机电传动单向数控平台(矿大)

机电传动单向数控平台设计专业：机械工程及自动化班级：机自09姓名：董一学号：0309指导老师：董小龙2011年11月22日目录1.摘要............................................................................................................................32.设计任务....................................................................................................................42.1设计任务介绍及意义..................................................................................................................42.2设计任务明细..............................................................................................................................52.3设计的根本要求..........................................................................................................................53.总体设计方案............................................................................................................64.机械传动系统设计....................................................................................................84.1导轨的选择..................................................................................................................................84.2滚珠丝杠的选择及校核..............................................................................................................84.3步进电机的选择.........................................................................................................................134.4联轴器的选用.............................................................................................................................174.5键的校核.....................................................................................................................................174.6滚动轴承的选用及校核.............................................................................................................175.电气控制系统设计...................................................................................................195.1设计的根本原那么........................................................................................................................19TOC\o"1-2"\h\u71365.2步进电机原理、控制技术及其特点.........................................................................................1993655.3元器件介绍.................................................................................................................................2154155.4方案论证.....................................................................................................................................26164575.5硬件设计.....................................................................................................................................2760185.6软件设计.....................................................................................................................................29205195.7源程序代码.................................................................................................................................316.结束语......................................................................................................................357.参考文献..................................................................................................................35一摘要本设计数控工作台，由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步进电机等部件构成。