畢業(yè)論文-二維步進單片機控制工作臺控制系統(tǒng)設計（送全套CAD圖紙 資料打包）

下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763摘要如今，由于工作臺操作簡單，精度高，能夠滿足一般生產需求。正因為如此，所以它廣泛應。本文主要研究的是兩維步進單片機控制工作臺的控制部分。主要的任務就是用單片機實現(xiàn)兩個步進電機的正反轉和速度的控制。本控制系統(tǒng)可以由鍵盤輸入運行的步數(shù)，由 LED 管顯示，信號經單片機轉換，采用軟件對信號進行環(huán)形分配，利用光電隔離器進行光電隔離，經功率放大器進行信號的放大，用放大的信號來驅動步進電機的運行。由各個功能鍵控制系統(tǒng)的運行，按啟動鍵后，步進電機按照輸入的步數(shù)進行走步；如在運行期間按停止鍵，則步進電機停止運行。工作臺的兩頭都有行程開關，如果超出了極限位置，行程開關閉合，步進電機停止轉動，并且蜂鳴器報警。關鍵詞：工作臺；步進電機；單片機下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763AbstractNowadays, The workbench is easy to operate, the precision is high, and it can meet the generally production demand . Just because of this, so it is widely used.Main research of this paper is that the part of control of the two-dimension stepping single-chip microcomputer control workbench. The main task is to realize two stepping motors rotating positive and negatively and control of pace with single-chip microcomputer. The running steps are input by keyboard in this control system, displayed by the LED tube. The signal is transformed by single-chip microcomputer . The signal Loop allotter is achieved by software. The photoelectricity seclusion is achieved by Electro-optical disconnector. The signal is enlarged by power Amplifier. Then the signal can run the stepping motor. The systems run is controlled by functional keys. Stepping motor will run to the given steps if the “start” key is pressed. Meanwhile, stepping motor will stop if the “stop” key is pressed. There are limit switches on the two heads of the workbench, if the workbench go beyond the terminal position, the limit switch is off, the stepping motor will be stop at once, and the buzzer scream.Keywords workbench stepping motor single-chip microcomputer 下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605目錄1 緒論 .11.1 課題研究的背景 .11.2 工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀與方向 .11.3 本課題研究的范圍和意義 .31.4 步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀 .31.5 單片機的發(fā)展現(xiàn)狀 .42 控制系統(tǒng)的總體設計 .62.1 系統(tǒng)總體方案 .62.2 機械系統(tǒng) .62.3 控制系統(tǒng)設計 .62.3.1 接口設計 .62.3.2 控制方案的選擇 .72.3.3 伺服系統(tǒng)設計 .73 控制系統(tǒng)的設計方案 .83.1 硬件系統(tǒng)設計 .83.1.1 系統(tǒng)的硬件結構 .83.1.2 步進電機 .83.1.3 微處理器的選擇 .153.1.4 鍵盤操作的接口電路設計 .173.1.5 顯示部分操作的接口和電路設計 .213.1.6 報警電路的設計 .243.1.7 單片機與 PC 機的通信 .253.1.8 系統(tǒng)的抗干擾設計 .263.2 軟件系統(tǒng)設計 .283.2.1 軟件結構設計 .283.2.2 系統(tǒng)的程序流程 .29結論 .40致謝 .41參考文獻 .42附錄 .43下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976311 緒論1.1 課題研究的背景當今社會，隨著科技的發(fā)展，工作臺的應用越來越廣泛?