【文章內容簡介】 本 章小結 ................................................................................................................................. 38 6 總結與思考 ..................................................................................................................................... 39 參考文獻 ............................................................................................................................................ 40 文獻翻譯 ............................................................................................................................................ 41 英文原文 ........................................................................................................................................ 41 中文譯文 ........................................................................................................................................ 47 致 謝 ................................................................................................................................................ 53 附 錄 .............................................................................................................................................. 54 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1 緒論 課題背景及意義 課題 的目的和意義 步進電機在 機電一體化 中 是一種非常重要的執(zhí)行元件， 其 良好的伺服性能使得步進電機在數(shù)控領域被廣泛的應用，步進電機控制系統(tǒng) 是 控制步進電機運行的關鍵組成，它由步進電機控制器、驅動器、系統(tǒng)軟件等部 件構 成 ，步進電機 的運 行 狀態(tài)主要由 步進電機控制 系統(tǒng)來實現(xiàn) 。步進電機可在 非常 廣的范圍內通過 改變 脈沖 頻率 來實現(xiàn)調速， 它還可以 快速啟停 、 正反轉 、自鎖 等， 這使得 步進電機組成的開環(huán)系統(tǒng)簡單 、 廉價 、 可 靠。 所以 ，它被廣泛地 應 用于數(shù)控機床 、 繪圖機 、 計算裝置 、 自動記錄儀 、 工人機器人 、 無損檢測等系統(tǒng) 和 裝置中 。 步進電機與 其 控制驅動系統(tǒng) 密不可分 ， 當 步進電機驅動器 技術較為滯后時 ， 就會 使得步進電機系統(tǒng) 在 接近工作頻率 時產生 共振， 在 低速運行 中 平穩(wěn)性差， 在 高速運行 中 快速響應能力差，容易 產生不同步現(xiàn)象 ， 并且伴有 震蕩和較差的 矩 頻特性 ，出現(xiàn)弊端。 基于以上理論，步進電機控制 系統(tǒng)的 設計就顯得 尤為 重要。 國內外 對步進電機 研究 的 現(xiàn)狀、 水平 和發(fā)展 趨勢 步進電機 是 數(shù)字控制 系統(tǒng) 的執(zhí)行元件。 隨著 計算機控制系統(tǒng) 的 發(fā)展 ，數(shù)字 控制 技術 迅速地 崛起， 步進電機的 應用越來越廣泛。步進電機 是把 電脈沖信號轉換成相應角位移 的 執(zhí)行元件 ，它的 驅動器是 步進電機 控制系統(tǒng)中的一部分 ， 步進電機與 其 驅動器是一個不可分割的整體 ， 步進電機 的 運行與驅動器密切 相關，隨著 晶體管技術的應用， 使 驅動器向小型化 得到了很大的 發(fā)展。 驅 動器技術 在 20 世紀 70 年代進入 鼎 盛時期，步進電機 與 其相應的驅動器 脫穎而出 ，如日本的 EMP 系列、美國的 M 系列、德國的 IBS/IBC 系列等。功放驅動元件除了用 到 晶體管以外， 還用到了 晶閘管，電源線路采用兩種不同電壓等級的驅動器 而不再是 采用單一電壓 等級的驅動器 。 