其中步进电机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在单方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机。二设计任务2.1设计任务介绍及意义课程设计题目机电传动单向数控平台设计主要设计内容(1)机械传动结构设计(2)电气控制系统课程设计意义：⑴培养学生综合运用所学的根底理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品)的初步设计工作。⑵培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等根本技能。⑶培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师根本素质的训练。⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2设计任务明细：机电传动单向数控平台设计：电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等；电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；功能控制要求：速度控制、位置控制；主要设计参数：单向工作行程——1800、1500、1200mm；移动负载质量——100、50kg；负载移动阻力——100、50N；移动速度控制——3、6m/min；2.3设计的根本要求⑴方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的根底上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。⑵总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图〔A1一张〕。⑶电气控制线路图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理图〔A2图一张〕。⑷成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，完成课程设计说明书一份，不少于30页，设计图纸不少于两张。⑸绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书。三总体方案设计3.1设计根本依据步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素(如电压波动、电流大小与波形变化、温度等)的影响；2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差变为“零”；3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比拟容易；4、控制性能好,在起动、停止、反转时不易“丢步”；5、不需要传感器进行反响，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和开展，这项开展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩到达1/3以下,即到达同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙到达负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰，能抗1000V、1脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各种各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够承受电网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。另外PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬件配置。PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。通过PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机的转动受脉冲控制。利用PLC产生高速脉冲串，调节脉冲频率，从而实现步进电动机启动加速、恒速运行、减速停止过程。本次设计设计了启动、停止、设置行程等按钮。还采用了步进电动机的专门控制芯片PMM8713，利用单片机定时中断的方法输出脉冲给PMM8713芯片，通过PMM8713芯片和功率放大器把脉冲分配给步进电动机，驱动电动机的运行。再通过带动滚珠丝杠带动滑动平台做直线运动，对于位置控制，在平台始末两端安装2个行程开关，当到达始末2端时使步进电动机自动的方向旋转，使平台方向运行。同时还增加了平台行程的设置功能，当需要改变平台的行程，通过扩展的键盘就可以实现。 本次设计的总体工作原理如下列图所示：3.2总体方案确定，参数初设如下：⑴电机驱动方式：步进电机⑵机械传动方式：滚珠丝杠⑶电气控制方式：PLC控制⑷功能控制要求：速度控制⑸主要设计参数：单向最大工作行程——1800mm；工作台重量20kg移动负载质量——50kg；负载移动阻力——50N；移动速度控制——6选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数；四机械传动系统设计姓名计算及说明结果1．导轨的选择条件本设计选择滚动丝杆，：单向工作行程1800mm移动速度6m/min负载质量：50kg采用2根导轨、4个滑块，工作平台和滑块的质量假设为20kg.寿命要求：每天开机8h，一年按300个工作日，寿命8年以上初选燕尾型、矩形组合滑动导轨计算及说明结果2．滚珠丝杆的选择及校核2.1根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为：=工作台的质量取=20kg移动负载的质量=50kg导轨的摩擦系数取=0.152.2初选丝杆导程根据公称直径范围选择=5mm2.3计算滚珠丝杆的动载荷动载荷公式为：滚珠丝杆副轴向载荷=105+50=155NL滚珠丝杠的寿命系数〔单位为转〕，其中T为使用寿命时间，取15000h；载荷系数〔平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，中等冲击时为1.2~1.5，较大冲击或振动时为1.5~2.5〕，此时取；硬度系数〔HRC大于或等于58时为1.0，等于55时为1.11，52.5时为1.35，50时为1.56,45时为2.40〕，此时取=1.0；运行转速2.3初选滚珠丝杠副的型号和有关参数根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的根本额定动载荷要大于计算出来的动载荷。