，F(xiàn)在的工作臺廣泛用于焊接，點膠，打孔，包裝，取料等各類精密位置控制設備的應用等。人們對工作臺的研究從來沒有停止過。為了滿足不同的要求，出現(xiàn)了各式各樣的工作臺。例如，用于普通畫線用的二維工作臺，具有防靜電功能的防靜電工作臺，還有回轉工作臺可用于分度，用于高精度的加工的納米微動工作臺等。隨著人類的進步，越來越多并且越來越好的工作臺將會被制造出來，來滿足生產發(fā)展的需求。1.2 工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀與方向（1）納米級微動工作臺的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢納米級微動工作臺為從事納米科學技術研究提供一維、二維或三維的納米級微運動，是納米科學技術研究應必備的關鍵儀器設備。現(xiàn)代納米科學技術的快速發(fā)展對微動工作臺提出了迫切的更高要求，即在提供大范圍運動的前提下，還應具有納米級的運動精度。在為納米科學技術研究提供小范圍納米級精度的微運動時，最常見的是以壓電陶瓷 PZT作為驅動部件的柔性鉸鏈機構微動工作臺，要為納米科學技術研究提供大范圍納米級精度的微運動時，柔性鉸鏈機構、壓電堆、絲桿滑動機構和氣浮微動工作臺等卻都不能滿足要求，它們不能同時實現(xiàn)納米級運動精度和大運動范圍。磁懸浮微動工作臺由于運動平臺和驅動機構采用非接觸的磁懸浮驅動技術，因此，易于實現(xiàn)大范圍納米級微運動，并且消除了摩擦、磨損對運動精度造成的影響。 納米級微動工作臺的研究現(xiàn)狀：I. 柔性鉸鏈式微動工作臺柔性鉸鏈微動機構是近年來發(fā)展起來的一種新型的微位移機構。它的特點是結構緊湊、體積很小，可以做到無機械摩擦、無間隙，具有較高的位移分辨率，可達 1 nm。使用壓電或電致伸縮器件驅動，可以實現(xiàn)亞微米甚至是納米級的精度，同時不產生噪音和發(fā)熱，可適于各種介質環(huán)境工作，是精密機械中理想的微位移機構。已在航空、宇航、微電子工業(yè)部門、精密測量和生物工程領域獲得重要的應用。由于它的出現(xiàn),開創(chuàng)了精度進入納米的新時代。II.滾動導軌式微動工作臺滾動導軌也是微動工作臺中一種常見的導軌形式，它具有行程大,運動靈活、結構簡單、工藝性好、容易實現(xiàn)較高的定位精度的優(yōu)點，采用滾珠導軌作為微動工作臺的支承和導向元件，直流伺服電機傳動、實現(xiàn)了對自動分步重復光刻機的微定位控制。III. 磁懸浮式微動工作臺下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397632磁懸浮式微動工作臺由于運動平臺和驅動機構采用非接觸式的磁懸浮驅動技術，因此沒有摩擦力和機械部件的磨損，易于實現(xiàn)高精度、大范圍的要求。 納米級微動工作臺發(fā)展趨勢及需要解決的問題大范圍、高精度是納米科技對微動工作臺提出的新要求，然而大行程和高精度是微動技術中的一對矛盾。因此微動工作臺的未來研究方向應圍繞如何解決這一對矛盾展開。I.多種微運動相結合技術:結合多種微動方法以彌補各自的不足仍然是解決以上問題的主要辦法，比如在現(xiàn)有研究已經成熟的各種微動工作臺基礎上，妥善解決好其中兩種或者多種微動工作臺間的兼容性，解決好機械結構間的裝配誤差、多種平臺間的定位誤差，采用粗動和微動相結合的方法，粗動臺用以完成快速大范圍，微動工作臺實現(xiàn)高精度，也就是說通過微動工作臺對粗動工作臺由于運動所帶來的誤差進行精度補償，以此實現(xiàn)大范圍、高精度的要求。II.新型納米級微動工作臺的研究：運動方向間的交叉耦合嚴重影響納米微動工作臺的定位精度，因此需進一步研究運動導向結構，從運動原理上有效地消除運動方向間的交叉耦合產生的定位誤差，提高納米級微動工作臺的定位精度。III.改進控制策略，如采用建立遲滯和蠕變數(shù)學模型進行開環(huán)控制來避免因反饋而可能引起的不穩(wěn)定問題,采用自適應控制消除建模的誤差和參數(shù)的不確定性及系統(tǒng)環(huán)境的變化等因數(shù)對系統(tǒng)精度的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。采用模糊控制、神經元網(wǎng)絡控制等方法改善系統(tǒng)的非線性和不確定性。IV.磁懸浮微動工作臺性能的進一步提高：在現(xiàn)有磁懸浮微動工作臺基礎上，充分考慮磁滯非線性、磁飽和以及高次諧波對系統(tǒng)精度的影響，解決運動控制和定位技術，從而實現(xiàn)納米級精度的大范圍運動。隨著微米、納米科學技術的不斷發(fā)展，納米級微動工作臺的研究正日益受到國內外的重視。但因受到機械加工精度、控制精度和機構復雜性等技術水平的制約，其精度和運動范圍還受到一定影響，隨著對微動工作臺的深入研究,結構合理、高精度和高分辨率的微動工作臺必將不斷問世。（2）旋轉升降式工作臺的發(fā)展趨勢多種多樣的升降工作臺有著廣泛的應用領域。許多工業(yè)企業(yè)除了在生產線上或生產線外使用升降工作臺以外，往往還利用升降工作臺來運送較大的工件。例如在物資入庫的時候，人們可以利用升降工作臺首先將成批的鋼材運送到指定的貨架處，然后再存放到貨架的不同規(guī)格格層中或者在室外，將工作臺升降到合適的工作高度或者將單臂吊之類的起重設備運送到室外讓它在室外工作等等。