【正文】 編 號(hào)： 審定成績(jī)： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：伺服電機(jī)運(yùn)行控制器的設(shè)計(jì)單 位（系別） ：自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名 ：武波專 業(yè) ：電氣工程與自動(dòng)化班 級(jí) ：05010901學(xué) 號(hào) ：0513090137指 導(dǎo) 教 師 ：聶嵐答辯組 負(fù)責(zé)人 ：徐輝填表時(shí)間： 2013年6月重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院教務(wù)處制重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要步進(jìn)電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，能與控制芯片相結(jié)合成伺服控制系統(tǒng)；具有良好的隨動(dòng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)控制，在現(xiàn)代控制領(lǐng)域中具有不可替代的作用。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器，功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成。采用單片機(jī)控制，用軟件代替上述步進(jìn)控制器，使得線路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性大大增加。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來(lái)控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。本設(shè)計(jì)首先介紹了步進(jìn)電機(jī)、AT89C52單片機(jī)、L297和L298N驅(qū)動(dòng)電路的基本原理與功能；其次，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)起停、轉(zhuǎn)向、速度控制方案；再次，在這些器件功能與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，擬出設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建系統(tǒng)的總體框架；最后利用PROTEL軟件繪出電路圖，同時(shí)寫出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行流程和相關(guān)程序。本設(shè)計(jì)主要思想是以AT89C52單片機(jī)為控制核心，L297和L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器改變CP脈沖的頻率時(shí)間對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速與正反轉(zhuǎn)功能，并將電機(jī)所處的狀態(tài)用數(shù)碼管顯示出來(lái)?！娟P(guān)鍵詞】伺服 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) AT89C52ABSTRACTStepper motor is one of the most mon motors. As a digital servo actuators, it can be bined with a control chip into the servo control system。 with the good follow—up, it can realize the precise control and hold an irreplaceable role in modern control domain. Stepper motor control system is mainly posed of stepping controller, power amplifier and the stepper motor, etc. Controlled by single chip microputer, using software instead of the above step controller, makes the circuit simple, low cost and reliability is greatly increased. Software programming can flexibly produce different types of stepper motor excitation sequence to control the operation of various kinds of stepper motor.This design first introduced the principle and function of the stepper motor, AT89C52 singlechip microputer, L297 and L298N drive circuit。 Second, design the scheme of startstop, steering and speed, position control of stepper motor。 Once again, on the basis of these devices’ functions and characteristics, draw up the design idea and build the system39。s overall framework。 Finally using PROTEL software draw circuit diagram, at the same time write a design system operation process and related procedures. The main idea of the design is based on AT89C52 single chip microputer as control core, chip L297 and L298 as a driver. Through single chip microputer internal timers to alter the frequency of CP pulses time stepping motor speed control, realizes the motor speed and positive amp。negative function, and use digital tube to display the motor39。s state.【Key words】servo stepper motor singlechip AT89C52目 錄前 言 1第一章 緒論 2第一節(jié) 課題背景 2一、伺服電機(jī)的介紹 2二、伺服控制器的介紹 3第二節(jié) 設(shè)計(jì)目的及系統(tǒng)功能 4第二章 系統(tǒng)硬件分析 6第一節(jié) 系統(tǒng)組成 6第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 8一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類 8二、步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 9三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 12第三節(jié) 單片機(jī)簡(jiǎn)介 14第四節(jié) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹 19一、L297簡(jiǎn)介 19二、L298簡(jiǎn)介 20第五節(jié) 測(cè)速和顯示介紹 22一、光電編碼器測(cè)速 22二、LED數(shù)碼顯示 23第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 24第一節(jié) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 24第二節(jié) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 25一、電源電路設(shè)計(jì) 25二、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì) 26三、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 26四、按鍵電路設(shè)計(jì) 27五、測(cè)速電路設(shè)計(jì) 28六、顯示電路設(shè)計(jì) 29七、抗干擾設(shè)計(jì) 29第四章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 31第一節(jié) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 31第二節(jié) 鍵盤控制程序設(shè)計(jì) 32第三節(jié) 正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計(jì) 33第四節(jié) 加減速程序設(shè)計(jì) 34第五節(jié) 顯示子程序設(shè)計(jì) 35第六節(jié) 定時(shí)中斷程序設(shè)計(jì) 36結(jié) 論 37致 謝 38參考文獻(xiàn) 39附 錄 40一、英文原文 40二、英文翻譯 42三、工程設(shè)計(jì)圖紙 44四、源程序清單 4558前 言在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們?nèi)粘Ｉ钪卸计鹬种匾淖饔?。