毕业论文方案验证部分

2.1 电动机的选择
步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即：给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。
因此，基于本课题《移动机器人驱动电路设计与设计》，作一个步进电动机的驱动电路。
首先，我选定了相电压为12V，相电流为0.5A的两相双极性步进电机MC35ST28，它的规格指标如表2-1所示。
表2-1　MT35ST28步进电机规格指标
名称 指标
步距度 1.8 rad
步距度精度  5%（整步，空载）
电阻精度  10%
电感精度  20%
温升 80 MAX（额定电流）
环境温度 －10 ～＋50
绝缘电阻 100MΩ　Min. 500VDC
绝缘强度 500VAC，持续一分钟
轴最大径向力 28N
轴最大轴向力 10N
轴径向间隙 0.02max
轴轴向间隙 0.08max
针对MT35ST28步进电机，其相电压为12V，相电流为0.5A，每相电感为13.5mh，每相电阻为20Ω，静力矩为0.098Nm, 引线数4。

步进电机有如下特点：
1、步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此，当它转一圈后，没有累积误差，具有良好的跟随性。
2、由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价以非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的数控闭环系统。
3、步进电动机的动态响应快，易于启动、正反转及变速。
4、速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
5、步进电机只能通过脉冲电源供电才能工作，不能直接使用交流电源和直流电源。
6、步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
2.2 细分设计方案论证
2.2.1 方案一：L297+L298
L297是步进电机控制器,适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制,可有半步、整步和波状三种驱动模式。片内PWM斩波电路允许开关式控制绕组电流。该器件的一个显著特点是仅需时钟、方向和模式输入信号。步进电机所需相位由电路内部产生，大大减小了CPU的负荷
L298是内部含有两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动电路，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱电压46V、每相2.5A及以下的步进电机。每个桥都有一个全能输入端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，每个桥的桥臂低端三极管的发射极连接在一起并引出，用于外接检测电路。它设置了一个附加电源输入端使逻辑部分在低电压下工作。
使用L297+L298可以做成两相双极性步进电机的驱动电路，它是采用定电流方式驱动的，每相电流峰值可到达2A，L297是步进电机控制器，用来产生两相双极性驱动信号（A、B、C、D）与电机电流设定，L298是用来驱动步进电机的电力输出，是双全桥连接方式驱动，由于采用双全桥驱动，因此电机线圈完全利用，使步进电机可以到达最佳的驱动。驱动原理图如图2-1所示。
在以上设计的基础上，加出两个D/A转换器改变步进电机每绕组的VREF时，就组成了步进电机的细分驱动。
 
2.2.2 方案二：89C51+TA8435H驱动
单片机已经无处不在，与我们生活更加相关，并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小，也就是其集成的特性，其内部的结构是普通的计算机系统的简化。在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。单片机的可扩展性是相当好的。单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理，可以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。
89C51指的是ATMEL公司的 89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取代了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。
 
图2-1　L297+L298步进电机驱动电路
输入输出引脚：
P0端口[P0.0-P0.7] P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个TTL。
对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。
P1端口[P1.0－P1.7] P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接收低8位地址信息。
P2端口[P2.0－P2.7] P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。
P3端口[P3.0－P3.7]P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。输出时可驱动4个TTL。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash 程序存储器编程时，接控制信息。除此之外P3端口还用于一些P1-3端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。
表2-2　89C51单片机P3端口第二功能
端口引脚 第二功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 INT0(外中断0)
P3.3 INT1（外中断1）
P3.4 T0(定时／计数器0外部输入)
P3.5 T1(定时／计数器1外部输入)
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
89C51 最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能。但针对于本设计，不会用到ISP功能，因此，没有必要选择有该功能的单片机。
TA8435H,它是基于PWM斩波的双极性步进电机驱动芯片，主要有以下特点：
输出电流可上升到1.5A(AVE)和2.5A（PEAK）、PWM斩波类型、由高电压的Bi-CMOS进程技术构成、能驱动步进电机的正反转的转换、有整步、半步、1/4细分、1/8细分四种细分方式、提供复位和使能端口（低电平有效）可利用等。
光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
2.2.3 方案选定
在方案一中，实现步进电机细分驱动时，需要外接D/A转换器，且要用到L297+L298两块芯片，且不能自动细分，就需要设计外围电路来实现细分，因此，必然会导致资源浪费和精度低等问题。
而在方案二中，采用TA8435H芯片，能自动细分，且精度高，集成度好，这样，就很好的解决了这个问题，另外，还加入了一个光耦隔离电路，使电路得到了很好的保护。
因此，基于两方案的对比，采用第二种方案来做步进电机的驱动电路。
步进电动机选定之后，就为步进电机设计其驱动电路，该驱动电路的整体结构图如图2-2所示。
 
图2-2 步进电机驱动电路设计结构图
下载电路部分是由74HC244芯片及外围电路组成，74HC244A芯片的功能在于将电脑中并行输出的程序在它当中锁存起来，并转换成串行方式输出。脉冲分配部件采用的是89C51单片机，在程序的控制下，它能在晶振时钟的激励下，产生控制功率驱动部件的行为。
光耦隔离电路的主要部件是TLP521，之所以要加入光耦隔离电路，其原因在于：脉冲分配单元采用的是89C51单片机，其工作电压是5V；而功率驱动单元采用的是TA8435H，该芯片的工作电压为12V，归根结底是避免电动机对单片机的干扰，可以起到保护作用。
功率驱动部分采用的是TA8435H,它是基于PWM斩波的双极性步进电机驱动芯片，主要有以下特点：输出电流可上升到1.5A(AVE)和2.5A（PEAK），PWM斩波类型，由高电压的Bi-CMOS进程技术构成，能驱动步进电机的正反转的转换，有整步、半步、1/4细分、1/8细分四种细分方式，提供复位和使能端口（低电平有效）可利用等。之所以选择TA8435H芯片作为步进电机的驱动芯片，最重要的原因在于它能自动细分，精度高，适合实验室现有的条件。
软件方面，通过C语言编程实现MT35ST28两相双极性步进电机正转、反转、加速和减速，以及工作模式的选择，本设计选择整步工作模式。