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基于单片机的步进电机的数控系统本科论文
基于单片机的步进电机的数控系统
[摘要]：
很多工业控制设备对位移和角度的控制精度要求较高，一般电机很难实现，而步进电机可精确实现所设定的角度和转数。
本设计主要是运用51单片机控制四相步进电机系统。
由单片机产生驱动脉冲信号，控制步进电机以一定的转速向某一方向产生一定的转动角度。
而步进电机具有控制简便、定位准确等特点。
随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛的应用。
本设计采用专门的集成电路构成的步进电机驱动控系统。
此系统具有结构简单，性价比高，体积小，软件开发简单。
由此集成电路构成的数控系统通过简单的编程就可以任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制电机运行状态。
在此基础上提出了步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。
关键字：
单片机；步进电机；数控系统
[abstract]:
Manyindustrialcontrolequipmenttocontrolthedisplacementandangleofhigheraccuracy,itisdifficulttoachievethegeneralmotor,andsteppermotorcanbesettoachievethepreciseangleandrotation.Thisdesignistheuseof51single-chip4-phasesteppermotorcontrolsystem.Generatedbythesingle-chipdrivepulsesignaltocontrolthesteppermotorspeedtoacertaindirectiontoacertaindegreeofrotationangle.Andsteppermotorcontrolissimple,accuratepositioning.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyinmanyfieldswillbeawiderangeofapplications.Thedesignofintegratedcircuitsconsistingofadedicatedsteppermotordrivercontrolsystem.Thissystemhasasimplestructure,highcost,smallsize,simplesoftwaredevelopment.ThisintegratedcircuitconsistingofCNCprogrammingthroughsimpleonthesteppermotorcansetthespeed,rotationangle,rotationfrequencyandcontrolmotorrunning.Onthisbasisasteppermotorcontrolcircuitofthehardwareinterface,theprogramflowchartandtheassembler
Keywords:
Single-chipmicrocontroller;steppingmotor;numericalcontrolsystem.
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2数控技术的基本概念1
1.3数控系统的组成1
1.4数控技术的发展趋势2
2课题分析及整体方案的确定4
2.1课题设计内容及要求4
2.2课题分析及系统特点分析4
2.3系统总体方案的确定4
3模块电路分析与设计5
3.1电源模块电路分析与设计5
3.1.1电源模块电路的分析5
3.1.2电源模块电路的设计6
3.2控制模块电路分析与设计12
3.2.1控制模块电路分析12
3.2.2部分硬件简介12
3.3驱动模块分析及其设计32
3.3.1步进电动机的原理32
3.3.2步进电机的驱动35
4数控机床软件控制37
4.1步进电机的运动控制37
4.2步进电机插补程序设计38
总结44
致谢45
参考文献46
1绪论
1.1引言
在工业控制系统中,通常要控制机械部件的平移和转动,对位移和角度的控制要求较高,一般电机很难实现对位置和角度的精确控制,而步进电机可精确实现所设定的角度和转数,具有良好的步进特性,最适合于数字控制,因此它在数控机床等设备中得到了广泛的应用。
在工业被控设备对位移和角度控制要求较高的场所步进电机应用很多,而单片机芯片体积小、兼容性强、高速度、低价格、低工作电压、低功耗等特点,使单片机成为驱动步进电机的最佳控制单元,所以基于单片机控制的步进电机系统控制精度高、运行稳定,在控制领域有着广泛的应用。
1.2数控技术的基本概念
数控技术，简称数控（NMmericalContr01，NC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。
由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerNumericalContr01，CNC）。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。
用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统（Numer5calContr01System），数控系统的核心是数控装置（NMmericalContr011er）。
由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用NC（或CNC），因此，在实际使用中，在不同场合NC（或CNC）具有三种不同含义：
既可以在广义上代表一种控制技术，又可以在狭义上代表一种控制系统的实体，还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。
采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。