初选型号为FFZD2505型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杆副其主要参数：额定动载荷为=11KN额定静载荷为公称直径导程=5mm钢球直径预紧力计算=20kg=50kg=0.15=105N=5mm=155N=1.0=11KN=5mm 2.4丝杆螺纹局部长度=工作台最大行程+螺母长度+两端余程=1800+86+40=1926mm轴承的支撑距离应大于螺纹局部的长度取支撑距离=2000mm2.5丝杆稳定性验算根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方式，那么丝杆不发生失稳的最大工作载荷为：(N)式中：材料的拉压弹性模量钢取；丝杆轴最小截面惯性矩；为滚珠丝杆的公称直径；丝杠小径；实际承受载荷的能力；压杆稳定的支撑系数〔双推—双推时为4，单推—单推时为1，双推—简支时为2，双推自由式时为0、25〕，此时取；K压杆稳定平安系数〔一般去2.5~4〕，垂直安装时取小值，此时取。符合压杆稳定性要求。2.6为了不发生共振，需校核临界转速不发生共振最高转速成为临界转速，表示丝杆的临界转速系数取；临界转速计算距离长度系数能够到达不共振要求。此外滚珠丝杆还应满足发热条件综上，滚珠丝杆满足压缩失稳、共振、发热的条件2.7滚珠丝杆副的系统刚度轴向载荷F产生的轴向变形量，丝杠采用两端固定的方式式中：丝杠两支撑间的距离〔mm〕；丝杠的计算长度，指和作用处到固定支承端的距离；丝杠材料的弹性模量，钢材的〔Mp〕；丝杠的计算截面面积；转矩T产生的轴向变形量丝杠的螺纹导程；丝杠计算截面的极惯性矩：丝杠材料的切变模量，钢材的；螺旋传动的转矩；滚珠丝杠副的当量摩擦系数：，当量摩擦角；轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量因为，而且有预紧，所以式中工作螺母中的钢球总数预紧力，一般取载荷分布不均匀系数，一般取轴向总变形量：丝杠的轴向刚度：——丝杠允许的轴向刚度2.8效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求在90%—95%之间，所以该丝杠副合格。经过上述计算验证，所选型号规格滚珠丝杠各项性能均符合题目要求，可选用。3步进电动机的选择3.1脉冲当量的选择选择步进电动机时，考虑是否有现成的与其配套的驱动器，目前我国市场有反响式和混合式两种，在本设计中初选三相六拍运行方式。初选电动机型号时步距角与传动比i应满足，取步距角为，为了使结构简单，提高精度，这里取。3.2等效负载转矩计算工作室负载转矩负载总的合力3.3等效转动惯量〔1〕滚珠丝杠转动惯量〔2〕工作台等效到电机输出轴上〔3〕联轴器的转动惯量根据滚珠螺杆和电动机输出轴的直径，选择YLD1联轴器，其转动惯量为因此，换算到电动机轴上的转动惯量：3.4初选电动机型号负载转矩等效转动惯量初选电动机型号为110BYG450，四相步进电动机，其最大静转矩为转子的转动惯量为由此符合要求3.5矩频特性步进电动机的空载启动转矩应该大于步进电动机名义起动转矩，即步进电机所需的起动转矩空在启动运动部件由静止升速到最大速度所需转矩空载时折算到电机轴的摩擦力矩由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩〔1〕加速力矩各部件折算到电机轴总转动惯量为静止部件有静止加速到最大速度取〔2〕空载摩擦力矩运动部件的总重力G=1470N导轨的摩擦系数取=0.15传动的总效率取滚珠丝杠的根本导程齿轮传动降速比〔3〕附加摩擦力矩预紧力未预紧时的效率那么需总转矩为名义启动转矩所以最大静转矩符合启动要求。3.6启动矩频特性校核上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满足要求，但不能保证电机在快速启动时不失步，需要对启动矩频特性进行校核。由于突跳启动过程极短，加速度力矩很大，启动时丢步是不可防止的。因此，突跳启动很少使用。这里我们使用升速启动方式。如下图：根据空载启动力矩查手册，找到对应的允许启动频率约最大频率：为了使，所以启动矩频特性满足要求，我们将分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2,即2381Hz3.7运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核快进时的最高运行频率：快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快速进给时处于空载状态，快速进给时步进电机运行所需力矩：其中：、分别与上面的、相同查运行矩频特性曲线，得，〔2〕工进运行矩频特性校核工进时，步进电机的运行频率：工进时步进电机运行所需力矩：其中：、分别与上面的、相同。查运行矩频特性曲线，得,运行矩频特性满足。应选用110BGY450满足要求。4联轴器的选用根据步进电动机输出轴的直径和滚珠丝杠的直径，选用YLD1式凸缘联轴器。其公称转矩许用转速轴孔直径轴孔长度螺栓数量3个，采用M6螺栓Y型转动惯量5键的校核5.1连接步进电动机与联轴器上键的校核选A型普通平键，d=11mm查表GB/T1095-2003选键：b=4mm,h=4mm,L=20mm键的强度较合，验算其挤压强度，查表得其许用压应力：键的工作长度，那么符合要求；5.2连接联轴器和滚珠丝杆键校核链接联轴器和滚珠丝杆上的键与链接电机输出轴与联轴器的键采用相同的键，对于同样的负载转矩同样能够到达设计要求。6滚动轴承的选用与校核根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为角接触球轴承，其，型号为7002AC根本额定载荷为受力情况如下列图：为径向外载荷为轴向外载荷轴承支反力轴承派生轴向力轴承所受轴向载荷那么计算轴承担量动载荷，工作在中等冲击载荷系数查表查表计算当量动载荷计算轴承的寿命因为故按进行校核取温度系数故h寿命指数对于球轴承因为所以轴承符合要求7002AC角接触轴承根本尺寸内圈直径外圈直径轴承宽度轴承质量静载荷动载荷=1926mm=2000mm符合要求符合要求丝杆满足使用要求=1800mm=2000mm=5T=465满足刚度条件可选用,运行矩频特性满足五电气控制系统设计5.1设计的根本原那么在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原那么：1)最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求；2)在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高性能指标；3)妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造本钱、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调处理好二者的关系；4)把电气系统的平安性和可靠性放在首位，确保使用平安、可靠。5)合理的选用电器元件。5.2步进电机原理、控制技术及其特点由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专业设——步进电机控制驱动器，典型步进电机控制系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以到达驱动步进电机的目的，步进电机的根本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从结构上看，步进电机分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其根本原理如下：〔1〕换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式下，其各相通电顺序为A→B→C→A，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C相的通断。