基于单片机的步进电机的数控系统.docx

基于单片机的步进电机的数控系统.docx

《基于单片机的步进电机的数控系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的步进电机的数控系统.docx（60页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的步进电机的数控系统

基于单片机地步进电机地数控系统

[摘要]：

很多工业控制设备对位移和角度地控制精度要求较高，一般电机很难实现，而步进电机可精确实现所设定地角度和转数.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地转速向某一方向产生一定地转动角度.而步进电机具有控制简便、定位准确等特点.随着科学技术地发展,在许多领域将得到广泛地应用.本设计采用专门地集成电路构成地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.由此集成电路构成地数控系统通过简单地编程就可以任意设定步进电机地转速、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地硬件接口电路、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.

1绪论

1.1引言

在工业控制系统中,通常要控制机械部件地平移和转动,对位移和角度地控制要求较高,一般电机很难实现对位置和角度地精确控制,而步进电机可精确实现所设定地角度和转数,具有良好地步进特性,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地应用.在工业被控设备对位移和角度控制要求较高地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地最佳控制单元,所以基于单片机控制地步进电机系统控制精度高、运行稳定,在控制领域有着广泛地应用.

1.2数控技术地基本概念

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地一种方法.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，必须具备相应地硬件和软件.用来实现数字化信息控制地硬件和软件地整体称为数控系统（Numer5calContr01System），数控系统地核心是数控装置（NMmericalContr011er）.由于数控系统、数控装置地英文缩写亦采用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地实体，还可以代表一种具体地控制装置——数控装置.

采用数控技术进行控制地机床，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地典型机电一体化产品，是现代制造技术地基础.

1.3数控系统地组成

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地意图进行工作，这就必须在操作者与设备间建立某种联系，对这种联系地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地全部操作信息，它是数控系统用来指挥和控制设备进行加工运动地唯一指令信息.

2．输入装置

输入装置地作用是将控制介质上地程序代码变成相应地电脉冲信号，传送并存入数控装置中.根据不同地控制介质，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地内容通过数控装置上地键盘直接输入给数控装置，称为MDI方式.有地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地核心，它接受输入装置送来地脉冲信号，经过数控装置地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地动作.这些指令主要是经插补运算决定地各坐标轴地进给速度、进给方向和位移量；主运动部件地变速、换向和启停信号；选择和交换刀具地指令信号；切削液地开停信号；工件地松夹、分度工作台地转位等辅助指令信号.

介于数控装置与被控设备之间地强电控制装置，主要作用是接收数控装置输出地主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要地编译、逻辑判断和功率放大后，直接驱动相应地电器、液压、气动和机械部件等，完成指令所规定地各种动作.

4．伺服系统

伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件，它们与执行部件上地机械部件组成数控设备地进给系统.其作用是把数控装置发来地速度和位移指令（脉冲信号）转换成执行部件地进给速度、方向和位移.每个执行进给运动地部件，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地位移量，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地速度和精度进行计算并发出很小地脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高地速度与精度去响应执行，所以整个系统地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地微弱电信号（5V左右，毫安级）放大成强电地驱动电信号（几十至上百伏，安培级）去驱动执行元件——伺服电动机.

伺服系统地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地变化转换成电动机输出铀地角速度和角位移地变化，从而带动执行部件作进给运动.

5．执行部件

数控系统地执行部件是加工运动地实际执行部件，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，存放刀具地刀架、刀库及交换刀具地自动换刀机构等.执行部件应有足够地刚度和抗振性，还要有足够地精度，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地实际位移、速度及当前地环境（如温度、振动、摩擦和切削力等因素地变化）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地误差，并发出误差指令，纠正所产生地误差.测量反馈装置地引入，有效地改善了系统地动态特性，大大提高了零件地加工精度.

1.4数控技术地发展趋势

　　随着微电子技术、计算机技术、精密制造技术及检测技术地发展，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地不断提高又从另一方面促进了数控机床地发展，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地两个重要技术指标，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地位移量，并要求伺服电动机高速度地作出反应.此外，要实现生产系统地高速度，还必须实现主轴、进给、刀具交换、托板交换等各种关键部分地高速度.现代数控机床主轴转速在12000r／min以上地已较为普及，高速加工中心地主轴转速高达100000r／min；快速进给速度一般机床都在50m／min以上，有地机床高达120m／min.加工地高精度比加工速度更为重要，微M级精度地数控设备正在普及，一些高精度机床地加工精度己达到o．1pm.

（2）高可靠性新型地数控系统大量采用大规模或超大规模地集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使线路地集成度提高，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地不同要求，实现数控系统地模块化、标准化和通用化.数控控制软件地功能更加丰富，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，可以进行二维图形地加工轨迹动态模拟显示，有地还可以显示三维彩色动态图形；具有丰富地人机对话功能，“友好”地人机界面；借助CRT与键盘地配合，可以实现程序地输入、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地连接要求.

（4）智能化数控系统应用高技术地重要目标是智能化.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地模式，它将多种动力头集中在一台数控机床上，在一次地装夹中完成多种工序地加工.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）地车削中心等.

2课题分析及整体方案地确定

2.1课题设计内容及要求

数控系统中步进电机地应用,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,用软件地方法控制步进电机地方向及速度，实现步进电机地选择和控制方法.本课题所讨论地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，以实现该方向地运动.步进电机数控装置地设计主要是单片机数控系统地设计.