它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。
1.3数控系统的组成
1．控制介质
数控设备工作时，不需要操作者直接进行手工加工，但设备必须按操作者的意图进行工作，这就必须在操作者与设备间建立某种联系，对这种联系的中间媒介物称之为控制介质。
控制介质也称为信息载体，它可以是穿孔带、穿孔卡、磁带、软磁盘等。
在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息，它是数控系统用来指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。
2．输入装置
输入装置的作用是将控制介质上的程序代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置中。
根据不同的控制介质，输入装置可以是光电读带机、录音机或软盘驱动器。
现在有很多数控设备不用任何控制介质，而是将数控加工程序单上的内容通过数控装置上的键盘直接输入给数控装置，称为MDI方式。
有的还可格数控加工程序由编程计算机用通信方式传送给数控装置。
3．数径装置
数控装置是数控设备的核心，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理，然后将各种信息指令输出给伺服系统，使设备各部分进行规范而有序的动作。
这些指令主要是经插补运算决定的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量；主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的指令信号；切削液的开停信号；工件的松夹、分度工作台的转位等辅助指令信号。
介于数控装置与被控设备之间的强电控制装置，主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和功率放大后，直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件等，完成指令所规定的各种动作。
4．伺服系统
伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件，它们与执行部件上的机械部件组成数控设备的进给系统。
其作用是把数控装置发来的速度和位移指令（脉冲信号）转换成执行部件的进给速度、方向和位移。
每个执行进给运动的部件，都配有一套伺服驱动系统，而相对于每一个脉冲信号，执行部件都有一个相应的位移量，又称为脉冲当量，其值越小，加工精度就越高。
数控装置可以以很高的速度和精度进行计算并发出很小的脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行，所以整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。
在伺服系统中，伺服驱动电路要把数控装置发出的微弱电信号（5V左右，毫安级）放大成强电的驱动电信号（几十至上百伏，安培级）去驱动执行元件——伺服电动机。
伺服系统的执行元件主要有功率步进电动机、电液脉冲马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机等，其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出铀的角速度和角位移的变化，从而带动执行部件作进给运动。
5．执行部件
数控系统的执行部件是加工运动的实际执行部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台、拖板及其部件和床身立校等支承部件，此外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库及交换刀具的自动换刀机构等。
执行部件应有足够的刚度和抗振性，还要有足够的精度，传动系统结构要简单，便于实现自动控制。
6．测量反馈装置
测量反馈装置是将运动部件的实际位移、速度及当前的环境（如温度、振动、摩擦和切削力等因素的变化）参数加以检测，转变为电信号后反馈给数控装置，通过比较，得出实际运动与指令运动的误差，并发出误差指令，纠正所产生的误差。
测量反馈装置的引入，有效地改善了系统的动态特性，大大提高了零件的加工精度。
1.4数控技术的发展趋势
随着微电子技术、计算机技术、精密制造技术及检测技术的发展，数控机床性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。
各生产部门工艺要求的不断提高又从另一方面促进了数控机床的发展，当今数控机床正不断采用最新技术成果，朝着高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、复合化等方向发展。
（1）高速度、高精度速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。
对于数控系统，高速度首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，能高速度处理并计算出伺服电动机的位移量，并要求伺服电动机高速度地作出反应。
此外，要实现生产系统的高速度，还必须实现主轴、进给、刀具交换、托板交换等各种关键部分的高速度。
现代数控机床主轴转速在12000r／min以上的已较为普及，高速加工中心的主轴转速高达100000r／min；快速进给速度一般机床都在50m／min以上，有的机床高达120m／min。
加工的高精度比加工速度更为重要，微米级精度的数控设备正在普及，一些高精度机床的加工精度己达到o．1pm。
（2）高可靠性新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使线路的集成度提高，元器件数量减少，功耗降低，提高了可靠性。
现代数控机床都装备了计算机数控系统（即CNC系统），只要改变软件控制程序，就可以适应各类机床的不同要求，实现数控系统的模块化、标准化和通用化。
数控控制软件的功能更加丰富，具有自诊断及保护功能。
为了防止超程，可以在系统内预先设定工作范围（即软极限）。
数控系统还具有自动返回功能（即断点保护功能）。
