目錄 1 1 1 3 4 7 8 1 個(gè)I/O接口電路、一個(gè)計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)串行通信接口、一個(gè)中斷控制器等由英特爾公司于1981年推出?，F(xiàn)在許多新型的單片機(jī)也屬于8051系列，但是它們?cè)?051單片機(jī)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了一些功能。1983年是單片機(jī)快速發(fā)展的時(shí)期。在此期間，以MCS-96系列為代表的16位微控制器被發(fā)明。16位單片機(jī)技術(shù)先問(wèn)世后不久，幾家大公司不斷地推出具有更高性能和技術(shù)卓越的32位單片機(jī)。他們有一個(gè)非常高的集成水平，并使用新的RISC(減少指令數(shù))。與其他單片機(jī)兼容，主頻可達(dá)300MHz以上，對(duì)指令系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，運(yùn)行速度可動(dòng)態(tài)改變，沒(méi)有高級(jí)語(yǔ)言編譯器，并具有強(qiáng)大的中斷控制系并有同步和異步通信控制系統(tǒng)。這種類(lèi)型的微控制器主(1)具有較高的可靠性(2)性?xún)r(jià)比超高用8位部件，可嘗試不使用16位部件，可使用中間部件，不可使用中間部件。(3)操作簡(jiǎn)易，便于維護(hù)SCM用戶(hù)的使用通常是對(duì)的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)(4)可擴(kuò)展性強(qiáng)本文主要是將STM32F103C8T6單片機(jī)作電機(jī)控制系統(tǒng)中。采用LQF48管腳對(duì)STM32F103C8T6進(jìn)行封裝，工作電壓2V~1.6V,工作溫度40~85攝氏度，采用64kb閃存、8kb靜態(tài)存儲(chǔ)器和2個(gè)十位ADC等豐富的外部資源，可以有效地降低本系統(tǒng)的硬件成本，避免對(duì)資源的浪費(fèi)。STM32F103C8T6芯片實(shí)物圖如圖1.1所示。它的最小系統(tǒng)主要包括STM32單片機(jī)，時(shí)鐘電路，電源管理電路，JTAG電路，復(fù)位電路等，其中STM32時(shí)鐘可通過(guò)內(nèi)部晶振提供或外接時(shí)鐘電路產(chǎn)生，明望明望8留rr11.2電源電路設(shè)計(jì)按照步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)激光旋轉(zhuǎn)加工的要求，激光控制接口板采用5V電源電壓，由于高壓電路中預(yù)留了220V電源接□,因此采用12V直流電源適配器將電源電路轉(zhuǎn)換成5V直流輸出的方法較為合理。采用MP2359DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了一個(gè)12V-5V直流電源。電源電路如圖1.3所示。寧寧亭85*85自鎖開(kāi)關(guān)C113265443步進(jìn)電機(jī)作為目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用十分廣泛的一種控制類(lèi)型的電機(jī)，擁有著控制穩(wěn)定且較為精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，并且在運(yùn)行的過(guò)程中只存在周期性的誤差，不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。其擁有的上述優(yōu)點(diǎn)得益于其工作原理為在設(shè)定了初始轉(zhuǎn)向的情況下每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，隨著脈沖頻率的增加，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度增大。盡管步進(jìn)電機(jī)具有其他電機(jī)所沒(méi)有的精確定位功能，但是由于步進(jìn)電機(jī)本身的特點(diǎn)，它還存在失步、噪聲大等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，目前常用的是分片驅(qū)動(dòng)法。對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)而言，其實(shí)質(zhì)是控制勵(lì)磁線(xiàn)圈內(nèi)的電流，使其在穩(wěn)態(tài)上升過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)態(tài)中間電流狀態(tài)，從而使磁場(chǎng)矢量也產(chǎn)生多重穩(wěn)態(tài)中間狀態(tài)，這一穩(wěn)態(tài)的增加將導(dǎo)致勵(lì)磁線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)矢量間的夾角減小，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)此夾角進(jìn)行控制。馬達(dá)在接收到非細(xì)分脈沖時(shí)，僅在馬達(dá)接收到1/2度的細(xì)分脈沖時(shí)，馬達(dá)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)2/2為保證激光旋轉(zhuǎn)加工的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的穩(wěn)定性和整合性，可在150攝氏度的高溫下工作，作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片能耗較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可支持整步、1/2、1/8、1/16細(xì)分等細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，還可通過(guò)配置相應(yīng)的插頭來(lái)設(shè)置電流衰減方式，并可控制電流值百分比。