【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本 章小結(jié) ................................................................................................................................. 38 6 總結(jié)與思考 ..................................................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................ 40 文獻(xiàn)翻譯 ............................................................................................................................................ 41 英文原文 ........................................................................................................................................ 41 中文譯文 ........................................................................................................................................ 47 致 謝 ................................................................................................................................................ 53 附 錄 .............................................................................................................................................. 54 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 1 緒論 課題背景及意義 課題 的目的和意義 步進(jìn)電機(jī)在 機(jī)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(jìn)電機(jī)在數(shù)控領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 是 控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵組成，它由步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)器、系統(tǒng)軟件等部 件構(gòu) 成 ，步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn) 行 狀態(tài)主要由 步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。步進(jìn)電機(jī)可在 非常 廣的范圍內(nèi)通過(guò) 改變 脈沖 頻率 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速， 它還可以 快速啟停 、 正反轉(zhuǎn) 、自鎖 等， 這使得 步進(jìn)電機(jī)組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單 、 廉價(jià) 、 可 靠。 所以 ，它被廣泛地 應(yīng) 用于數(shù)控機(jī)床 、 繪圖機(jī) 、 計(jì)算裝置 、 自動(dòng)記錄儀 、 工人機(jī)器人 、 無(wú)損檢測(cè)等系統(tǒng) 和 裝置中 。 步進(jìn)電機(jī)與 其 控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 密不可分 ， 當(dāng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 技術(shù)較為滯后時(shí) ， 就會(huì) 使得步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 在 接近工作頻率 時(shí)產(chǎn)生 共振， 在 低速運(yùn)行 中 平穩(wěn)性差， 在 高速運(yùn)行 中 快速響應(yīng)能力差，容易 產(chǎn)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(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)就顯得 尤為 重要。 國(guó)內(nèi)外 對(duì)步進(jìn)電機(jī) 研究 的 現(xiàn)狀、 水平 和發(fā)展 趨勢(shì) 步進(jìn)電機(jī) 是 數(shù)字控制 系統(tǒng) 的執(zhí)行元件。 隨著 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 的 發(fā)展 ，數(shù)字 控制 技術(shù) 迅速地 崛起， 步進(jìn)電機(jī)的 應(yīng)用越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī) 是把 電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移 的 執(zhí)行元件 ，它的 驅(qū)動(dòng)器是 步進(jìn)電機(jī) 控制系統(tǒng)中的一部分 ， 步進(jìn)電機(jī)與 其 驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)不可分割的整體 ， 步進(jìn)電機(jī) 的 運(yùn)行與驅(qū)動(dòng)器密切 相關(guān)，隨著 晶體管技術(shù)的應(yīng)用， 使 驅(qū)動(dòng)器向小型化 得到了很大的 發(fā)展。 驅(qū) 動(dòng)器技術(shù) 在 20 世紀(jì) 70 年代進(jìn)入 鼎 盛時(shí)期，步進(jìn)電機(jī) 與 其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器 脫穎而出 ，如日本的 EMP 系列、美國(guó)的 M 系列、德國(guó)的 IBS/IBC 系列等。功放驅(qū)動(dòng)元件除了用 到 晶體管以外， 還用到了 晶閘管，電源線(xiàn)路采用兩種不同電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器 而不再是 采用單一電壓 等級(jí)的驅(qū)動(dòng)器 。 隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，其驅(qū)動(dòng)器也在 日新月 異的 發(fā)展完善和提高，驅(qū)動(dòng)電路集成化 也發(fā)展到了較高的技術(shù)水平 。以美國(guó)為例，它生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器體積小， 在 功能上可驅(qū)動(dòng)較大的步進(jìn)電機(jī)， 且 工作發(fā)熱低，電機(jī)工作平穩(wěn) ， 可靠性高。驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前應(yīng)用較多的有斬波驅(qū)動(dòng)、升頻生壓驅(qū)動(dòng)等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一個(gè) 有極具 發(fā)展 優(yōu)勢(shì)的方向 是微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)， 又稱(chēng)為 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)。 