在2002年的漢諾威博覽會上，Bolzoni Auramo有限責任公司推出他們開發(fā)生產的移動式升降工作臺。該公司的設計師們設計的升降工作臺帶有運動裝置使升降的物體重通過運動設備的輪子傳遞到地面， 從而可以使升降工作臺在任何器要它的地點發(fā)揮作用。這下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397633種移動式的結構設計也可“移植” 到超薄型升降工作臺的設計中。尤其是在汽車制造業(yè)中使用更為頻繁。這種升降工作臺不需要液壓驅動系統(tǒng)， 幾乎不需要維護保養(yǎng)。早在20年前, Flexlift公司就研制開發(fā)出了機械式升降工作臺。但是在今天機電一體化驅動技術取得了重大進步之后, 才使機械式升降工作臺也有了較大的發(fā)展。1.3 本課題研究的范圍和意義本課題研究的是 X-Y 工作臺的控制部分，主要的任務就是通過單片機實現(xiàn)對兩個步進電機的控制。包括速度，轉向等的控制。采用并行控制方式。通過鍵盤可以輸入控制的運行步數(shù)，電機的正反轉，運行出錯時候可以急停鍵停止，還有其他的一些操作等都可以通過鍵盤實現(xiàn)。本系統(tǒng)的顯示功能是利用 8 位的數(shù)碼管實現(xiàn)運行步數(shù)的顯示，在工作臺運行超過極限位置時候，安裝在工作臺兩端的行程開關會被按下，產生電流信號，通過光電轉換裝置，向單片機發(fā)出信號，經單片機發(fā)出信號，蜂鳴器報警，報警的同時，電機停止轉動。通過本課題的學習與研究，使我了解工作臺的工作原理，知道了單片機的發(fā)展與簡單的應用，對步進電機的結構，工作原理有了更進一步的理解。使我認識了很多的電子元件，懂得了許多的控制方面的知識。1.4 步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀步進電機最早是在 20 年代由英國人所開發(fā)。20 年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，對于數(shù)字化的控制變得更為容易。往后經過不斷改良，使得今日步進電機已廣泛運用在需要高定位精度、高分解能、高響應性、信賴性等靈活控制性高的機械系統(tǒng)中。在生產過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，我們很容易發(fā)現(xiàn)步進電機的蹤跡，尤其以重視速度、位置控制、需要精確操作各項指令動作的靈活控制性場合步進電機用得最多。（1）步進電機的分類 步進電機依其構造上的差異可分為三大類： 可變磁阻式（VR 型）：轉子以軟鐵加工成齒狀，當定子線圈不加激磁電壓時，保持轉矩為零，故其轉子慣性小、響應性佳，但其容許負荷慣性并不大。其步進角通常為 15°。 永久磁鐵式（PM 型）：轉子由永久磁鐵構成，其磁化方向為輻向磁化，無激磁時有保持轉矩。依轉子材質區(qū)分，其步進角有 45°、90°及 7.5°、11.25°、15°、18°等幾種。 混和式（HB 型）：轉子由軸向磁化的磁鐵制成，磁極做成復極的形式，兼有可變磁阻式步進電機及永久磁鐵式步進電機的優(yōu)點，精確度高、轉矩大、步進角度小。下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397634（2）步進電機的歷史步進電機在我國已有幾十余年的生產史，近幾年，大規(guī)模集成電路及計算機技術的發(fā)展，進一步推動了步進電機的技術進步和廣泛應用，據(jù)統(tǒng)計，全世界步進電機的年產量已達一億多臺，市場銷售量占世界微電機銷售總量的%左右。步進電機的發(fā)展依賴計算機外設和辦公自動化機械的發(fā)展。我國計算機工業(yè)雖然起步晚，但經過三十年的努力，已經初具規(guī)模。我國早在六十年代中期開始致力于步進電機的研究和開發(fā)，直到20 世紀80 年代，一直是磁阻式步進電動機占統(tǒng)治地位，混合式步進電動機是8 0 年代后期才開始發(fā)展，至今仍然是二種結構類型同時并存。盡管新的混合式步進電動機完全可能替代磁阻式電動機，但磁阻式電動機的整機獲得了長期應用，對于它的技術也較為熟悉，特別是典型的混合式步進電動機的步距角（0 . 9°/1.8 °）與典型的磁阻式電動機的步距角（0.75°/1.5°）不一樣，用戶改變這種產品結構不是很容易的，這就使得兩種機型并存的局面難以在較短時間內改變。這種現(xiàn)狀對步進電動機的發(fā)展是不利的 。（3）步進電機的發(fā)展趨勢： 小型化、高精度計算機外部設備趨向小型，也就要求永磁式和混合式步進電機向小機座號發(fā)展，目前直徑為 39、42 的步進電機使用就較多。 電機與線路一體化機電一體化的步進電機更受到用戶的歡迎，雖然控制線路的成本比較高，但與電機組成一體化產品后更便于整機使用。 多功能新一代的磁盤與光盤需要具有兩個自由度的圓柱式步進電機，直接完成橫向運動和旋轉運動兩個功能，這種產品在日本電話電信公司已有產品。另外，美國已推出帶電傳感器的步進電機，能自檢位置和轉速。 直線小步距、高分辨率據(jù)日本和歐美國家報道，此類步進電機已制成步距為 0.1 微米，在 40 英寸/秒的線速度下產生 50 磅推力，分辨率達 12500 步/英寸，定位精度為 0.001 英寸。 新結構、新材料、新技術步進電機總的發(fā)展趨向是增大出力、提高精度、改善動態(tài)特性，為此已出現(xiàn)一種盤式、軸向氣隙的新結構步進電機。同時，還在研究采用如高磁能積的鐵氧體、稀土、壓電等新材料。