中 CPI CA 两端分别输人步进电机正反转的控制脉冲。当采用单脉冲输人法时，其连线方式如图 2 所示； 图 4-3-2 8713 脉冲输入图 4-3-3 PWM8713 的引脚图PMM8713 功能介绍PMM8713 是专用的步进电机的步进脉冲产生芯片,它适用于三相和四相步进电机。如图 1 所示 PMM8713 的引脚,Cu 为加脉冲输入端,它使步进电机正转,Cp 为减脉冲输入端,它使步进电机反转,Ck为脉冲输入端,当脉冲加入此引脚时,Cu 和 Cp 应接地,正反转由U/ D 的电平控制,EA 和 EB 用来选择励磁方式的,可
3、以选择的方式有一相励磁、二相励磁和一二相励磁,C 用来选择三、四相步进电机,Vss 为芯片工作地,R 为芯片复位端,41 为四相步进脉冲输出端,31 为三相步进脉冲输出端,Em 为励磁监视端,Co 为输入脉冲监视端,VDD 为芯片的工作电源( + 4 + 18V).其具体的原理框图如 4-3-4 所示: 图 4-3-4 驱动电路框图4.4 显示电路与键盘的选择 显示电路的用 8279 芯片来驱动，8279 芯片分别接两排显示器，每排为 4 位显示，分别用来显示步进电机的实际转速与给定转速。8279 与 CPU 的连接框图如 4-11 所示：图 4-4 8279 与 CPU 的接线图8279 芯
4、片的具体介绍如下；1) DB0DB7：双向数据总线。在 CPU 于 827 数据与命令的传送。2) CLK：8279 的系统时钟，100KHZ 为最佳选择。3) RESET：复位输入线，高电平有效。当 RESET 输入端出现高电平时，8279 被初始复位。4) /CS：片选信号。低电平使能，使能时可将命令写入 8279 或读取 8279 的数据。5) A0：用于区分信息的特性。当 A0=1 时，CPU 向 8279 写入命令或读取 8279 的状态；当 A0 为 0 时，读写一数据。6) /RD：读取控制线。/RD=0,8279 会送数据至外部总线。7) /WR：写入控制线。/WR=0,827
5、9 会从外部总线捕捉数据。8) IRQ：中断请求输出线，高电平有效。当 FIFO RAM 缓冲器中存有键盘上闭合键的键码时，IRQ 线升高，向 CPU 请求中断，当 CPU 将缓冲器中的输入键数的数据全部读取时，中断请求线下降为低电平。9) L0SL3：扫描输出线，用于对键盘显示器扫 描。可以是编码模式（16 对 1）或译码模式（4 对 1） 。10) RL7：反馈输入线，由内部拉高电阻拉成高电平，也可由键盘上按键拉成低电平。11) FT、CNTL/STB ：控制键输入线，由内部拉高电 阻拉成高电平，也可由外部控制按键拉成低电平。12) TB03、OUTA03：显示段数据输出线，可分别作为两个
6、半字节输出，也可作为 8 位段数据输出口，此时 OUTB0 为最低位， OUTA3位最高位。13) 消隐输出线，低电平有效。当显示器切换时或使用消隐命令时，将显示消隐。具体芯片理框图如 4-4-1 所示：图 4-4-1 8279 的引脚图键盘的连接一般有两种方式，一种是独立式键盘；一种是行列式键盘。独立式键盘就是各个键相互独立，每个键盘接一根输入线，通过检测输入线的电平状态来确定那个键按下。这种键盘的输入线较多，结构复杂，一般适用于按键较少操作速度较高的场合。而行列式键盘是由行和列线交义组成，一般用于按键较多的场合。本次设计一共用 9 个键因此采用行列式键盘。具体的原理图如 4-4-2 所示:
7、图 4-4-2 键盘连接图显示电路的选择显示电路选用两排 LED 显示，每排分别为四位。能满足设计的要求，转速范围为 0 至 1000。LED 显示电路有两种接法，一种为共阴极，一种为共阳极。原理图如 4-14 所示:、图 44-3 显示器接线图4.5 反馈电路的选择 应选用光电编码器作为反馈元件，光电编码器与步进电机是同轴的输出经过放大送到计算机。并通过显示器显示出步进电机的实际转速。关于光电编码器的说明如下；4.5.1 光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上
8、等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图 4-5-1 光电编码器的原理图根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。本次设计用绝对式编码器其原理如下：绝对编码器是直接输出数字量的传感器，它的圆形码盘上沿径向有若干同心磁道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数
9、码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、
10、二进制补码等。它的特点如下：1) 可以直接读出角度坐标的绝对值；2) 没有累积误差；3) 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有 10 位、14 位等多种。4.6 电源电路设计 本次设计用了+5V、+12V 电源，采用的是 78 系列的集成固定三端稳压管。78 系列集成稳压器输出稳定，漂移小，精度也比较高。其内部也有完善的保护电路。它有风部过流保护，保证输出电流部会超出最大允许值；它有内部热保护电路，如果输出管的结温达到允许的最大值，它会知道减小输出电流；它内部还有工作区限制电路。使稳压器的工作台不进入不安全区。因此，它的可靠性高。另外，
11、它只有三条引脚，移位输入，移位输出，移位公共端，使用起来很简单。1.变压电源变压器将 220V 的交流电压变为所需的交流电压值。因为在整流、滤波和稳压电路中有一定的压降，所以要使输出电压比所需电压高2V3V。2.整流整流电路将交流电压变为脉冲的直流电压，常用的整流电路有单相半波，全波，桥式和倍压整流电路。这里采用单相桥式不可控整流电路。3.滤波滤波电路用于滤去整流输出电压中的波纹，一般由电抗元件组成。如要负载两端并联电容或与负载串联电感 L。以及 C 和 L 组合而成的各种复式滤波电路。因为电容滤波电路简单，负载直流电压较高，波纹较小，所以我们采用的是电容式滤波。4.稳压稳压的作用电当电网电压