隨著微電子和計算機技術的應用和發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，其驅動器也在 日新月 異的 發(fā)展完善和提高，驅動電路集成化 也發(fā)展到了較高的技術水平 。以美國為例，它生產的步進電機驅動器體積小， 在 功能上可驅動較大的步進電機， 且 工作發(fā)熱低，電機工作平穩(wěn) ， 可靠性高。驅動技術目前應用較多的有斬波驅動、升頻生壓驅動等。步進電機驅動技術的一個 有極具 發(fā)展 優(yōu)勢的方向 是微步驅動技術， 又稱為 步進電機細分驅動技術。 國內外 較為 常見 的 步進電機控制系統(tǒng) 在長期的步進電機發(fā)展過程中，涌現(xiàn) 出 了多種步進電機的控制方案 。 基于電子電路的步進電機控制 系統(tǒng) 該方法采用電脈沖信號來控制步進電機，而電脈沖信號的相關變化（包括脈沖信號的產中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 生、分配和放大等）則主要通過電子元器件的動作來實現(xiàn)。鑒于脈沖控制信號通常只具備很弱的驅動能力，因此系統(tǒng)中必須額外增加有功功率放大驅動電路。然后將步進電機、控制電路以及功率放大驅動電路進行組合，就可以組成步進電機的驅動系統(tǒng)。 整部 系統(tǒng)可以劃分 為三大主要部分，如圖 所示。即： 1） 脈沖信號的產生電路； 2）脈沖信號的分配電路； 3）實現(xiàn)功率放大功能的驅動電路。 圖 基于電子電路的控制系統(tǒng) 優(yōu)點： 這種控制方案的控制電路相對而言設計起來比較簡單，通常來講，大多數(shù)的步進電機任務都可以完成。根據(jù)實際生產的需要，該控制方案既可實現(xiàn)開環(huán)控制，也可實現(xiàn)閉環(huán)控制。當實現(xiàn)開環(huán)控制的時候，它的造價比較低，且設計起來非常簡單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時將無法完成高精度細分。使用閉環(huán)控制的時候，可以實現(xiàn)高精度細分及其無級調速。閉環(huán)控制可以連續(xù)地通過直接或間接的方法檢測到轉子的位置及其速度，然后通過反饋環(huán)節(jié)把檢測到的信息進行反向 輸送并進行及時的處理，這時系統(tǒng)會自動給出脈沖鏈，通過控制信號控制步進電機的每一步運轉，即可實現(xiàn)只要控制策略是正確的，電機就不會發(fā)生失步現(xiàn)象。 缺點： 該控制電路的脈沖輸出頻率及其脈沖輸出數(shù)主要是通過使用一些大規(guī)模集成電路來進行控制；方案可以實現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進行重新設計，缺乏必要的靈活性。 基于 PLC 的控制 PLC 是一種工用計算機，俗稱可編程控制器。它的優(yōu)點是：通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學和可靠性高。因此可以在自動控制系統(tǒng)中有 著 非常 廣泛的應用。 步進電機控制系統(tǒng)的組成有以下幾個部分，即 PLC、環(huán)形分配器和功率驅動電路。各部分功能如下： PLC 主要是為控制系統(tǒng)產生控制脈沖， 調整 控制脈沖頻率的 強弱 即可改變步進電機的轉動速度，從而控制伺服機構的進給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進電機的轉角 進給量 而控制伺服機構的進給量；將 PLC 輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應的繞組是環(huán)形脈沖分配器的主要功能，它主要有軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器兩大類，軟件環(huán)形分配器是用計算機軟件設計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，硬件環(huán)形分配器則 是用硬件組成的環(huán)形分配器 。 相 對 而言，硬件環(huán)形分配器的結構比較復雜，但它占用的 PLC 資源較少，所以目前被用在多種芯片中，相對的，軟件環(huán)形分配器則會占據(jù)較多的PLC 資源，但是可以控制多相步進電機，比較適合用于大型生產線；步進電機功率驅動電路的主要功能就是放大 PLC 輸出的控制脈沖，使驅動能力增強，從而驅動步進電機 [1]。 脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅 動 電 路 步 進 電 機 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 出于降低硬件成本的考慮，我們利用 PLC 的定時器產生速度脈沖信號，再用軟件產生環(huán)形脈沖信號控制步進電機，這樣就可以省掉專用的步進電機驅動器。