1.5 單片機的發(fā)展現(xiàn)狀隨著目前微電子技術的發(fā)展，技術工藝的不斷提高，單片機技術也有了長足的進步。下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397635單片機在最近幾年中得到了極大的發(fā)展，目前世界范圍內單片機發(fā)展的主要領域有4個：一是歐美，最新開發(fā)產品及主要廠商有：National semicundutor 的cop8系列單片機，美國的Scenix 的八位單片機，荷蘭PHILLIPS的51系列單片機，美國AMD公司186系列16位嵌入式微機控制器，MOTOROLA的各個系列單片機；二是日本，TOSHIBA公司開發(fā)了從4位到64位多系列單片機，日立公司也有從4位到32位多系列單片機，NEC公司的75X、78X系列微機；三是臺灣地區(qū)， 主要有WINBOND的W741/W516,W78/W77 等系列產品微控制器；四是韓國，主要有HYUNDAI microelectrionics的GMS800、GMS30 系列微控制器。另外還有LG公司也生產單片機，可見單片機發(fā)展到今天可以說種類繁多、性能各異。但目前我國的許多單片機應用單位仍停留在采用片內無ROM等低檔單片機狀態(tài)。當國內從80 年代起開始了單片機的熱潮,二十多年過去了，單片機從研究所走出來,成為日常生活中的一個不可缺少的部件。硬件方面日趨多樣化，4 位、8 位、16 位、32 位等型號共同并存,在不同的領域存在,如家電、玩具、工業(yè)設備、儀器、通訊等。軟件方面發(fā)展主要為匯編語言、C 語言、嵌入式操作系統(tǒng)。速度、穩(wěn)定性特別要求的場合較多采用匯編語言和C 語言。單片機作為微型計算機的一個重要分支,應用面很廣，發(fā)展很快。自單片機誕生至今，已發(fā)展為上百種系列的近千個機種。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著C M O S 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976362 控制系統(tǒng)的總體設計2.1 系統(tǒng)總體方案圖 2-1 總體設計圖2.2 機械系統(tǒng)傳動機構采用滾珠絲杠副與齒輪減速。導向機構采用滾動直線導軌。執(zhí)行機構采用步進電機。2.3 控制系統(tǒng)設計本系統(tǒng)選用的微型機是 8051 單片機，采用開環(huán)的控制方式，采用三相六拍步進電機。圖 2-2 開環(huán)控制流程圖2.3.1 接口設計（1）人機接口下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397637采用鍵盤作為輸入。采用矩陣式鍵盤，用 20 個鍵來控制步進電機。采用蜂鳴器作為警報裝置。采用數(shù)碼管作為顯示器。采用八段數(shù)碼管作為步數(shù)的顯示。（2）機電接口采用光電偶合器作為微型機與步進電機驅動電路的接口，實現(xiàn)電氣隔離，以保護單片機。2.3.2 控制方案的選擇控制的方案不外乎有三種：開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。上圖為最簡單的“開環(huán)控制” ，若在“機械傳動”機構中引出反饋給控制部分，在經過比較放大的則為“半閉環(huán)控制” 。如若是在機械執(zhí)行機構中引出反饋則為閉環(huán)控制。開環(huán)控制：特點是簡單，控制精度低?？刂频木韧耆Q于所用元件的精度和校準的精度，且抗干擾的能力差。但由于其結構簡單、成本低。在精度要求不高的情況下，有一定的使用價值。閉環(huán)控制：特點是控制精度高，抗干擾能力強。缺點是使用的元件多，線路復雜，系統(tǒng)的分析和設計都比較麻煩。半閉環(huán)：特點是控制的精度介于閉環(huán)和開環(huán)之間。采用步進電機來實現(xiàn)驅動，一般情況下多采用開環(huán)控制。因為步進電機的輸出轉角與控制器提供的脈沖數(shù)有正比的關系，電機轉速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精度要求不是很高時，負載不是很大的情況下采用步進電機是合理的。下圖為開環(huán)控制的框圖 計算 執(zhí)行 受控對象給定值干擾+被控量圖 2-3 開環(huán)控制框圖2.3.3 伺服系統(tǒng)設計由于本系統(tǒng)的精度要求不高，載荷不大，再考慮了其經濟要求等因素后，決定采用開環(huán)控制。下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976383 控制系統(tǒng)的設計方案3.1 硬件系統(tǒng)設計3.1.1 系統(tǒng)的硬件結構計算機的硬件和軟件是相互結合而工作的，有些任務必須由硬件來實現(xiàn)，另外有些任務必須由軟件來實現(xiàn)。但是也有一些任務可以由軟件來完成，也可由硬件來完成。一般來說，增加硬件會提高成本，但能簡化設計程序，且實時性好。反之，加重軟件任務，會增加編程調試工作量，但能降低硬件成本。所以要合理的安排軟、硬件的結構。本系統(tǒng)步進電機速度的控制是由改變發(fā)出脈沖的時間間隔來實現(xiàn)的，用定時器來控制發(fā)出脈沖的時間間隔，這樣更能發(fā)揮硬件實時性的優(yōu)勢，同時能夠減輕軟件的任務。由于本工作臺控制系統(tǒng)采用單片機作為核心部件，利用單片機構成系統(tǒng)應從元件級進行系統(tǒng)設計，根據(jù)任務需要，選擇合理的單片機并配置必須的存儲器、接口和外圍設備來構成系統(tǒng)。