國(guó)內(nèi)外 較為 常見(jiàn) 的 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 在長(zhǎng)期的步進(jìn)電機(jī)發(fā)展過(guò)程中，涌現(xiàn) 出 了多種步進(jìn)電機(jī)的控制方案 。 基于電子電路的步進(jìn)電機(jī)控制 系統(tǒng) 該方法采用電脈沖信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，而電脈沖信號(hào)的相關(guān)變化（包括脈沖信號(hào)的產(chǎn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 生、分配和放大等）則主要通過(guò)電子元器件的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。鑒于脈沖控制信號(hào)通常只具備很弱的驅(qū)動(dòng)能力，因此系統(tǒng)中必須額外增加有功功率放大驅(qū)動(dòng)電路。然后將步進(jìn)電機(jī)、控制電路以及功率放大驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行組合，就可以組成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(hào)的產(chǎn)生電路； 2）脈沖信號(hào)的分配電路； 3）實(shí)現(xiàn)功率放大功能的驅(qū)動(dòng)電路。 圖 基于電子電路的控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)： 這種控制方案的控制電路相對(duì)而言設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，通常來(lái)講，大多數(shù)的步進(jìn)電機(jī)任務(wù)都可以完成。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，該控制方案既可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，也可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制的時(shí)候，它的造價(jià)比較低，且設(shè)計(jì)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，并且平穩(wěn)性能很好，但是該系統(tǒng)此時(shí)將無(wú)法完成高精度細(xì)分。使用閉環(huán)控制的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分及其無(wú)級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制可以連續(xù)地通過(guò)直接或間接的方法檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置及其速度，然后通過(guò)反饋環(huán)節(jié)把檢測(cè)到的信息進(jìn)行反向 輸送并進(jìn)行及時(shí)的處理，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出脈沖鏈，通過(guò)控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的每一步運(yùn)轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)只要控制策略是正確的，電機(jī)就不會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象。 缺點(diǎn)： 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(guò)使用一些大規(guī)模集成電路來(lái)進(jìn)行控制；方案可以實(shí)現(xiàn)的功能較少；一旦控制方案需要稍加改變，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，缺乏必要的靈活性。 基于 PLC 的控制 PLC 是一種工用計(jì)算機(jī)，俗稱(chēng)可編程控制器。它的優(yōu)點(diǎn)是：通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡(jiǎn)單易學(xué)和可靠性高。因此可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有 著 非常 廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成有以下幾個(gè)部分，即 PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路。各部分功能如下： PLC 主要是為控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制脈沖， 調(diào)整 控制脈沖頻率的 強(qiáng)弱 即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，而它所輸出的方波脈沖則可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角 進(jìn)給量 而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；將 PLC 輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)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(lèi)，軟件環(huán)形分配器是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)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(duì) 而言，硬件環(huán)形分配器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(duì)的，軟件環(huán)形分配器則會(huì)占據(jù)較多的PLC 資源，但是可以控制多相步進(jìn)電機(jī)，比較適合用于大型生產(chǎn)線(xiàn)；步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的主要功能就是放大 PLC 輸出的控制脈沖，使驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) [1]。 脈沖控制器 環(huán)形分配器 驅(qū) 動(dòng) 電 路 步 進(jìn) 電 機(jī) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 出于降低硬件成本的考慮，我們利用 PLC 的定時(shí)器產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，再用軟件產(chǎn)生環(huán)形脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，這樣就可以省掉專(zhuān)用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但這樣的組成有一個(gè)缺點(diǎn)，就是步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下 工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制，并且在速度較高時(shí)，相應(yīng)的控制精度會(huì)降低，這是因?yàn)?PLC 的掃描周期通常為 千分之幾 秒到 百分之幾 秒，相應(yīng)的頻率就能達(dá)到幾百赫茲 [2]。 基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制 將步進(jìn)電機(jī)用單片機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，可以使用軟硬件相結(jié)合的控制方法。將環(huán)形分配器用軟件代替，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。