（3）多功能大多数数控机床都具有CRT图形显示功能，可以进行二维图形的加工轨迹动态模拟显示，有的还可以显示三维彩色动态图形；具有丰富的人机对话功能，“友好”的人机界面；借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。
现代数控系统，除了能与编程机、绘图机、打印机等外设通信外，还应能与其他CNC系统、上级计算机系统通信，以实现FMS的连接要求。
（4）智能化数控系统应用高技术的重要目标是智能化。
如引进自适应控制技术、人机会话自动编程、自动诊断并排除故障等智能化功能。
（5）复合化复合化是近几年数控机床发展的模式，它将多种动力头集中在一台数控机床上，在一次的装夹中完成多种工序的加工。
如立卧转换加工中心、车铣万能加工中心及四铀联动（x、Y、Z、C）的车削中心等。
2课题分析及整体方案的确定
2.1课题设计内容及要求
数控系统中步进电机的应用,主要是利用步进电机驱动开环伺服系统,用单片机扩展并行口来控制步进电机,用软件的方法控制步进电机的方向及速度，实现步进电机的选择和控制方法.本课题所讨论的是二轴步进电机数控系统。
此数控机床自身坐标x、y方向上各采用一个步进电机，以实现该方向的运动。
步进电机数控装置的设计主要是单片机数控系统的设计。
2.2课题分析及系统特点分析
对课题所需设计系统具有的功能进行分析可知，系统应实现的任务为通过键盘与单片机的控制来实现单片机（通过一系列I/O和存储器的扩展）对步进电机的控制。
在此主要设计用步进电机实现二坐标轴数控机床直线和圆弧插补，能够适时显示当前坐标值，并且可以通过键盘进行手动控制，另外，还有电源电路及显示电路的设计。
2.3系统总体方案的确定
步进电机数控系统大体可以分为如下模块：
电源模块
控制模块
驱动模块
系统组成框图如图2-1所示：
图2-1
3模块电路分析与设计
3.1电源模块电路分析与设计
3.1.1电源模块电路的分析
在本设计中主要用到两种电源：
用于控制模块的+5V直流电源
用于驱动电动机的+30v300w的直流电源
在工农业生产和科学实验中，主要采用交流电，但是在某些场合，例如电解、电镀、蓄电池的充电、直流电动机等，都需要用直流电源供电。
此外，在电子线路和自动控制装置中，还需要用电压非常稳定的直流电源。
为了得到直流电，除了采用直流发电机、干电池等直流电源外，目前广泛采用各种半导体直流电源。
图3—1所示是半导体直流稳压电源的原理方框图，它表示把交流电变换为直流电的过程。
图3－1半导体直流稳压电源的原理框图
1．电源变压器
电网上单相交流电压的有效值为220V，而通常需要的直流电压要比此值低。
因此，先利用变压器进行降压，将220V的交流电变成合适的交流电以后再进行交、直流转换。
当然，有的电源不是利用变压器而是利用其他方法降压的。
2．整流电路
整流电路的主要任务是利用二极管的单向导电特性，将经变压器降压后的交流电变成单向脉动的直流电。
经整流电路输出的单向脉动的直流电幅度变化较大，这种直流电一般不能直接供给电子电路使用。
3．滤波电路
滤波电路的主要任务是滤除脉动直流电中的交流成分电压，使输出电压成为比较平滑的直流电。
常采用的元件有电容和电感等。
4．稳压电路
交流电经降压、整流、滤波后输出的直流电具有较好的平滑程度，一般说来可以充当电路的电源。
需要指出的是，此时的电压值还要受到电网电压波动以及负载变化的影响，即经滤波后输出的电压由于各种因素的影响往往是不稳定的。
为使输出电压稳定，还需要增加稳压电路部分。
稳压电路的作用就是自动稳定输出电压，使输出电压不受电网电压波动和负载大小的影响。
3.1.2电源模块电路的设计
1.整流电路
整流电路是利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压，因此二极管是构成整流电路的核心元件。
在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路用得最为普遍。
为了简单起见，分析计算整流电路时把二极管当作理想元件来处理，即认为二极管的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大
.单相桥式整流电路的组成及工作原理
单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图3—2（a）所示。
图3—2（b）所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。
图3－2单相桥式整流电路
（a）单相桥式整流电路；（b）单相桥式整流电路的简化画法
单相桥式整流电路的工作情况如下
设整流变压器副边电压为：
当
为正半周时，其极性为上正下负，即a点电位高于b点电位，二极管D1、D3因承爱正向电压而导通，D2、D4因承受反向电压而截止。
此时电流的路径为：
a→D1→
→D3→b，如图3—3（a）所示。
当
为负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于b点电位，二极管D2、D4因承受正向电压而导通，D1、D3因承受反向电压而截止。
此时电流的路径为：
a→D2→
→D4→b，如图3—3（b）所示。
图3－3单相桥式整流电路
（a）正半周时电流的通路（b）负半周时电流的通路
可见电压无论在正半周还是在负半周，负载电阻
上都有相同方向的电流流过。
因此在负载电阻
得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图3—4所示。
二．参数计算
（1）负载上电压平均值和电流平均值。
其中：
单相全波整流电压的平均值为：
图3－4单相桥式整流电路的波形
流过负载电阻
的电流平均值为：
（2）整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压。
因为桥式整流电路中，每两个二极管串联导通半个周期，所以流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：
每个二极管在截止时承受的最高反向电压为
的最大值，即：
（3）整流变压器副边电压有效值和电流有效值，其中：
整流变压器副边电压有效值为：
整流变压器副边电流有效值为：
由以上计算，可以选择整流二极管和整流变压器。