在進行系統(tǒng)的擴展和配置設計時考慮了以下原則（1）盡可能的選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎。（2）系統(tǒng)的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統(tǒng)功能的要求，并留有適當?shù)挠嗟?，以便進行二次開發(fā)。（3）硬件結構應結合應用軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案會產生相互影響?？紤]的原則是，軟件能實現(xiàn)的功能盡可能的由軟件來實現(xiàn)，以簡化硬件電路。但是由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應的時間要比直接用硬件實現(xiàn)的時間長，而且占用 CPU 時間。（4）整個系統(tǒng)中的相關的器件要盡可能的做到性能匹配。（5）單片機外接電路較多時，必須考慮其驅動能力，增設線驅動器或者減少芯片功耗，降低總線負載。根據(jù)以上設計原則及結構框圖，逐一設計出每個單元電路，最后組合起來，成為完整的硬件系統(tǒng)。3.1.2 步進電機圖 3-1 為三相反應式步進電機的工作原理圖，其定子上有六個極，每個極上裝有控制繞組，每相對的兩極組成一相。轉子上有四個均勻分布的齒，其上沒有繞組，當 A 相控制繞組通電時，轉子在磁場力的作用下與定子齒對齊，即轉子齒 1、3 和定子齒 A、A'對齊，如圖 3-1（a ）所示。若切斷 A 相，同時接通 B 相，在磁場力作用下轉子轉過 30°，轉子齒 2、4 和定子齒 B、B'對齊，如圖 3-1（b）所示，轉子轉過一個步距角。如再使 B相斷電，同時 C 相控制繞組通電，轉子又轉過 30°，使轉子齒 1、3 和定子齒 C、C'對齊，下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 13041397639如圖 3-1（c）所示。如此循環(huán)往復，并按 ABCA 順序通電，步進電機按一定方向轉動。電機的轉速取決于控制繞組接通和斷開的變化頻率。（a ） （b） （c ）圖 3-1 三相反應式步進電機單三拍工作時工作原理圖實際的步進電機的轉子鐵心和定子磁極上均有小齒，齒距相等。定子和轉子的齒數(shù)要有一定比例的配合，即要求在某一相的一對極下，定子和轉子的齒一一對齊，而此時在其它兩相的磁極下，定子和轉子的齒要分別錯開一定的角度。這樣，如果步進電機的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進行走步。步進電機的步距角的大小是由轉子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式決定，它們之間存在以下關系： = 式 sCmZr360（3.1）式中， 為步距角；C 為通電狀態(tài)系數(shù)，當采用單相或雙相通電方式時，C=1；而采 s用單、雙相輪流通電方式時，C=2；m 為步進電機的相數(shù)； Zr 為步進電機轉子齒數(shù)?？刂评@組通電狀態(tài)的改變，是由外加輸入脈沖驅動電路來實現(xiàn)的。每當外電路送入一個脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對應步進電機將轉動一個步距角。因此步進電機轉過的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進電機的轉速為：n = 式CmfZr60（3.2）式中 f 為步進電機通電的脈沖頻率，單位為 Hz；n 為步進電機的轉速，單位為r/min。步進電機的轉速用步矩角表示為：n = = × = 式（3.3）360Cmfr fCmr360f s由式（3.1）和（3.2）可知，電機的相數(shù)和轉子的齒數(shù)越多，則步距角就越小，電機在脈沖頻率一定時的轉速也越低。當電機的相數(shù)和轉子的齒數(shù)一定時，轉子的轉速和輸入的脈沖頻率成正比。因此，改變輸入的脈沖頻率就可以改變轉速，改變通電狀態(tài)順序就可以實現(xiàn)正反轉。由于這些特性，步進電機控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實現(xiàn)啟下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976310動、停止、升速、降速、正反轉等操作。3.1.2.1 步進電機控制系統(tǒng)的構成舊式的步進電機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電機組成，如圖 3-2 所示。步進控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉控制門等其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電機的轉動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅動步進電機轉動。在這種控制中，由于步進控制器線路復雜，成本高，限制了它的應用。圖 3-2 步進電機控制系統(tǒng)的組成隨著微型計算機的廣泛應用，采用計算機控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機繞組通電相序即可獲得所需的轉角、轉速及轉向。