【文章內(nèi)容簡介】 的提高，實際應(yīng)用普及率越來越高，使得數(shù)控機床已成為現(xiàn)代機械制造技術(shù)的基礎(chǔ)。戰(zhàn)后全球經(jīng)濟發(fā)展的歷史經(jīng)驗證明，一個國家的實力極其繁榮，主要取決于其制造業(yè)所能提供的產(chǎn)品與勞務(wù)的競爭力。我國與工業(yè)化國家的技術(shù)差距主要是制造技術(shù)方面的差距 [3]。 制造是人類最古老的生產(chǎn)活動之一， 18 世紀中葉的工業(yè)革命促進了現(xiàn)代工安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 業(yè)化生產(chǎn)的出現(xiàn)， 19世紀電氣技術(shù)的發(fā)展和 20世紀內(nèi)燃機的發(fā)明，引發(fā)了制造業(yè)的革命，流水線生產(chǎn)和泰勒式工作制得到了廣泛的應(yīng)用，二戰(zhàn)期間，大批大量的制造技術(shù)有了很大的發(fā)展。二戰(zhàn)后 50 年來，計算機、微電子、信息和自動化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，并在制造業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，先后出現(xiàn)了數(shù)控（ NC）、計算機數(shù)控（ CNC）、柔性制造單元（ FMC）、柔性制造系統(tǒng)（ FMS）、計算機輔助設(shè)計與制造（ CAD/CAM）、計算機集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）等多項先進制造技術(shù)與制造模式，制造業(yè)正經(jīng)歷著一 場新的技術(shù)革命。 作為機械制造技術(shù)中主要發(fā)展方向的精密加工技術(shù)是集測量學(xué)、微電子學(xué)、近代光學(xué)、控制論信息論等先進技術(shù)與機械制造技術(shù)相融合的一門交叉學(xué)科，是現(xiàn)代許多尖端技術(shù)和國防技術(shù)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，代表了一個國家科技發(fā)展的水平。因而許多國家競相發(fā)展精密加工及超精密加工技術(shù)，可以說，精密機械制造技術(shù)的水平在很大程度上將成為衡量一個國家科技水平的標志。 現(xiàn)代機械制造技術(shù)是一個多技術(shù)緊密耦合的技術(shù)族，其中數(shù)控技術(shù)是實現(xiàn)其最終目標的基礎(chǔ)，它的發(fā)展和運用開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。目 前世界各國都在大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)，而且國外的數(shù)控加工系統(tǒng)在精度和自動化的程度上都達到了很高的水平 【 7】 。 經(jīng)歷了幾個五年計劃的努力，我國的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，六五期間的技術(shù)引進，七五期間的消化吸收，到八五末，我國已經(jīng)自行研制開發(fā)了適合我國數(shù)控機床發(fā)展需要的各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)。 但是，由于我國許多 因素的影響，我國的數(shù)控技術(shù)方面整體發(fā)展水平還比較低，利用率也不高。經(jīng)濟型數(shù)控在我國占有比較重要的地位，并起了很大的作用，它 以單板機 為數(shù)控核心，以步進電機為執(zhí)行元件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，只需一萬元左右就可 以裝備一臺經(jīng)濟型數(shù)控機床，很適合我國中小型企業(yè)使用。 步進電機今后的發(fā)展，依賴于新材料的應(yīng)用，設(shè)計手段以及驅(qū)動技術(shù)的最佳匹配。首先，精確的分析和設(shè)計，模型的建立和完善，是一項重要的基礎(chǔ)研究，至今還有許多工作要做，它可以為各類問題的深入分析提供基礎(chǔ)，為優(yōu)化設(shè)計指出方向。其次，隨著自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在眾多領(lǐng)域中得以應(yīng)用，尤其是智能化技術(shù)方向的發(fā)展將會成為步進電機下一階段的發(fā)展趨勢。最后，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，高性能永磁材料的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對步進電機的發(fā)展起到重要作用，同時驅(qū)動技術(shù)改進 的作用也不容忽視，特別是微步驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用和成熟，對步進電機的設(shè)計和發(fā)展產(chǎn)生了很多的影響，也提出了一安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 系列研究的新課題和新方向 [4]。 論文的主要研究內(nèi)容 本論文所選的步進電機是四相步進電機，采用的方法是利用單片機控制步進電機的驅(qū)動。 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行 器件 。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度 (稱為 “ 步距角 ”) ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的 ， 同時可以通過控制脈沖頻率來控制 電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 本次畢業(yè)設(shè)計就是通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的速度的，并且通過數(shù)碼管顯示其轉(zhuǎn)速的級別。