TB651TB65357 OUT_APNFAU12_5VTQ1和TQ2分別連接STM32F103C8T6步進(jìn)電機(jī)微處理器的PB4和PB5引腳，負(fù)責(zé)控制電流值的百分比。本文將TQ2設(shè)置為0,TQ1設(shè)置為1,因此當(dāng)前值為50%。CLK與步進(jìn)電機(jī)微處理器的PB6引腳相連，負(fù)責(zé)控制脈沖輸入，從而控動(dòng)微電路的開(kāi)啟。RESET連接到步進(jìn)電機(jī)微處理器的引腳PB8,負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)微電和M2同時(shí)調(diào)高，使其以1/8的分段驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行。在這段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)它接收到1600個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)將只旋轉(zhuǎn)一次。CW/CCW與步進(jìn)電機(jī)微處理器的PB9引112A53434567專(zhuān)圖1.5施密特反向觸發(fā)器電路原理圖由于驅(qū)動(dòng)IC的工作電壓為5V,微處理器的工作電壓僅為1.3V,導(dǎo)致微處理器發(fā)送的信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)TB6560AHQ。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本節(jié)在它們之間連接一個(gè)74HC140施密特逆觸發(fā)器，以增加信號(hào)控制，如圖1.5所示。施密特逆VCC74HC140芯片連接5V電源。如果A1引腳是1.3V高，Y1引腳輸出0低。反之亦然，如果A1引腳輸入0V低，Y1引腳輸出5V高。添加施密特逆觸發(fā)器增加了微處理器的控制能力，允許它驅(qū)動(dòng)TB6560AHQ芯片，運(yùn)行正常穩(wěn)定。OUTBM2圖1.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路原理圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路原理圖如圖1.6所示。TB6560AHQ電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)生OUT_BM2和OUT_BP2作為B相功率橋輸出到步進(jìn)電機(jī)，共同控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)(1)主控制器存儲(chǔ)模塊內(nèi)存塊相關(guān)閃存，速度類(lèi)是第10類(lèi)，它對(duì)應(yīng)于控制系統(tǒng)用于訂單數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量。當(dāng)連接到微控制器時(shí)，選擇SPI模式，如圖1.7所示。一共有4條傳輸線(xiàn)，分別用于SD卡上電、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和SD卡定時(shí)輸入。55914SD卡R13223678NCS圖1.7SD卡存儲(chǔ)模塊電路(2)從運(yùn)動(dòng)控制器存儲(chǔ)模塊片來(lái)存儲(chǔ)光電傳感器返回的位置和方向信息。具體的布局如圖1.8所示。該芯片屬于EEPROM,在使用過(guò)程中可以頻繁擦除使用方便，適合本文開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)。18765234圖1.8EEPROM存儲(chǔ)模塊電路耐壓高的特點(diǎn)。它將一些超過(guò)1.3V的外部高電平按鈕輸入電壓轉(zhuǎn)換為微控制器引腳所需的1.3V。具體布局如圖1.9所示。8765B按鍵1+按鍵1-NCNC0.1uF342圖1.9輸入信號(hào)光電耦合電路TLP250光耦是設(shè)計(jì)控制器輸出信號(hào)解耦電路的主要器件。它將單片機(jī)輸出的1.3V控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成24V控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電路如圖1.10所示。隔離電壓達(dá)到2500v。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行速度有一定的限制?？刂菩盘?hào)的傳輸頻率不超過(guò)100khz,設(shè)備高達(dá)2mbps的轉(zhuǎn)換速率滿(mǎn)足系統(tǒng)輸出信號(hào)1NCVCC4GND24V765238__圖1.10輸出信號(hào)光電耦合電路激光旋轉(zhuǎn)加工步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序的功能是完成系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境各模塊的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化。本文所使用的系統(tǒng)工作頻率為48mhz;對(duì)ADC模塊進(jìn)行初始化，本文將ADC模塊的工作模式設(shè)置為自動(dòng)掃描轉(zhuǎn)換，4個(gè)采樣通道，時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生；初始化振蕩器模塊，基本設(shè)置PWM工作模式。輸出和循環(huán)控制。初始化UART串□通信，設(shè)置發(fā)送和接收端口、波特率等參數(shù)[11]。此外，還包括獲取主機(jī)信息、讀取撥碼開(kāi)關(guān)參數(shù)、中斷軟呼叫等功能。