但這樣的組成有一個缺點，就是步進電機不能在高頻下 工作，無法實現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時，相應的控制精度會降低，這是因為 PLC 的掃描周期通常為 千分之幾 秒到 百分之幾 秒，相應的頻率就能達到幾百赫茲 [2]。 基于單片機的步進電機控制 將步進電機用單片機進行控制時，可以使用軟硬件相結合的控制方法。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實現(xiàn)對步進電機的最佳控制。步進電機的各相驅動電路是使用單片機接口進行直接控制的。鑒于單片機具有非常強大的功能，我們還可以設計大量的外圍控制電路，將鍵盤作為外部中斷源，對步進電機的一系列的功能進行設置，如正轉、反轉、檔位、停 止等；利用單片機的軟件編程完成脈沖分配，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢相結合的方法來調用中斷服務程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉、反轉速度等狀態(tài) [3]。 單片機控制的步進電機具有很多優(yōu)點，以下簡單地列寫如下： （ 1）編程使用單片機軟件，能夠自動并精確控制復雜的控制過程，從而有效控制精度不受失步、震蕩的影響； （ 2）將環(huán)形分配器用軟件代替，然后設定單片機，可以完成同一電路控制并驅動多相步進電機的功能，使得接口電路的靈活性和通用性大大提高； （ 2） 單片機可以使顯示電路、鍵盤電路、復 位電路等外圍電路很好的結合起來，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機完成本次設計方案。 1． 3 論文研究的目的和內容 本文的研究目的有兩個：作為一個電氣自動化學生，在日常學習過程中我總感覺到目前的教材各種知識技術太過涇渭分明，無法把一些學過的課程知識點 和實踐活動 有機結合起來，所以我始終希望自己的畢業(yè)設計能夠有機地把電子技術、單片機技術、電機的控制技術等幾門課程 綜合 起來 ，并著力于相應的生產實踐 ；第二個目的就是運用自己所學習的知識 致力于完 善 步進電機的控制與設計，能親自設計出來一套較簡單、經濟 、實用的 硬件 系統(tǒng)， 且 適應性強、操作方便、交互性強并且可靠性高的步進電機控制系統(tǒng)。出于以上兩個目的，在畢業(yè)設計的這半年多時間里，按照模塊化的思想，完成了畢業(yè)設計的內容，完成了這篇論文。 整個論文的內容包括： 1. 弄清并理解關于步進電機的工作原理、分類及特點等基本知識； 2. 理解有關步進電機的控制技術，并提出自己針對步進電機的控制方案； 3. 利用 Proteus 仿真環(huán)境 ，繪制基于 AT89C51 單片機的步進電機控制系統(tǒng)硬件原理電路； 4. 利用 C 語言編制基于 AT89C51 的步進電機控制軟件，實現(xiàn)步進電機速度、方向 、 點動、 復位的 控制 ； 5. 搭建設計模型； 6. 撰寫論文。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 1． 4 論文安排 本文開篇首先介紹了步進電機設計的背景及 意義 ，然后介紹了步進電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，在此基礎上 ，提出了自己的設計目的及論文任務。接著開始 詳細地 介紹步進電機原理、分類、控制技術及特點，然后對設計所用元器件，如 AT89C5 L29 L298 等進行介紹，最后用模塊化思想對所要設計系統(tǒng)的硬件部分進行 描 述，最后對軟件設計進行闡述 ，并 得到仿真結果 ， 最后完成實物的焊接與調試。具體的安排如下： 第一章 為緒論，介紹設計步進電機的背景及 意義 ， 進而 介紹了步進 電機的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢，又列舉了步進電機的幾種控制方案，并分析了各種方案的 優(yōu)勢和不足 ，提出了自己的設計目的和內容； 第二章是對步進電機和設計所 需 元器件的概述，步進電機的介紹主要包括步進電機的工作原理、分類、特點，元器件則主要是 AT89C5 L29 L298 等，為后面的硬件設計和軟件設計提供必須的理論基礎； 第三章是硬件設計部分，首先提出框架，然后根據(jù)模塊化思想對系統(tǒng) 的 控制電路、最小系統(tǒng)、驅動電路、顯示電路四大部分進行 具體地 描 述； 第四章為軟件設計部分，分別對主程序、定時中斷、外部中斷設計進行 軟件設計 ，通 過流程圖及部分程序展現(xiàn) 如何對步進電機進行控制的 過程 ，包括中斷的優(yōu)先級等 ； 第五章是實物的焊接，整體功能的 展 現(xiàn)。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 2 元器件 介紹 步進電機 步進電機 也 叫脈沖電機，是 一種 將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。其功 能 是將脈沖電信號 轉 換為相應的角位移或直線位移，即 當步進驅動器 接受到一個脈沖信號 ，它就 驅動步進電機按