另外通過單片機實現(xiàn)它的正反轉(zhuǎn)， 步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差 (精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第二章 步進電機的介紹 步進電機的 簡介 步進電機又稱脈沖電機或者階躍電機。它 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的 頻率 和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為 “ 步距角 ” ，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的 目的 ；同時可以通過控制 脈沖頻率 來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機受脈沖信號控制，它的直線位移量或角位移量與電脈沖數(shù)成正比，所以電機的線速度也與脈沖頻率成正比，通過改變脈沖 頻率的高低就可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，并能快速啟動、停止 和反轉(zhuǎn)。電 機步距腳和轉(zhuǎn)速大小都不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊和振動等影響。 它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不丟失的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。 步進電機有多種不同的結(jié)構(gòu)，主要類型分為反應(yīng)式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機。近 20 多年來，步進電機驅(qū)動技術(shù)和電機結(jié)構(gòu)都取得了很大的發(fā)展，逐漸形成以混合式及反應(yīng)式為主的產(chǎn)品格局?；旌鲜讲竭M電動機是在同步電動機或者說是在永磁感應(yīng)式同步電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了兩類步進電機的特點，因而性能更好 [1]。 步進電機的分類 反 應(yīng)式步進電機（ VR ）、永磁式步進電機（ PM ）、 混合式步進電機 (HB)。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 圖 11 三種步進電機 反應(yīng)式步進電機一般為三相， 轉(zhuǎn)子無繞組，定轉(zhuǎn)子開小齒、步距小， 可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出， 步進角 一般 為 度， 但噪聲和振動都很大， 在歐美等發(fā)達國家 80 年代 已經(jīng) 被淘汰 [6]。 永磁式步進電機一般為兩相， 轉(zhuǎn)矩和體積較小， 步進角一般為 度或 15 度 ；轉(zhuǎn)子的極數(shù) =每相定子極數(shù)，不開小齒，步距角較大，力矩較大。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。 開小齒，混合反應(yīng)式與永磁式優(yōu)點： 轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小。 它又分為兩相和五相： 兩相步進角一般為 度而五相步進角一般為 度。 這種步進電機的應(yīng)用很廣泛。 步進電機的特點 來一個脈沖，轉(zhuǎn)一個步距角。 控制脈沖頻率，可控制電機轉(zhuǎn)速。 改變脈沖順序，改變轉(zhuǎn)動方向。 角位移量或線位移量與電脈沖數(shù)成正比 。 步進電機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比 ， 因 此，當它轉(zhuǎn)動一周后， 沒有累計誤差 ， 具有良好的跟隨性。 由步進電機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽俊? 同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉 環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 步進電機的動態(tài)響應(yīng)快， 易于 啟 停、正反轉(zhuǎn)及變速 度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，它不能直接使用交流電源和直流安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 電源。 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象 ， 必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)的措施。 步進電機的主要缺點是效率較低，并且需要配上適當?shù)尿?qū)動電源，還有它 自身的噪聲和振動較大， 帶負載慣量的能力不強，此外在應(yīng)用中，步進電機運轉(zhuǎn)很有可能出現(xiàn)低頻振蕩，而使用細分驅(qū)動技術(shù)可以有效克服低頻共振的危害 [2]。 步進電機的應(yīng)用 通常選擇步進電機我們希望步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩大、啟動頻率和運行頻率高、步距誤差小等等。首先應(yīng)考慮的是系統(tǒng)的精度和速度的要求，為了提高精度，希望脈沖當量（每輸入一個脈沖使被控制對象產(chǎn)生的位移） 小。但脈沖當量太小，要求的減速比 較 大，而最高速度將受到步進電機的最高運行頻率限制，故應(yīng)兼顧精度與速度。 經(jīng)過長期的發(fā)展，步進電機的應(yīng)用已滲透到數(shù)字控制的各個領(lǐng)域，尤其在數(shù)控機械中廣泛應(yīng)用了其開環(huán)控制的特點。近年來，隨著微電子技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)及驅(qū)動技術(shù)的進步，步進電機在辦公自動化機器、工業(yè)機 械和計算機外設(shè)等領(lǐng)域作為控制用電機和驅(qū)動用電機被廣泛使用。 步進電機的工作原理 步進電機工作原理大體類似 ， 以四相步進電機 28BYJ48 為例具體來說明。實物如圖 21所示。 