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。圖 3-3 為微機控制步進電機的系統(tǒng)結構圖。圖 3-3 微機控制步進電機的系統(tǒng)結構圖3.1.2.2 步進電機的串行和并行控制使用微機對步進電機進行控制，有串行和并行兩種方式。（1）串行控制具有串行控制功能的單片機與步進電機驅動電源之間有較少的連線。將信號送入步進電機驅動電源的為環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅動電源必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖見圖 3-4 所示。下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976311圖 3-4 串行控制示意圖（2）并行控制用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進電機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電機的驅動電源內，不包括環(huán)形分配器，其功能由微型計算機系統(tǒng)實現(xiàn)。并行控制方案示意圖見圖 3-5。圖 3-5 并行控制示意圖3.1.2.3 步進電機的失步在步進電機的運行過程中，將可能出現(xiàn)失步，其失步原因有兩種：（1）轉子的加速度慢于步進電機的旋轉磁場，也就是低于換相速度而產生的。這是因為輸入電機的電能不足，在步進電機中產生的同步力矩無法使轉子速度跟隨定子磁場的旋轉，從而引起失步。（2）轉子的平均速度高于定子磁場的平均旋轉速度，這時定子通電勵磁的時間較長，大于轉子步進一步所需要的時間，則轉子在步進過程中獲得過多的能量，從而產生前沖和后沖的擺動振蕩，當振蕩足夠嚴重時就會導致失步。以步進電機三相單三拍通電方式為例分析步進電機的失步。在圖 3-1 中，由 B 相斷電，接通 C 相時，轉子齒 2、4 與 B 相磁極對齊而轉到轉子齒 1、3 與 C 相磁極對齊（圖 c） ，若是由于某一原因造成轉子的阻轉矩大于電磁轉矩的作用，則轉子齒 1、3 沒有轉到與 C 相磁極對齊的位置，而停留在原處未動的位置（圖 b） ，那么當 C 繞組斷電再接通 A 相時，受 A 相磁極影響最大的轉子齒 1、3 仍返回到與 A 相磁極對齊（圖 a） 。由此可見，當步進電機發(fā)生失步時，往往丟掉一個通電循環(huán)的步數(shù)或其整數(shù)倍。也就是說步進電機運行時失步的規(guī)律是，所失的步數(shù)是通斷電循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。同理在停止過程中，如果負載超過步進電機的極限制動能力，步進電機將產生滑步或過沖。丟掉的步數(shù)也是循環(huán)拍數(shù)的整數(shù)倍。所以要使步進電機快速的達到所要求的速度又不失步或過沖，其關鍵在于使加速過程中加速度所要求的轉矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的轉矩，又不能超過這個轉矩。3.1.2.4 步進電機的的脈沖分配步進電機的步進要求按一定的順序及頻率接通和斷開步進電機的控制繞組，這樣步下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976312進電機才能按要求啟動、運轉和停止。所以這就需要脈沖分配。以提供步進電機所需要的脈沖信號。要使步進電機按要求步進，就要確定的給出脈沖分配，加到功率放大器輸入端。實現(xiàn)脈沖環(huán)行分配的方法有三種。一種是采用計算機軟件，利用查表或計算的方法來進行脈沖的環(huán)行分配。把相應的狀態(tài)代碼列入程序數(shù)據(jù)表中，通過軟件可順次在數(shù)據(jù)表中提取數(shù)據(jù)并通過輸出接口輸出即可，通過正向順序讀取和反向順序讀取數(shù)據(jù)表可控制電機進行正反轉，通過控制讀取一次的時間間隔可控制電動機的轉速。該方法能充分利用計算機軟件資源以降低硬件成本，尤其是對多相的脈沖分配具有更大的優(yōu)點。但由于軟件分配法占用計算機的運行時間，易影響步進電機的運行速度。另一種是采用小規(guī)模集成電路搭接而成的環(huán)行分配器。這種方式靈活性大，可搭接任意相任意通電順序的環(huán)行分配器，同時在工作時不占計算機的工作時間。第三種即采用專用的環(huán)行分配器件。如市售的 CH250 即為一種三相步進電機專用環(huán)行分配器。它可以實現(xiàn)三相步進電機的各種環(huán)行分配，使用方便、接口簡單。本系統(tǒng)采用軟件分配法來進行脈沖的分配。三相六拍工作方式的脈沖分配的時序圖如圖 3-6 所示。在此方式下，繞組的通電順序是，正轉時，按AAB B BCCCA A；反轉時，按 AAC C CBBBA A 進行。圖 3-6 三相六拍脈沖時序圖三相六拍控制方式的通電狀態(tài)參看表 3-1，可知正轉時 I/O 口應循環(huán)輸出控制字0x010x030x020x060x040x05，反轉時 I/O 口應循環(huán)輸出控制字0x050x040x060x020x030x01。在輸出最后一個控制字 0x05（正轉）或0x01（反轉）后，要修改控制字地址指針，即地址指針重新賦值。