除了用分立元件组成桥式整流电路外，现在半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥和三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少了接线、提高了电路工作的可靠性，使用起来非常方便。
常见的几种整流电路如表3—1所示。
由表3—1可见，半被整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。
两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。
桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。
因此桥式整流电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。
桥式整流电路的缺点是二极管用的较多。
表3－1桥式整流电路性能表
类型
整流电路
整流电压波形
整流电压平均值
二极管电流平均值
二极管承受的最高反电压
单相桥式
0.9U2
2.滤波
整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。
但许多电子设备需要平稳的直流电源。
这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。
滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压（或电流）增加时，电容（或电感）把能量储存在电场（或磁场）个；当电源电压（或电流）减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输以电压（或电流）中的脉动成分．得到比较平滑的直流电压。
实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路（包括倒L型、Rc—π型、LC—π型滤波）等，如图3—5所示。
3滤
一、电容滤波电路
最简单的电容滤波电路是在整流电路的直流输出侧与负载电阻
并联一电容器C，利用电容器的充放电作用，使输出电压趋于平滑。
图3—6所示为单相桥式整流电容滤波电路。
此时整流二极管工作在非线性区域，分析时要从二极管单向导电特性出发，特别注意电容两端电压对二极管工作特性的影响。
当输出端接负载电阻
时，设电容两端初始电压力零，在t＝0时刻接通电源。
则
由零开始上升时，二极管Dl，D3正偏导通，电源通过D1、D3向负载电阻
提供电流，同时向电容C充电，充电时间常数τ充=2RDC
图3—6桥式整流电容滤波电路
式中RD为二极管的正向导通电阻，其值非常小。
忽略RD的影响，电容C两端的电压将按
的规律上升；当电源电压开始下降．并达到
≥
时，4个二极管反偏截止．
二、电感滤波电路
电感滤波电路如图3—7所示，即在整流电路与负载电阻
之间串联一个电感器L。
由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓，、起到滤波作用。
电感L与负载
串联。
当流过电感L的电流增大时，电感产生的自感电动势阻止电流的增加；当电流减小时，自感电动势则阻止电流的减小。
可见，电感滤波器的电感量愈大，自感电动势愈大，单向脉动电流流经电感线圈时就愈平滑。
电感滤波电路输出电压较低，但输出电压波动小，随负载变化也很小，因而适用于负载电流较大的场合。
由于电感量大时体积也大，在小型电子设备中很少采用电感滤波方式。
图3—7单相桥式整流电感滤波电路
三、复式滤波电路
复式滤波电路是用电容器、电感器和电阻器组成的滤波器，通常有LC型、LCπ型、RCπ型几种。
它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。
图3—8所示是LC型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成。
脉动电压经过双重滤波，交流分量大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上的交流分量也很小，便可达到滤除交流成分的目的。
图3－9所示是LCπ型滤波电路，可看成是电容滤波和LC型滤波电路的组合，因此滤波效果更好，在负载上的电压更平滑。
由于LCπ型滤波电路输入端接有电容，在通电瞬间因电容器充电会产生较大的充电电流，所以一般取C1
图3—8LC型滤波电路图3—9LCπ型滤波电路
图3—10所示是RCπ型滤波电路。
在负载电流不大的情况下，为降低成本小体积，减轻重量，选用电阻器R来代替电感器L。
一般R取几十欧到几百欧。
当使用一级复式滤波达不到对输出电压的平滑性要求时，可以增添级数。
如图3—11所示。
图3—10RCπ型滤波电路图3—11多级RC滤波电路
3.直流稳压电源
由分立元件组成的直流稳压电路，需要外接不少元件，因而体积大，使用不便。
集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上的集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点。
集成稳压器的种类很多，作为小功率的直流稳压电源，应用最为普遍的是三端式串联型集成稳压器。
其外形图如图3-12所示三端式是指稳压器仅有输入端、输出端和公共端三个接线端子。
图3-12集成稳压器
3.2控制模块电路分析与设计
3.2.1控制模块电路分析
、二轴数控机床的控制要求
步进电机选用三四相单极，单相最大驱动电流为2A，最大相电压为12V，其脉冲当量为0.01mm/step，插补周期不超过1ms；
主要用单片机控制步进电机实现工作台的x向、y向运动，直线插补和圆弧插补及实现其它功能，同时可以用键盘输入作为辅助控制；
③能适时显示工作台的当前运动情况；
④采用软硬件进行环形分配及键盘扫描。
二、控制电路中用到的主要硬件设备有：
AT89C52单片机，8155，74ls373,74ls138,L297,L298,8279，6264，键盘等
3.2.2部分硬件简介
一、AT89C52单片机
AT89C52是一种带8k字节可重复擦写的flashs闪速存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C52
图3-14
1．主要特性：
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