步進(jìn)電機(jī)作為最常見(jiàn)的一種電機(jī)，作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制，一般以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位控制。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速一般是改變輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)每給一個(gè)脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，這樣就可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)改變脈沖的頻率，延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)具體控制步進(jìn)角來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。第一章 緒論第一節(jié) 課題背景近年來(lái)，由于數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，伺服系統(tǒng)的作用越顯突出，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。隨著國(guó)家對(duì)制造裝備及其技術(shù)改造工作的重視，未來(lái)的伺服系統(tǒng)將會(huì)占據(jù)自動(dòng)化領(lǐng)域一個(gè)重要角色。一、伺服電機(jī)的介紹從定義上來(lái)講伺服電機(jī)（servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置，它是可能的一個(gè)簡(jiǎn)單的交流感應(yīng)電機(jī)是連接到一個(gè)速度控制器。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服可作為交流或直流電動(dòng)機(jī)。早期一般伺服直流電動(dòng)機(jī)，隨著晶體管成為能夠控制大電流和開(kāi)關(guān)的大電流在更高的頻率，交流伺服電機(jī)成為更經(jīng)常地使用。步進(jìn)電機(jī)按工作方式分類：可分為功率式和伺服式兩種。在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中常用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做伺服電機(jī)，因?yàn)殚_(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)置檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒(méi)有檢測(cè)反饋和處理修正過(guò)程。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能很高，運(yùn)動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)在開(kāi)環(huán)控制的系統(tǒng)中和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。人們用它來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和其他采用指針的儀器，打印機(jī)、繪圖儀，磁盤光盤驅(qū)動(dòng)器、各種自動(dòng)控制閥、各種工具，還有機(jī)器人等機(jī)械裝置。此外作為執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，被廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它的需要量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，由于其精度高、體積小、控制方便靈活，因此在智能儀表和位置控制中得到了廣泛的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及單片機(jī)技術(shù)的迅速普及，為設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，價(jià)格低的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器提供了先進(jìn)的技術(shù)和充足的資源。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，它廣泛用于打印機(jī)、電動(dòng)玩具等消費(fèi)類產(chǎn)品以及數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，其在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種能完成增量運(yùn)動(dòng)的電磁機(jī)械，它將輸入的數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)軸的輸出角度。在開(kāi)環(huán)方式下，步進(jìn)電機(jī)的輸出步數(shù)總是和輸入指令的脈沖數(shù)相等，每個(gè)脈沖都使電機(jī)轉(zhuǎn)軸前進(jìn)一個(gè)步進(jìn)角，并依靠它特有的定位轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)軸準(zhǔn)確地鎖定在相應(yīng)的步距位置。但是，在開(kāi)環(huán)控制方式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制有著較大難度：在高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)易丟失輸入脈沖，造成失步；在低速時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)有較大波動(dòng)，運(yùn)行不平穩(wěn)；特別是當(dāng)電機(jī)負(fù)載變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)更大，調(diào)整更不容易。當(dāng)輸入脈沖頻率很低時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就處于步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。由于步進(jìn)電機(jī)具備快速啟動(dòng)和停止的能力，它的步距角和轉(zhuǎn)速僅與脈沖頻率有關(guān)而不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件的影響，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。正是因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)被廣泛地用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器，功率放大器及步進(jìn)電機(jī)等組成。隨著近年來(lái)大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及各種單片機(jī)的迅速發(fā)展和普及，利用單片機(jī)與集成電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)不但靈活、方便、易于實(shí)現(xiàn)，而且它還具有成本低的特點(diǎn)。軟件編程可靈活產(chǎn)生不同類型步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁序列來(lái)控制各種步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械的數(shù)字控制，為使系統(tǒng)的可靠性、通用性、可維護(hù)性以及性價(jià)比最優(yōu)。二、伺服控制器的介紹隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，伺服控制器已成為不僅僅是放大器的伺服電機(jī)。今天，伺服控制器還能夠作出一系列決定，并提供一種手段，接收信號(hào)來(lái)自外部傳感器和控制系統(tǒng)中，并發(fā)出信號(hào)。一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。一般伺服都有三種控制方式：速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，位置控制方式。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來(lái)控制的。位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)控制的。①轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。②位置控制位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。③速度模式通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的