表 3-1 步進電機三相六拍環(huán)行脈沖分配狀態(tài)表方向節(jié)拍序號 通電相 C 相 B 相 A 相 控制字正轉 反向0 A 0 0 1 0x011 AB 0 1 1 0x032 B 0 1 0 0x023 BC 1 1 0 0x06下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763134 C 1 0 0 0x065 CA 1 0 1 0x050 A 0 0 1 0x01在輸出每一個控制字之前，判斷地址指針中的內容是否為 0x00。如果是 0x00，則地址指針重新指向第一個控制字；否則，直接將地址指針中的內容輸出到 I/O 口中，然后地址指針加 1。如此循環(huán)，便實現(xiàn)步進電機的連續(xù)運轉。3.1.2.5 步進電機的驅動電源從計算機輸出口或從環(huán)行分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅動步進電機運轉。步進電機的工作特性在很大程度上取決于驅動電源的特性，對其每一相繞組來說，驅動電源相當于一個電流無觸點開關，理想的驅動電源應使通過繞組的電流盡量接近矩形波。由于電機繞組有很大的電感，要做到這一點是困難的。傳統(tǒng)的雙極型功率晶體管驅動電路有兩種型式，一種是應用于小功率步進電機的單電源驅動線路，另一種是應用于功率步進電機的高、低壓雙電源驅動線路。這兩種電路的共同問題是損耗大，效率低，而且大功率管易發(fā)生擊穿故障。本控制系統(tǒng)采用步進電機驅動 IC，內含四組 NPN 達靈頓晶體管，使步進電機有足夠大的驅動電流，各個 B 極有 3mA 的輸入電流，才可使 C-E 導通。每個輸入可承受的最大電流為 4A，非常適合來驅動步進電機！因為 B 極需要 3mA 的輸入電流方可導通，所以要用緩沖器來推動，其可用的組件有 4050、74244。3.1.2.6 步進電機及其驅動電路的設計（1）步進電機的技術參數(shù) 具體的產品的型號為：75BF003 技術數(shù)據(jù)見表 3-2表 3-2 75BF003 步進電機技術數(shù)據(jù)相數(shù) 步距角/( °) 電壓（V） 相電流/A 最大靜轉矩/N.m 空載啟動頻率3 1.5° 30 4 0.882 1250電感/mH 電阻/N 分配方式 外形尺寸（軸徑）（mm) 重量/Kg 轉子轉動慣量35.5 0.82 3 相六拍 75×76（8） 1.58 1.563（2）步進電機驅動電路的設計輸出通道的設計內容是確定通道結構和元件裝置，合理選擇驅動電路。本系統(tǒng)的輸出通道也就是控制步進電機的通道，由于 8051 的 P1 口可以作為輸出使用，所以將其作為輸出通道的控制端口，采用三相六拍的步進電機進行并行控制需要 P1 口中的六位。另外，單片機與步進電機的接口由專用的控制裝置來實現(xiàn)。步進電機的脈沖分配由單片機通過軟件控制構成環(huán)行分配器。 下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976314除了上面的，一個完整的步進電機的控制還需要光電隔離器。光電隔離器的作用的把步進電機與單片機隔離開來，即把強電部分與弱電部分隔開，以保護單片機在步進電機漏電的時候單片機不會被損壞。光電隔離器是隔離器的一種, 它是把發(fā)光器件與光敏接受器件集成在一起, 或用一根光導纖維把兩部分連接起來的器件。通常發(fā)光器件為發(fā)光二極管(LED) , 光接受器件為光敏晶體管等。加在發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號, 接受器件輸出的信號為隔離器的輸出信號。當有輸入信號加在光電隔離器的輸入端時, 發(fā)光器件發(fā)光, 光敏管受光照射產生光電流, 使輸出端產生相應的電信號, 于是實現(xiàn)了光電的傳輸和轉換。其主要特點是以光為媒介實現(xiàn)電信號的傳輸, 而且器件的輸入和輸出之間在電氣上完全是絕緣的。從結構上看, 光電隔離器由一發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在同一個管殼內組成, 其表示符號如圖3-7所示。它們在結構排列上使LED 輻射能量有效地耦合到光敏晶體管上, 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種形式。金屬封裝采用金屬外殼并用玻璃絕緣, 芯片采用環(huán)焊以保證發(fā)光管與接受管對準。塑料封裝采用雙列直插式結構, 管芯先裝于管腳上,中間用透明樹脂固定, 具有聚光作用, 故靈敏度較高, 是目前應用較多的一種。圖 3-7 光電隔離器原理圖本控制系統(tǒng)選用TLP521-4型光電耦合器。引腳如圖3-8下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976315圖 3-8 TLP521-4型光電耦合器引腳每一個TLP521-4型光電耦合器有四個光電隔離器，所以本系統(tǒng)需要兩個這樣的光電耦合器，實現(xiàn)單片機與步進電機的隔離。3.1.3 微處理器的選擇微處理器的主要性能指標是位數(shù)、主頻、尋址能力、指令系統(tǒng)、內部寄存器情況等。位數(shù)是重要的指標，除了影響運算精度外，還關系到指令系統(tǒng)的功能、尋址能力以及操作速度等。主頻影響操作速度。尋址能力決定可能的最大存儲容量。指令系統(tǒng)性能影響數(shù)據(jù)處理、輸入輸出等操作功能以及編程的方便性。內部寄存器的數(shù)量和功能也和操作方便性有關。此外，單片機都帶有一定數(shù)量的內部 RAM，還有內部 ROM 或其它器件?？