步進(jìn)電機(jī)的各相驅(qū)動(dòng)電路是使用單片機(jī)接口進(jìn)行直接控制的。鑒于單片機(jī)具有非常強(qiáng)大的功能，我們還可以設(shè)計(jì)大量的外圍控制電路，將鍵盤(pán)作為外部中斷源，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的一系列的功能進(jìn)行設(shè)置，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔位、停 止等；利用單片機(jī)的軟件編程完成脈沖分配，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能；使用中斷和查詢(xún)相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài) [3]。 單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，以下簡(jiǎn)單地列寫(xiě)如下： （ 1）編程使用單片機(jī)軟件，能夠自動(dòng)并精確控制復(fù)雜的控制過(guò)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(shè)定單片機(jī)，可以完成同一電路控制并驅(qū)動(dòng)多相步進(jìn)電機(jī)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(jī)可以使顯示電路、鍵盤(pán)電路、復(fù) 位電路等外圍電路很好的結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)的交互性得以提高，故采用單片機(jī)完成本次設(shè)計(jì)方案。 1． 3 論文研究的目的和內(nèi)容 本文的研究目的有兩個(gè)：作為一個(gè)電氣自動(dòng)化學(xué)生，在日常學(xué)習(xí)過(guò)程中我總感覺(jué)到目前的教材各種知識(shí)技術(shù)太過(guò)涇渭分明，無(wú)法把一些學(xué)過(guò)的課程知識(shí)點(diǎn) 和實(shí)踐活動(dòng) 有機(jī)結(jié)合起來(lái)，所以我始終希望自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠有機(jī)地把電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)的控制技術(shù)等幾門(mén)課程 綜合 起來(lái) ，并著力于相應(yīng)的生產(chǎn)實(shí)踐 ；第二個(gè)目的就是運(yùn)用自己所學(xué)習(xí)的知識(shí) 致力于完 善 步進(jìn)電機(jī)的控制與設(shè)計(jì)，能親自設(shè)計(jì)出來(lái)一套較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì) 、實(shí)用的 硬件 系統(tǒng)， 且 適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、交互性強(qiáng)并且可靠性高的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。出于以上兩個(gè)目的，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這半年多時(shí)間里，按照模塊化的思想，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，完成了這篇論文。 整個(gè)論文的內(nèi)容包括： 1. 弄清并理解關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類(lèi)及特點(diǎn)等基本知識(shí)； 2. 理解有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，并提出自己針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制方案； 3. 利用 Proteus 仿真環(huán)境 ，繪制基于 AT89C51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件原理電路； 4. 利用 C 語(yǔ)言編制基于 AT89C51 的步進(jìn)電機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度、方向 、 點(diǎn)動(dòng)、 復(fù)位的 控制 ； 5. 搭建設(shè)計(jì)模型； 6. 撰寫(xiě)論文。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 1． 4 論文安排 本文開(kāi)篇首先介紹了步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的背景及 意義 ，然后介紹了步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上 ，提出了自己的設(shè)計(jì)目的及論文任務(wù)。接著開(kāi)始 詳細(xì)地 介紹步進(jìn)電機(jī)原理、分類(lèi)、控制技術(shù)及特點(diǎn)，然后對(duì)設(shè)計(jì)所用元器件，如 AT89C5 L29 L298 等進(jìn)行介紹，最后用模塊化思想對(duì)所要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行 描 述，最后對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述 ，并 得到仿真結(jié)果 ， 最后完成實(shí)物的焊接與調(diào)試。具體的安排如下： 第一章 為緒論，介紹設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的背景及 意義 ， 進(jìn)而 介紹了步進(jìn) 電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)，又列舉了步進(jìn)電機(jī)的幾種控制方案，并分析了各種方案的 優(yōu)勢(shì)和不足 ，提出了自己的設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容； 第二章是對(duì)步進(jìn)電機(jī)和設(shè)計(jì)所 需 元器件的概述，步進(jìn)電機(jī)的介紹主要包括步進(jìn)電機(jī)的工作原理、分類(lèi)、特點(diǎn)，元器件則主要是 AT89C5 L29 L298 等，為后面的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)提供必須的理論基礎(chǔ)； 第三章是硬件設(shè)計(jì)部分，首先提出框架，然后根據(jù)模塊化思想對(duì)系統(tǒng) 的 控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大部分進(jìn)行 具體地 描 述； 第四章為軟件設(shè)計(jì)部分，分別對(duì)主程序、定時(shí)中斷、外部中斷設(shè)計(jì)進(jìn)行 軟件設(shè)計(jì) ，通 過(guò)流程圖及部分程序展現(xiàn) 如何對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的 過(guò)程 ，包括中斷的優(yōu)先級(jí)等 ； 第五章是實(shí)物的焊接，整體功能的 展 現(xiàn)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 2 元器件 介紹 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 也 叫脈沖電機(jī)，是 一種 將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其功 能 是將脈沖電信號(hào) 轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移，即 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 接受到一個(gè)脈沖信號(hào) ，它就 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按