12、波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计采用三端集成稳压器，常用的是 7800 系列和 7900系列。前者是三端固定正输出集成稳压器，后者是三端固定负输出极集成稳压器，整流后的输出波形与纯直流相差甚远，须经滤波才能作直流电源用。最常用的元件是电容。整流输出的电压升高时，输出的电流一面供给负载应用，一面给滤波电容充电。当整流输出电压开始下降时，电容向负载放电以维持输出电压，总的输出电压波形就平滑得多。下面以电源+12V 为例介绍一下电路的工作原理：图 4.6 +12 电源电路图220V，50HZ 的交流电压变压后，输出+15V 左右的交流电压其频率仍为 50HZ，交流信号经桥式整流
13、电路进行全波整流，然后，经电解电容滤波。最后，经 CW7805（三端固定稳压器）输出的便是一个平稳的+12V 的直流电压信号。电容 C4 和 C5 的作用是滤高频波和抑制自激振荡。4.7 抗干扰设计 由于系统中不可避免会从外界引入干扰，影响系统的控制精度，使系统的稳定性变差，故采用了硬件和软件抗干扰措施。1.干扰对微机的作用可分为四部分：输入系统：它使模拟信号失真，输入数据信号出错。输出系统：使各输出信号混乱，不能反映微机系统的真实输出量。从而导致一系列严重的后果，同时，还把现场的高电压设备与主机隔离，防止出现高频干扰现象。微机控制的内核，使三总线上的数据信号混乱，CPU 得到错误的数据信息，
14、使运算操作数失真。电源系统：我们设计所采用的芯片都由直流稳压电源供电。这些直流稳压电源都是由 220 伏转化而来，有可能产生波动现象。使电源的压降上升或下降，对主机运行产生干扰。2.本次设计采用的硬件抗干扰措施有：在电路排列方面，模拟电路和数字电路之间集中在一起，器件之间尽量缩短距离减小寄生电容。在线路设计中，将所有器件的模拟地线和数字地线都区分开，两者的地线不要混乱，分别与电源地线相连。电源系统的干扰大部分是高次谐波，然后接稳压器件，以保持电源稳定。采用分散独立功能模块供电，在每块系统功能模块上用集成三端固定稳压器如 7805、7812、7815、7915 等稳压源，而且也减少了公共阻抗的相
15、互耦合，大大提高了供电的可靠性。3.程序监视系统中的抗干扰（电源部分）WATCHDOG 本身能独立工作，基本上不依赖于 CPU，当电源受干扰而掉电时，WATCHDOG 自动产生中断。使 CPU 备用电源起作用，对 CPU 正在执行的数据进行保护。4.8 看门狗电路 工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成系统故障的多数现象为“死机” 。究其原因是 CPU 在执行某条指令时受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时,CPU 执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环” 。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正
16、常工作，就是看门狗。若程序发生“死机” ，则看门狗电路产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。此外，工业现场由于诸多大型用电设备的投入或撤出电网运行，往往造成系统的电源电压不稳定，当电源电压降低或掉电时，会造成重要的数据丢失，系统不能正常运行。若设法在电源电压降至一定的限值之前，单片机快速的保存重要数据，将会最大限度地减少损失。在掉电方式下单片机内所有运行状态均被停止，只有片内 RAM 和 SFR 中的数据被保存起来。在单片机系统可借助于一定的外部附加电路监测电源电压，并在电源发生故障时及时通知单片机（本次设计是通过引发 INT0 中断来实现的）快速保存重要数据，使电源恢复正常，取消掉电
17、方式，通过复位单片机，使系统重新正常。4.8.1 MAX813L 功能简介 MAX813L 是美国 MAXIM 公司推出的微处理机系统监控集成芯片，该芯片的价格低，减少了器件个数，所构成的电路性能更可靠，MAX813L 提供如下四种功能：1.上电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为 200MS。2.独立的看门狗输出。如果看门狗在 1.6S 内未被触发，其输出将变为低电平。3.1.25V 门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V 以外的电源的监控间6。4.低电平有效的手动复位输入。4.8.2 看门狗电路各引脚功能 .手动复位输入端（MR）：当该端输入低电压保
18、持 140ms 以上，MAX813L 就输出复位信号。输入端的最小输入脉冲宽要求可以有效的消除开关的抖动。2.工作电源端（VCC）：接+5V 电源。3.电源接地端（GND）：接 0V 参考电平。4.电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于 1.25V 时，5 号引脚输出端的信号有高电平变为低电平。5.电源故障输出端（PFO）：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。6.看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于 1.6s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过 1.6s 该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。