紤]到需要滿足的要求及經濟因素，本系統(tǒng)選擇 MCS-51 單片機。(1) MCS-51 單片機簡介MCS-51 單片機是一種單片機系列的名稱，由 Intel 公司研發(fā)，是目前國內廣泛應用的單片機，屬于這一系列的單片機型號有許多種，包括8051、8751、8031、80C51、87C51、80C31 等，它們的基本組成和基本性能都是相同的，但是性能上略有差別。MCS-51 單片機是在一塊芯片上集成了 CPU、ROM、RAM、定時器/ 計數(shù)器和多種功能的 I/O 端口等一臺計算機所需要的基本功能部件。單片機內部包含了下列的幾個部件：一個 8 位 CPU；一個片內震蕩器及時鐘電路；下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 1304139763164K 字節(jié)程序存儲器；128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器；兩個 16 位可編程定時器/計數(shù)器；一個可編程全雙工串行口；四個 8 位可編程并行 I/O 口；64K 字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲器和 64K 字節(jié)程序存儲器擴展控制電路；五個中斷源，兩個優(yōu)先級嵌套中斷機構。以上部分通過總線連接。MCS-51 系列單片機的引腳：MCS-51 系列單片機中各種型號的引腳是相互兼容的，而絕大多數(shù)都采用 40 引腳的雙列直插封裝方式。如圖 3-9 所示圖 3-9 8051 引腳圖（2）8051 的引腳功能：主電源引腳 VCC 和 VSS VCC（40 腳）接+5V 電壓； 下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976317VSS（20 腳）接地。外接晶體引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，此引腳應接地；對 CHMOS 單片機，此引腳作為驅動端。 XTAL2（18 腳）接外晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對 HMOS 單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內部時鐘發(fā)生器的輸入端；對 CMOS，此引腳應懸浮?？刂苹蚺c其它電源復用引腳 RST/VPD、ALE/PROG、PSEN 和 EA/VPP RST/VPD（9 腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與 VSS 引腳之間連接一個約 8.2k 的下拉電阻，與 VCC 引腳之間連接一個約 10F 的電容，以保證可靠地復位。 VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。當 VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍（ 5±0.5V）內，VPD 就向內部 RAM 提供備用電源。 ALE/PROG（30 腳）：當訪問外部存貯器時，ALE （允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。ALE 端可以驅動（吸收或輸出電流）8 個 LS 型的 TTL 輸入電路。 對于 EPROM 單片機（如 8751） ，在 EPROM 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG） 。 PSEN（29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。PSEN 同樣可以驅動（吸收或輸出）8個 LS 型的 TTL 輸入。 EA/VPP（引腳）：當 EA 端保持高電平時，訪問內部程序存儲器，但在 PC（程序計數(shù)器）值超過 0FFFH（對 851/8751/80C51）或 1FFFH（對 8052）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當 EA 保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。對于常用的 8031 來說，無內部程序存儲器，所以 EA 腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 輸入/輸出（I/O）引腳 P0、P1、P2 、P3（共 32 根） P0 口（ 39 腳至 32 腳）：是雙向 8 位三態(tài) I/O 口，在外接存儲器時，與地址總線的低 8 位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅動 8 個 LS 型的 TTL 負載。 P1 口（ 1 腳至 8 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，下載論文就送你全套 CAD 圖紙，Q 咨詢 414951605 或 130413976318輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向 I/O 口。P1 口能驅動（吸收或輸出電流） 4 個 LS 型的 TTL 負載。 P2 口（ 21 腳至 28 腳）：是準雙向 8 位 I/O 口。在訪問外部存儲器時