目 录
1 绪论 .................................................................................................................................................. 1 1.1课题背景及意义 ........................................................................................................................ 1 1.1.1 课题的目的和意义 ............................................................................................................ 1
1.1.2 国内外对步进电机研究的现状、水平和发展趋势 ........................................................ 1 1.2 国内外较为常见的步进电机控制系统 ................................................................................... 1 1.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统 ................................................................................ 1 1.2.2 基于PLC的控制 .............................................................................................................. 2 1.2.3 基于单片机的步进电机控制 ............................................................................................ 3 1．3 论文研究的目的和内容 ........................................................................................................ 3 1．4 论文安排 ................................................................................................................................ 4 2 元器件介绍 ...................................................................................................................................... 5 2.1步进电机 .................................................................................................................................... 5
2.1.1步进电机的特点 ................................................................................................................. 5 2.1.2步进电机的分类 ................................................................................................................. 5 2.1.3步进电机的主要性能指标 ................................................................................................. 6 2.1.4步进电机的工作原理 ......................................................................................................... 7 2.1.5本设计所选的步进电机 ..................................................................................................... 9 2.2 89C51单片机 .......................................................................................................................... 10 2.2.1主要性能 ........................................................................................................................... 10 2.2.2 AT89C51的定时器结构 .................................................................................................. 11 2.2.3系统端口分配 ................................................................................................................... 14 2.3 L297工作原理 ........................................................................................................................ 14 2.4 L298简介 ................................................................................................................................ 17 2.5本章小结 .................................................................................................................................. 17 3 硬件设计 ........................................................................................................................................ 18 3.1 L297和L298组合电路 .......................................................................................................... 18 3.2方案设计 .................................................................................................................................. 18 3.3PROTEUS电路仿真设计 ........................................................................................................... 20 3.3.1控制电路 ........................................................................................................................... 20 3.3.2驱动电路 ........................................................................................................................... 21 3.3.3显示模块 ........................................................................................................................... 21 3.3.4时钟与复位部分 ............................................................................................................... 22 3.3.5总体电路图 ....................................................................................................................... 22 3.4 PROTEUS仿真结果................................................................................................................... 23 3.4.1 proteus仿真步进电机正反转 .......................................................................................... 23