三相双三拍的通电顺序为AB→BC→CA→AB，三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A。〔2〕步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。假设步进电机的励磁方式为三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通电换相，A→AC→C→CB→B→BA→A，那么电机就反转。其他方式情况类似。〔3〕步进电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。〔4〕步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小振动，可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波，可以减小步进电机的步进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性而使电机轴产生顺滑，那么需采用适宜的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电机的转轴，使步进电机转轴不能自由转动。〔5〕步进电机的加减速控制在步进电机的控制系统中，通过实验发现，如果信号变化太快，步进电机由于惯性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比拟符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标位置的最高步进频率。电机的启动频率、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率〔突跳频率〕一般为0.1KHz到3~4KHz，而最高运行频率那么可以到达N*102KHz，以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生堵转和失步的现象。〔6〕步进电机的换向控制步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及上下电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速→换向→加速3个过程。步进电机有如下特点：步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比，因此当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。②由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可靠。同时，它也可以有角度反响环节组成高性能的闭环数控系统。③步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。④速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，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运行，它不能直接用交流电源或直流电源。⑥步进电机自身的噪声和振动比拟大，带惯性负载的能力强。5.3元器件介绍〔1〕步进电机步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式〔PM〕，反响式〔VR〕和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行元件。其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进电机就转动一个角度〔不距角〕或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。四相步进电机的工作原理该设计采用了20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按适宜的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，那么转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。② 步进电机的静态指标及术语相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍运行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 θ表示。50 齿角电机为例，四相运行时步距角为：θ=360度/〔50*4〕=1.8度；八拍运行时步距角为：θ=360 度 /〔50*8〕=0.9 度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩〔由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的〕。静转矩：电机在额定静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静态转矩与电磁激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。但过分采用减小气隙，增加励磁匝数来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。③ 四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1a、b、c所示。本设计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电时机出现失步现象，所以脉冲频率一定要控制在步进电机允许的范围内。〔2〕89C51单片机Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压‘高性能的8位单片机，它采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容；片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部除CPU外，还包括256字节RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，完全满足本系统设计需要。〔3〕L297介绍L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，其引脚见图1，内部方框见图。L297芯片引脚图L297各引脚功能说明：1脚(SYNG)——斩波器输出端。如多个297同步控制，所有的SYNC端都要连在一起，共用一套振荡元件。如果使用外部时钟源，那么时钟信号接到此引脚上。2脚(GND)——接地端。3脚(HOME)——集电极开路输出端。当L297在初始状态(ABCD=0101)时，此端有指示。当此引脚有效时，晶体管开路。