基于PMM8713的标准转速装置研制*

周 敏

(江苏省镇江市计量所，镇江 212009)

0 引言

标准转速装置是用来对转速表进行检定的装置，由于目前使用的标准转速装置比较笨重，准确度较低，且到企业现场检定不方便等原因，我们采用单片机和PMM8713设计出标准转速装置。它由信号源、信号调理电路、电机及驱动电路、齿轮箱等组成。由于步进电机的旋转是以固定的角度(步距角)一步一步运行的，没有累计误差，所以用于本设计比较合适。

1 系统总体设计

利用单片机AT89S52定时器产生方波信号作为信号源，经信号调理电路处理后产生符合步进电机时序要求的信号序列，送至电机驱动电路，驱动步进电机，带动齿轮装置输出。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 信号源及显示启停设计

采用MCS-51单片机(AT89S52)作为控制器，利用它的定时器中断产生方波信号作为信号源，利用它的I/O口控制液晶显示器及启停开关。

3 信号调理电路设计

由于步进电机的特点及其控制驱动的要求，步进电机与其他控制电机最大区别在于，步进电机是通过输入脉冲信号来进行控制，每输入一个脉冲信号，电机就转动一个固定角度，电机的转动总角度由输入脉冲数目决定，电机的转速由输入脉冲的频率决定。步进电机不同于其他交流电机还在于：仅仅接上电源，电机并不转动，还必须接上相应的脉冲分配驱动器，驱动器的输出为步进电机各相提供带有通电顺序的励磁电流。所以，步进电机的工作性能，在很大程度上取决于所使用驱动电路的性能指标。

PMM8713是由日本Sanyo(三洋)电机公司生产的步进电机控制用脉冲分配驱动器(又称逻辑转换器)，为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。此外，PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能，其内部有时钟选通、激励方式控制、可逆环形计数、激励方式判断等电路。因为PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。PMM8713外围电路(3相控制)如图2所示。

图2 PMM8713外围电路

图3 PMM8713输出控制电路

图2中，f0是由AT89S52产生的方波信号，接到PMM8713芯片的时钟端(3号引脚)，该信号经PMM8713处理后，在O1、O2、O3脚输出符合步进电机时序要求的信号。图中电阻R30和稳压管D7为保护电路，防止输入的方波信号电压过大损坏PMM8713芯片。

PMM8713上电后，如果3脚Ck没有信号输入，则13脚O1一直输出高电平，如果直接与功率器件的基极相连，会导致功率器件过载发热甚至烧毁。因此，可以利用74HC245和HEF4081的组合来控制O1、O2、O3的输出，如图3所示。

在系统上电时，用AT89S52的I/O口设置74HC245的2脚输入端为低电平，同时设置74HC245的使能端19脚为低电平，使74HC245的18脚输出低电平，这样无论O1输出如何HEF4081的第3脚都输出低电平。再将PMM8713的15脚Co(freq_out)通过光电藕合连接到单片机AT89C52的INT0脚(如图4所示)，一旦检测到PMM8713开始工作，AT89S52就设置74HC245的第2引脚为高电平，这样74HC245的18脚就输出高电平，打开HEF4081与非门，使O1、O2、O3脚输出的步进电机时序信号可以通过本级与非门控制。同时，为了使系统更加安全可靠,又增加了一级与门控制,由手动开关信号(PWMctrl开机时为低电平)接到第二级“与门”的一个“与”引脚,前一级“与门”输出接到第二级“与门”的另一个“与”引脚,由第二级“与门”的输出接到功率管TIP142的基极,这样的冗余设计增强了系统的可靠性(如图3所示)。

图4 检测PMM8713是否工作的电路

4 电机驱动电路设计

由于外接的步进电机功率较大，PMM8713输出的步进电机驱动时序信号驱动能力不足，所以步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把时序脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统发出的每一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机转一步距角。

设Z为转子的齿数，N为步进电机的工作拍数，f为脉冲频率(Hz)，则：

所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。通过控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速。

考虑到步进电机的功耗大，我们选用TIP142作为功率开关管。PMM8713的O1、O2、O3引脚输出的各相时序信号经过两级“与门”电路送至TIP142的基极，放大后驱动步进电机。步进电机驱动电路(以O1相为例)如图5所示，其中MG1为步进电机。

图5 步进电机驱动电路

5 几个值得注意的问题

5.1 TIP142的使用

使用TIP142，不仅要考虑最大的Ic，还有个重要的参数就是集电结功耗。CE压降乘以Ic就是集电结功耗。TIP142最大集电结功耗在25℃时是125W，每上升1℃最大功耗降低1W。所以通常加装比较好的散热器来降低温度。

5.2 步进电机的力矩会随转速的升高而下降

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，步进电机随转速的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。所以我们用D1作为续流二极管，配合C1和R1来消除反向电动势的影响，如图3所示。

5.3 升降速设计

步进电机速度控制是靠输入的脉冲信号变化来改变的。从理论上说，只需给驱动器脉冲信号即可，每给驱动器一个脉冲(CP),步进电机就旋转一个步距角。但实际上，如果脉冲CP信号变化太快，步进电机由于惯性，它的机械运动将跟不上电信号的变化，这时会出现失步现象。所以步进电机在启动时，必须有升速过程，在停止时，必须有降速过程。升降速规律是根据实际选定的步进电机，经过多次现场试验总结出的规律数据，可将它存储在单片机的存储器中，实际工作时可直接调用。

6 结束语

该标准转速装置准确度等级为0.1级，经江苏省计量科学研究院检定合格，已经实际运行2年多，目前状态良好。

[1] 袁峥，等.高精度步进电机脉冲分配器设计.电力自动化设备，2005(12)

[2] 洪维华，等.一种新型步进电机脉冲分配器的研究.微电机，2004(02)

[3] 周明安，等.步进电机驱动技术发展及现状.机电工程技术，2005(02)

[4] 汪德彪.基于PMM8713的步进运动控制器设计.重庆工业高等专科学校学报，2001(10)

[5] 张友德等.单片微型机原理、应用与实验.复旦大学出版社，1996.7

[6] 刘同法.单片机C语言编程基础与实践.北京航空航天大学出版社，2009

[7] JJG 105—2000 转速表检定规程