3.4.2 proteus仿真步进电机加速 .............................................................................................. 24 3.4.3 proteus仿真步进电机减速 .............................................................................................. 26 3.4.4 proteus仿真步进电机单步运行 ...................................................................................... 28 3.4.5 proteus仿真步进电机复位 .............................................................................................. 30 3.5本章小结 .................................................................................................................................. 30 4 软件设计 ........................................................................................................................................ 31 4.1软件设计描述 .......................................................................................................................... 31 4.1.1主程序的设计方案 ........................................................................................................... 31 4.1.2定时中断设计 ................................................................................................................... 33 4.1.3外部中断设计 ................................................................................................................... 33 4.2源程序 ...................................................................................................................................... 33 4.3本章小结 .................................................................................................................................. 33 5 系统实现 ........................................................................................................................................ 34 5.1 硬件电路的可行性实验 ......................................................................................................... 34 5.2 硬件电路的焊接 ..................................................................................................................... 35 5.2.1锡焊工具 ........................................................................................................................... 35 5.2.2锡焊条件 ........................................................................................................................... 35 5.2.3锡焊步骤 ........................................................................................................................... 35 5.2.3焊接自我检查 ................................................................................................................... 36 5.3硬件调试 .................................................................................................................................. 38 5.4 本章小结 ................................................................................................................................. 38 6总结与思考 ..................................................................................................................................... 39 参考文献 ............................................................................................................................................ 40 文献翻译 ............................................................................................................................................ 41 英文原文 ........................................................................................................................................ 41 中文译文 ........................................................................................................................................ 47 致 谢 ................................................................................................................................................ 53 附 录 .............................................................................................................................................. 54
中国矿业大学2014届本科生毕业设计 第 1 页
1 绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1 课题的目的和意义
步进电机在机电一体化中是一种非常重要的执行元件，其良好的伺服性能使得步进电机在数控领域被广泛的应用，步进电机控制系统是控制步进电机运行的关键组成，它由步进电机控制器、驱动器、系统软件等部件构成，步进电机的运行状态主要由步进电机控制系统来实现。步进电机可在非常广的范围内通过改变脉冲频率来实现调速，它还可以快速启停、正反转、自锁等，这使得步进电机组成的开环系统简单、廉价、可靠。所以，它被广泛地应用于数控机床、绘图机、计算装置、自动记录仪、工人机器人、无损检测等系统和装置中。
步进电机与其控制驱动系统密不可分，当步进电机驱动器技术较为滞后时，就会使得步进电机系统在接近工作频率时产生共振，在低速运行中平稳性差，在高速运行中快速响应能力差，容易产生不同步现象，并且伴有震荡和较差的矩频特性，出现弊端。基于以上理论，步进电机控制系统的设计就显得尤为重要。
1.1.2 国内外对步进电机研究的现状、水平和发展趋势
步进电机是数字控制系统的执行元件。随着计算机控制系统的发展，数字控制技术迅速地崛起，步进电机的应用越来越广泛。步进电机是把电脉冲信号转换成相应角位移的执行元件，它的驱动器是步进电机控制系统中的一部分，步进电机与其驱动器是一个不可分割的整体，步进电机的运行与驱动器密切相关，随着晶体管技术的应用，使驱动器向小型化得到了很大的发展。
驱动器技术在20世纪70年代进入鼎盛时期，步进电机与其相应的驱动器脱颖而出，如日本的EMP系列、美国的M系列、德国的IBS/IBC系列等。功放驱动元件除了用到晶体管以外，还用到了晶闸管，电源线路采用两种不同电压等级的驱动器而不再是采用单一电压等级的驱动器。
随着微电子和计算机技术的应用和发展，步进电机的需求量与日俱增，其驱动器也在日新月异的发展完善和提高，驱动电路集成化也发展到了较高的技术水平。以美国为例，它生产的步进电机驱动器体积小，在功能上可驱动较大的步进电机，且工作发热低，电机工作平稳，可靠性高。驱动技术目前应用较多的有斩波驱动、升频生压驱动等。步进电机驱动技术的一个有极具发展优势的方向是微步驱动技术，又称为步进电机细分驱动技术。
1.2 国内外较为常见的步进电机控制系统
在长期的步进电机发展过程中，涌现出了多种步进电机的控制方案。 1.2.1 基于电子电路的步进电机控制系统
该方法采用电脉冲信号来控制步进电机，而电脉冲信号的相关变化（包括脉冲信号的产
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生、分配和放大等）则主要通过电子元器件的动作来实现。鉴于脉冲控制信号通常只具备很弱的驱动能力，因此系统中必须额外增加有功功率放大驱动电路。然后将步进电机、控制电路以及功率放大驱动电路进行组合，就可以组成步进电机的驱动系统。整部系统可以划分为三大主要部分，如图1.1所示。即：
1）脉冲信号的产生电路；2）脉冲信号的分配电路；3）实现功率放大功能的驱动电路。 脉 冲 控制 器 环形分配器驱动 电路步进电机 图1.1 基于电子电路的控制系统 优点：
这种控制方案的控制电路相对而言设计起来比较简单，通常来讲，大多数的步进电机任务都可以完成。根据实际生产的需要，该控制方案既可实现开环控制，也可实现闭环控制。当实现开环控制的时候，它的造价比较低，且设计起来非常简单，并且平稳性能很好，但是该系统此时将无法完成高精度细分。使用闭环控制的时候，可以实现高精度细分及其无级调速。闭环控制可以连续地通过直接或间接的方法检测到转子的位置及其速度，然后通过反馈环节把检测到的信息进行反向输送并进行及时的处理，这时系统会自动给出脉冲链，通过控制信号控制步进电机的每一步运转，即可实现只要控制策略是正确的，电机就不会发生失步现象。 缺点：
该控制电路的脉冲输出频率及其脉冲输出数主要是通过使用一些大规模集成电路来进行控制；方案可以实现的功能较少；一旦控制方案需要稍加改变，就必须进行重新设计，缺乏必要的灵活性。 1.2.2 基于PLC的控制
PLC是一种工用计算机，俗称可编程控制器。它的优点是：通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程简单易学和可靠性高。因此可以在自动控制系统中有着非常广泛的应用。 步进电机控制系统的组成有以下几个部分，即PLC、环形分配器和功率驱动电路。各部分功能如下：PLC主要是为控制系统产生控制脉冲，调整控制脉冲频率的强弱即可改变步进电机的转动速度，从而控制伺服机构的进给速度，而它所输出的方波脉冲则可以控制步进电机的转角进给量而控制伺服机构的进给量；将PLC输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组是环形脉冲分配器的主要功能，它主要有软件环形分配器和硬件环形分配器两大类，软件环形分配器是用计算机软件设计的方法实现环形分配器要求的功能，硬件环形分配器则是用硬件组成的环形分配器。相对而言，硬件环形分配器的结构比较复杂，但它占用的PLC资源较少，所以目前被用在多种芯片中，相对的，软件环形分配器则会占据较多的PLC资源，但是可以控制多相步进电机，比较适合用于大型生产线；步进电机功率驱动电路的主要功能就是放大PLC输出的控制脉冲，使驱动能力增强，从而驱动步进电机[1]。