4脚(A)——A相驱动信号。5脚(INH1)——控制A相和B相的驱动极。当此引脚为低电平时，A相、B相驱动控制被禁止；当线圈级断电时，双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。假设CONTROL端输入是低电平时，用斩波器调节负载电流。6脚(B)——B相驱动信号。7脚(C)——C相驱动信号。8脚(INH2)——控制C相和D相的驱动级。作用同INH1相同。9脚(D)——D相驱动信号。10脚(ENABLE)——L297的使能输入端。当它为低电平时，INH1，INH2，A，B，C，D都为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。11脚(CONTROL)——斩波器功能控制端。低电平时使INH1和INH2起作用，高电平时使A，B，C，D起作用。12脚(Vcc)——+5V电源输入端。13脚(SENS2)——C相、D相绕组电流检测电压反响输入端。14脚(SENS1)——A相、B相绕组电流检测电压反响输入端。15脚(Vref)——斩波器基准电压输入端。加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。16脚(OSC)——斩波器频率输入端。一个RC网络接至此引角以决定斩波器频率，在多个L297同步工作时其中一个接到RC网络，其余的此引角接地，各个器件的脚I(SYNC)应连接到一起这样可杂波的引入问题如图5所示。17脚(CW/CCW)—方向控制端。步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。当改变此引脚的电平状态时，步进电机反向旋转。18脚(CLOCK)——步进时钟输入端。该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增量，该步进是在信号的上升沿产生。19脚(HALF/FULL)——半步、全步方式选择端。此引脚输入高电平时为半步方式(四相八拍)，低电平时为全步方式。如选择全步方式时变换器在奇数状态，会得到单相工作方式(单四拍)。20脚(RESET)——复位输入端。此引脚输入负脉冲时，变换器恢复初始状态(ABCD=0101)。L297内部方框电路图在图所示的L297的内部方框图中。变换器是一个重要组成局部。变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成，产生一个根本的八格雷码。由变换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑局部，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过2个PWM斩波器控制电动波器包含有一个比拟器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图4所示，晶片内部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高，当电压到达Uref时(Uref是根据峰值负载电流而定的)，将触发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出(即触发器Q输出)是一恒定速率的PWM信号，L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A，B，C，D或抑制线INH1和INH2起作用。CONTROL为高电平时，对A，B，C，D有抑制作用；为低电平时，那么对抑制线INH1和INH2有抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制L297驱动相序的产生L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。3种方式的驱动相序都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生，格雷码的顺序直接与四八拍(半步方式)相符合，只要在脚19输入一高电平即可得到。其波形图如图5所示。四相八拍模式波形图〔4〕L298简介L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver)，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L297来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。L298N之接脚如图8所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable那么控制电机停。L298引脚图5.4方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化，通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒，一根启动信号线共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。这里选四相步进电机。该电机共有四相绕组，工作电压为+5V，可以与单片机共用一个电源。步进电机的四相绕组控制过程如下：P0.0口控制L297的方向控制端〔CW/CCW〕，P0.1控制步进时钟输入端。使L297输出四相八拍工作所需的适当相序〔A,B,C,D四相〕。L297的四相输出接L298的IN0---IN4使其OUT0---OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。用P1口的P1.0~P1.7控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。5.5硬件设计本设计的硬件电路只要包括控制电路、最小系统、驱动电路、显示电路四大局部。最小系统只要是为了使单片机正常工作。控制电路只要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需要进行操作。显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。〔1〕控制电路控制电路原理图根据系统的控制要求，控制输入局部设置了正转控制，反转控制，加速控制和减速控制按钮，分别是K1、K2、S2、S3，控制电路如图9所示。通过K1、K2状态变化来实现电机的正转和反向转动控制。当K1、K2的状态变化时，内部程序检测P3.4和P3.5的状态来调用换向程序进行电机的正反转控制。根据步进电机的工作原理可以知道，步进电机转速的控制主要是通过控制通入电机的脉冲频率，从而控制电机的转速。对于单片机而言，主要的方法有软件延时和定时中断在此电路中电机的转速控制主要是通过定时器的中断来实现的，该电路控制电机加速度主要是通过S2、S3的断开和闭合，从而控制外部中断根据按键次数，改变速度值存储区中的数据〔该数据为定时器的中断次数〕，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，从而改变了电机的转速。〔2〕驱动电路步进电机驱动电路通过L297和L298构成驱动电路，电路图如图10所示。P0.0口控制L297的方向控制端〔CW/CCW〕，P0.1控制步进时钟输入端。