圖 21 電機實物圖 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 22 四相步進電機步進示意圖 開始時，開關(guān) SB接通電源， SA、 SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4號齒就和 C、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒 。當開 關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁 力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C相繞組的磁極對齊。而 0、 3號齒和 A、 B 相繞組產(chǎn)生錯齒， 5號齒就和 A、 D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推， A、 B、 C、 D， 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著 A、B、 C、 D 方向轉(zhuǎn)動。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 23所示 。 圖 23 步進電機工作時序波形圖 步進電機 28BYJ48 型四相八拍電機，電壓為 DC5V— DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可 以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài) 改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角） （步距角 表示控制 系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉(zhuǎn)動的角度， 該參數(shù)反映了步進電機的實際精度 ） 。當通電狀態(tài) 改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB。），八拍（ AABBBCCCDDDAA。） ， 如表 21所示。 表 21（驅(qū)動方式： 412 相驅(qū)動） 導(dǎo)線顏色 1 2 3 4 5 6 7 8 5 紅 + + + + + + + + 4 橙 — — — 3 黃 — — — 2 粉 — — — 1 藍 — — — → CCW 方向旋轉(zhuǎn)（軸伸端視） 雙四拍每次對多相同時通電 ， 與單四拍比較起來，每相通電的時間長，消耗的電功率增大，電機所得到的電磁轉(zhuǎn)矩也大。同時，采用多相勵磁會產(chǎn)生電磁阻尼，會削弱或消除振蕩現(xiàn)象，使得電機不易產(chǎn)生失步。四相八拍與四相 四拍相比較，步距腳小了一倍，有利于削弱振 蕩，提高電機的帶負載能力。 電動機的轉(zhuǎn)速取決于控制繞組與電源接通或斷開的變化頻率?？刂评@組與電源的接通或斷開，通常是由電源邏輯線路來控制的 [5]。 28BYJ48 步進電機加驅(qū)動才可以運轉(zhuǎn)，驅(qū)動信號要為脈沖信號，沒有脈沖信號的時候，步進電機靜止，如果加入適當?shù)拿}沖信號，就會以一定的角度轉(zhuǎn)動。28BYJ48 的步距角為 ，如果需要轉(zhuǎn)動一圈，那么需要（ 360176。 /）*64=4096 個脈沖信號。 28BYJ48 步進電機還具有瞬時啟動和急速停止的優(yōu)越特性。改變脈沖的順序，可以方便地改變轉(zhuǎn)動方 向。 控制步進電機速度的方法 這里介紹三種控制步進電機速度的方法，設(shè)計中考慮到編程的難易程度，選擇了第二種方法來實現(xiàn)控制步進電機的速度。 （ 1） 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止，用三相六拍，大約 秒以后，改用三相三拍的分配方式，在快達到終點時，再度采用三相六拍的控制方式，以達到減速的目的。 （ 2） 均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加速或減速控制，可以均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如，安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 在加速控制中，可以均勻地減 小時間間隔；在減速控制中，可以均勻地增加時間間隔。具體地說，就是均勻地減?。ɑ蛟黾樱┭訒r程序中的延時時間函數(shù)。 由此可見，所謂步進電機控制程序，實際上就是按一定時間間隔輸入不同的控制字。所以，改變傳送控制字的時間間隔（亦即改變延時時間），即可以改變步進電機的控制頻率。這種方法的優(yōu)點是由于延時的長短不受限制，因而使步進電機的工作頻率變化范圍較寬。 （ 3） 定時器的變速控制 在單片機控制系統(tǒng)中，也可以使用單片機內(nèi)部的定時器來提供延時時間。其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間，由定時器向 CPU 申請一次中斷， CPU響應(yīng)中斷后，便可以發(fā)出一次控制脈沖。此時，只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加速或減速的目的，這種方法可以提高控制系統(tǒng)的效率。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第三章 設(shè)計要求及方案選擇 設(shè)計要求 （ 1） 了解項目從構(gòu)思、設(shè)計、制作、系統(tǒng)集成等全過程，掌握分析問題、解決問題的方法和技巧。 （ 2） 初步了解步進電機的一些基本原理及控制的方法 （ 3） 了解掌握單片機的一些知識及編程部分，掌握 STC89C52 芯片的性能與應(yīng)用。 （ 4） 畫出相關(guān)的電路原理圖以及 PCB 圖，把硬件部分搭建好。 （ 5） 要求完成整體方 案電路的軟硬件設(shè)計。 （ 6） 能夠熟練使用搜索引擎以及相關(guān)書籍獲取必要的文獻。 （ 7） 按相應(yīng)的鍵能實現(xiàn)準確控制步進電機的啟動 /停止 /正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn) /加速 /減速。 本課題的研究目的之一就是設(shè)計一套硬件 系統(tǒng)較簡單、經(jīng)濟，但功能較為齊全，適應(yīng)性強，操作方便，交互性強， 可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。 方案 選擇 單片機