2.2课题分析及系统特点分析

对课题所需设计系统具有地功能进行分析可知，系统应实现地任务为通过键盘与单片机地控制来实现单片机（通过一系列I/O和存储器地扩展）对步进电机地控制.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地设计.

2.3系统总体方案地确定

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电源模块电路地分析

在本设计中主要用到两种电源：

用于控制模块地+5V直流电源

用于驱动电动机地+30v300w地直流电源

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、蓄电池地充电、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地直流电源.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地原理方框图，它表示把交流电变换为直流电地过程.

图3－1半导体直流稳压电源地原理框图

1．电源变压器

电网上单相交流电压地有效值为220V，而通常需要地直流电压要比此值低.因此，先利用变压器进行降压，将220V地交流电变成合适地交流电以后再进行交、直流转换.当然，有地电源不是利用变压器而是利用其他方法降压地.

2．整流电路

整流电路地主要任务是利用二极管地单向导电特性，将经变压器降压后地交流电变成单向脉动地直流电.经整流电路输出地单向脉动地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

滤波电路地主要任务是滤除脉动直流电中地交流成分电压，使输出电压成为比较平滑地直流电.常采用地元件有电容和电感等.

4．稳压电路

交流电经降压、整流、滤波后输出地直流电具有较好地平滑程度，一般说来可以充当电路地电源.需要指出地是，此时地电压值还要受到电网电压波动以及负载变化地影响，即经滤波后输出地电压由于各种因素地影响往往是不稳定地.为使输出电压稳定，还需要增加稳压电路部分.稳压电路地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地影响.

3.1.2电源模块电路地设计

1.整流电路

整流电路是利用二极管地单向导电性，将正负交替地正弦交流电压变换成单方向地脉动电压，因此二极管是构成整流电路地核心元件.在小功率地直流电源中，整流电路地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，即认为二极管地正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大

.单相桥式整流电路地组成及工作原理

单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥地形式构成地，如图3—2（a）所示.图3—2（b）所示为单相桥式整流电路地一种简便画法.

图3－2单相桥式整流电路

（a）单相桥式整流电路；（b）单相桥式整流电路地简化画法

单相桥式整流电路地工作情况如下

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.此时电流地路径为：

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.此时电流地路径为：

a→D2→

→D4→b，如图3—3（b）所示.

图3－3单相桥式整流电路

（a）正半周时电流地通路（b）负半周时电流地通路

可见电压无论在正半周还是在负半周，负载电阻

上都有相同方向地电流流过.因此在负载电阻

得到地是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时地正向压降，则单相桥式整流电路地波形如图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：

单相全波整流电压地平均值为：

图3－4单相桥式整流电路地波形

流过负载电阻

地电流平均值为：

（2）整流二极管地电流平均值和承受地最高反向电压.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地电流平均值为负载电流地一半，即：

每个二极管在截止时承受地最高反向电压为

地最大值，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、提高了电路工作地可靠性，使用起来非常方便.常见地几种整流电路如表3—1所示.由表3—1可见，半被整流电路地输出电压相对较低，且脉动大.两管全波整流电路则需要变压器地副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受地最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少.桥式整流电路地优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受地最高反向电压较低，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地利用，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地应用.桥式整流电路地缺点是二极管用地较多.

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

二极管承受地最高反电压

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地直流电源.这种电源中地整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑地输出电压.

滤波电路利用电容或电感在电路中地储能作用，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，又将储存地能量逐渐释放出来，从而减小了输以电压（或电流）中地脉动成分．得到比较平滑地直流电压.实用滤波电路地形式很多，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

最简单地电容滤波电路是在整流电路地直流输出侧与负载电阻

并联一电容器C，利用电容器地充放电作用，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地影响.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为二极管地正向导通电阻，其值非常小.忽略RD地影响，电容C两端地电压将按

地规律上升；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地变化，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地电流增大时，电感产生地自感电动势阻止电流地增加；当电流减小时，自感电动势则阻止电流地减小.可见，电感滤波器地电感量愈大，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地场合.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地滤波器，通常有LC型、LCπ型、RCπ型几种.它地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，这样负载上地交流分量也很小，便可达到滤除交流成分地目地.

图3－9所示是LCπ型滤波电路，可看成是电容滤波和LC型滤波电路地组合，因此滤波效果更好，在负载上地电压更平滑.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地充电电流，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.在负载电流不大地情况下，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地平滑性要求时，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

由分立元件组成地直流稳压电路，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地主要元件甚至全部元件制作在一块硅基片上地集成电路，因而具有体积小、使用方便、工作可靠等特点.

集成稳压器地种类很多，作为小功率地直流稳压电源，应用最为普遍地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

、二轴数控机床地控制要求

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地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能适时显示工作台地当前运动情况；

④采用软硬件进行环形分配及键盘扫描.

二、控制电路中用到地主要硬件设备有：

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字节可重复擦写地flashs闪速存储器地低电压，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，与工业标准地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地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地方案.

AT89C52

图3-14

1．主要特性：

·与MCS-51兼容

·16k字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·256*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·三个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗地闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

2管脚说明：

VCC：

供电电压.

 GND：

接地.

   P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流.当P0口地管脚第一次写1时，被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址地第八位.在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高.

   P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻地8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入