使L297输出四相八拍工作所需的适当相序〔A,B,C,D四相〕。L297的四相输出接L298的IN0---IN4使其OUT0---OUT4输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。〔3〕显示模块显示模块通过P1口的P1.0~P1.7控制LM016L显示步进电机的转速和转动方向。总体电路图把各个局部的电路图组合成总电路图，如图12所示。总体电路图〔包括显示电路图〕5.6软件设计通过分析可以看出，实现系统功能可以采用多种方法，由于随时有可能输入加速、加速信号和方向信号，因而采用中断方式效率最高，这样总共要完成4个部分的工作才能满足课题要求，即主程序局部、定时器中断局部、外部中断0和外部中断1局部，其中主程序的主要功能是系统初始参数的设置及启动开关的检测，假设启动开关合上那么系统开始工作，反之系统停止工作；定时器局部控制脉冲频率，它决定了步进电机转速的快慢；两个外部中断程序要做的工作都是为了完成改变速度这一功能。下面分析主程序与定时器中断程序及外部中断程序。〔1〕主程序设计主程序中要完成的工作主要有系统初始值的设置、系统状态的显示以及各种开关状态的检测判断等。其中系统初始状态的设置内容较多，该系统中，需要初始化定时器、外部中断；对P1口送初值以决定脉冲分配方式，速度值存储区送初值决定步进电机的启动速度，对方向值存储区送初值决定步进电机旋转方向等内容。假设初始化P1=11H、速度和方向初始值均设为0，就意味着步进电机按四相单八拍运行，系统上电后在没有操作的情况下，步进电机不旋转，方向值显示“0”，速度值显示“0”，主程序流程图如图5所示。〔2〕定时中断设计步进电机的转动主要是给电机各绕组按一定的时间间隔连续不断地按规律通入电流，步进电机才会旋转，时间间隔越短，速度就越快。在这个系统中，这个时间间隔是用定时器重复中断一定次数产生的，即调节时间间隔就是调节定时器的中断次数，因而在定时器中断程序中，要做的工作主要是判断电机的运行方向、发下一个脉冲，以及保存当前的各种状态。〔3〕外部中断设计外部中断所要完成的工作是根据按键次数，改变速度值存储区中的数据〔该数据为定时器的中断次数〕，这样就改变了步进电机的输出脉冲频率，也就是改变了电机的转速。速度增加按钮S2为INT0中断，其程序流程为原数据，当RunSpeed的值大于12时，原数值减2返回，计算速度值。速度减少按钮S3，当RunSpeed小于100时，数据加2后返回，计算速度值。系统总程序流程如下列图所示开始开始中断0还是中断1输入？定时器T0还是T1输入？系统初始化反转运行状态加速控制减速控制速度计算正转运行状态显示控制T0有效T1有效都无效中断1输入中断0输入都无效主程序流程图5.7源程序代码#include"AT89X51.h"intdelay();voidinti_lcd();voidshow_lcd(int);voidcmd_wr();voidShowState();voidclock(unsignedintDelay);voidDoSpeed();//计算速度//正转值#defineRIGHT_RUN1//反转值#defineLEFT_RUN0sbitRS=0xA0;sbitRW=0xA1;sbitE=0xA2;charSpeedChar[]="SPEED(n/min):";charStateChar[]="RUNSTATE:";charSTATE_CW[]="CW";charSTATE_CCW[]="CCW";charSPEED[3]="050";unsignedintRunSpeed=50; //速度unsignedcharRunState=RIGHT_RUN;//运行状态main(){/*定时器设置*/ TMOD=0x66; //定时器0，1都为计数方式；方式2； EA=1; //开中断 TH0=0xff; //定时器0初值FFH； TL0=0xff; ET0=1; TR0=1; TH1=0xff; //定时器1初值FFH； TL1=0xff; ET1=1; TR1=1; IT0=1; //脉冲方式 EX0=1; //开外部中断0:加速 IT1=1; //脉冲方式 EX1=1; //开外部中断1:减速inti_lcd();DoSpeed();ShowState();while(1){clock(RunSpeed);P0_1=P0_1^0x01;}}//定时器0中断程序:正转voidt_0(void)interrupt1{RunState=RIGHT_RUN; P0_0=1;P1=0x01;cmd_wr();ShowState();}//定时器1中断:反转voidt_1(void)interrupt3{ RunState=LEFT_RUN;P0_0=0;P1=0x01;cmd_wr();ShowState();}//中断0:加速程序voidSpeedUp()interrupt0{if(RunSpeed>=12)RunSpeed=RunSpeed-2;DoSpeed();P1=0x01;cmd_wr();ShowState();}//中断1:减速程序voidSpeedDowm()interrupt2{if(RunSpeed<=100)RunSpeed=RunSpeed+2;DoSpeed();P1=0x01;cmd_wr();ShowState();}intdelay()//判断LCD是否忙{inta;start:RS=0;RW=1;E=0;for(a=0;a<2;a++);E=1;P1=0xff;if(P1_7==0)return0;elsegotostart;}voidinti_lcd()//设置LCD方式{P1=0x38;//设置16x2显示cmd_wr();delay();P1=0x01;//去除cmd_wr();delay();P1=0x0f;cmd_wr();delay();P1=0x06;//光标移动设置cmd_wr();delay();P1=0x0c;//显示开及光标设置cmd_wr();delay();}voidcmd_wr()//写控制字{RS=0;RW=0;E=0;E=1;}voidshow_lcd(inti)//LCD显示子程序{P1=i;RS=1;RW=0;E=0;E=1;}voidShowState()//显示状态与速度{inti=0;while(SpeedChar[i]!='\0')//////charSpeedChar[]="SPEED(n/min):";{delay();show_lcd(SpeedChar[i]);i++;}delay();P1=0x80|0x0d;///数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H)cmd_wr();i=0;while(SPEED[i]!='\0'){delay();show_lcd(SPEED[i]);///SPEED[3]="050";i++;}delay();P1=0xC0;cmd_wr();i=0;while(StateChar[i]!='\0'){delay();show_lcd(StateChar[i]);//charStateChar[]="RUNSTATE:";i++;}delay();P1=0xC0|0x0A;/////0x0c显示开及光标设置cmd_wr();i=0;if(RunState==RIGHT_RUN)while(STATE_CW[i]!='\0'){delay();sho