初始化后，CCU8中的計(jì)時(shí)器也開(kāi)始運(yùn)行。在主程序中，調(diào)用相應(yīng)的串行通信功能，對(duì)上位機(jī)發(fā)送的信息進(jìn)行處理，判斷是否有中斷響應(yīng)。開(kāi)始開(kāi)始YN圖2.1主程序流程圖激光旋轉(zhuǎn)加工步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件控制算法主要由主程序和中斷程序?qū)崿F(xiàn)。本文的主要功能在PWM中斷程序中實(shí)現(xiàn)，包括速度計(jì)算功能，如圖2.2,兩相SVPWM控制功能，如圖2.3、閉環(huán)控制算法功能，如圖2.4。坐標(biāo)變換，將兩相電流，通過(guò)坐標(biāo)與兩相步進(jìn)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)換為正交軸電流。電機(jī)的正交軸在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。通過(guò)坐標(biāo)將電壓轉(zhuǎn)換回實(shí)際電壓；閉環(huán)控制算法：將參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，將差值注入速度控制器，其輸出作為定子電流與采樣后的交軸分量進(jìn)行坐標(biāo)變換。將當(dāng)前差值輸入當(dāng)前控制器；SVPWM兩相算法，將實(shí)際電壓輸入到兩相SVPWM模塊，輸出PWM占空比，并實(shí)時(shí)改變占空比來(lái)控制MOSFET的通斷，從而控制兩相步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行[121。序開(kāi)始開(kāi)始輸入轉(zhuǎn)速返回圖2.3閉環(huán)控制算法流程圖ADC中斷主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)相電流和母線(xiàn)電壓的采樣后的模數(shù)轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變開(kāi)始開(kāi)始返回本文使用的串口通訊是基于Modbus-RTU通訊協(xié)議下的，圖2.5為其數(shù)據(jù)幀處理的流程圖。NYN時(shí)間YYYNNY圖2.5通信數(shù)據(jù)處理流程圖(1)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)反饋的精確控制在步進(jìn)電機(jī)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用定時(shí)器控制PWM脈沖的個(gè)數(shù)和頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制。改進(jìn)后的處理步驟速度圖如圖2.6所示。圖2.6加工階段速度示意圖如圖所示，本文將整個(gè)處理活動(dòng)大致分為5個(gè)步驟：1.啟動(dòng)：為減少丟失步數(shù)，電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)緩慢加速。2.平穩(wěn)加速：在接觸工件之前，為防止與工件劇烈碰撞，加速度相對(duì)穩(wěn)定。1.快速加速：與工件接觸后，為提高整體加工速度，進(jìn)入快速加速階段。2.高速模式：加速階段結(jié)束后，進(jìn)入高速運(yùn)行模式。5.突然減速：為了避免強(qiáng)烈的噪音和振動(dòng)，需要快速減速，降低步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度13。開(kāi)始開(kāi)始解析主控指令驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)定時(shí)器使能設(shè)定轉(zhuǎn)向與A=0定時(shí)器發(fā)送PWM脈沖脈沖數(shù)>=是階段值A(chǔ)++否是光電檢測(cè)是定時(shí)器失能步進(jìn)電機(jī)復(fù)位結(jié)束到初始位置此階段沒(méi)有運(yùn)行結(jié)束定時(shí)器持續(xù)發(fā)送設(shè)置新的PWM脈沖頻率設(shè)置新的溢出否圖2.7步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)反饋控制流程圖實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)精確控制的軟件控制過(guò)程如圖2.7所示?？刂频幕驹硎情]環(huán)控制，通過(guò)軟件自主和光電檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)。首先，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)將分析主控系統(tǒng)發(fā)送的命令，打開(kāi)相應(yīng)的定時(shí)器，設(shè)置初始控制，將stage的初始值設(shè)為0,然后定時(shí)器每隔一定時(shí)間發(fā)送一個(gè)脈沖，直到發(fā)送完畢。如果脈沖數(shù)大于設(shè)置的溢出值，則步長(zhǎng)值增加1。如果步進(jìn)值不大于5,將設(shè)置一個(gè)新的溢流值和PWM脈沖頻率來(lái)控制下一個(gè)步進(jìn)的轉(zhuǎn)向角度和速度，以此類(lèi)推，直到該步進(jìn)。如果數(shù)字大于5,它將跳出循環(huán)。接下來(lái)，確定本文設(shè)計(jì)的光電探測(cè)器裝置是否觸發(fā)中斷。如果沒(méi)有檢測(cè)到外部中斷，計(jì)時(shí)器繼續(xù)發(fā)送脈沖。當(dāng)檢測(cè)到外部中斷時(shí)，控制定時(shí)器關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)到達(dá)復(fù)位狀態(tài)14]。(2)電磁振蕩器振動(dòng)幅度的控制業(yè)