機電課程設(shè)計

1、機電一體化的課程設(shè)計摘要機電一體化系統(tǒng)是綜合多個學(xué)科的系統(tǒng),包括機械技術(shù),傳感器技術(shù),測試技術(shù),電子技術(shù)和控制技術(shù),信息與計算機技術(shù)。它極大推動了機械工業(yè),兵器行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展。其技術(shù)結(jié)構(gòu),產(chǎn)品結(jié)構(gòu),技術(shù)功能與構(gòu)成,生產(chǎn)方式和管理體系均發(fā)生了巨大的變化。使工業(yè)生產(chǎn)由機械電氣化邁進到機電一體化為特征的數(shù)字化,自動化,高精度,微型化,多功能化,智能化的時代。結(jié)合精密機械控制是現(xiàn)代機械的一個重要方向，它能使機械加工的精度又提高一個層次，主要技術(shù)是用微機、單片機等現(xiàn)代高科技儀器來控制步進電機，再通過步進電機來實現(xiàn)精密的工作臺控制。這個由微機或單片機、步進電機、機械工作機構(gòu)組成的機械手運動控制系統(tǒng)就

2、是一個很簡單的機電一體化的系統(tǒng)。讓我們由這樣簡單的機電一體化系統(tǒng)重新復(fù)習學(xué)過的知識, 接觸機電一體化系統(tǒng),為下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計打下一定的基礎(chǔ),另外也是為工作作好準備。目錄摘要第一章：緒論1.1引言1.2題目和技術(shù)指標要求分析1.3總體方案的工作原理第二章：機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1絲杠導(dǎo)程選擇 2.2絲杠支承結(jié)構(gòu)選擇 2.3螺旋機構(gòu)運動部件導(dǎo)向機構(gòu)選擇 2.4步進電機的安裝結(jié)構(gòu)以及與絲杠的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計第三章：步進電機驅(qū)動器電路設(shè)計第四章：控制器程序流程框圖設(shè)計第五章：程序代碼設(shè)計結(jié)論第一章 緒論1.1 引言 機械手運動控制系統(tǒng)要求控制精度高，故采用步進電機控制，步進電動機在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中具有控制

3、精度高 ( 可精確到1度以下) 、可靠性高、使用方便等優(yōu)點,所以其應(yīng)用非常普遍,尤其隨著混合式步進電機的產(chǎn)生和應(yīng)用,步進電機的輸出功率和力矩不斷增加,而成本價格不斷降低,為步進電機的推廣和應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ), 單片機作為控制部件,對步進電機具有良好的控制能力,下面討論用一下機械手運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。1.2題目和技術(shù)指標要求分析設(shè)計題目：機械手運動控制系統(tǒng)設(shè)計。 設(shè)計參數(shù)：機械手運動范圍 0150mm 機械手移動步距 50 步進電機型號 42BYG0061.3 總體方案的工作原理單片機對步進電機進行控制，通過IO口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過不同的放大電路和不同參數(shù)的

4、器件，可以達到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。用四路分別進行放大的信號驅(qū)動四相五線的步進電機。而步進電機與滾珠絲杠機構(gòu)用聯(lián)軸器連接起來，進而將螺旋運動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的水平直線運動。該系統(tǒng)可分為控制部分、驅(qū)動部件、執(zhí)行元件、傳動和導(dǎo)向機構(gòu)、以及控制軟件等幾個部分。要求設(shè)計該系統(tǒng)的機械及電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、設(shè)計部分單片機或微機控制程序，使機械手能夠左右步進，并達到技術(shù)指標所規(guī)定的要求。機械手運動控制系統(tǒng)機械本體采用步進電機驅(qū)動、滾珠絲桿傳動、滾動直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的總體機構(gòu)方案。機械本體設(shè)計以工作臺運動位移控制增量的實現(xiàn)為主要目標，以滾珠絲桿及其周邊零部件的選用為主要內(nèi)容，同時考慮運動相關(guān)精度問題

5、。步進電機控制器采用微機或單片機作為控制部件。采用微機時，可通過ISA總線、并行端口、串行端口傳送數(shù)據(jù)，設(shè)計步進電機與微機的接口電路。采用單片機時，可選用AT89C51, 設(shè)計單片機最小系統(tǒng)和步進電機與單片機的接口電路。微機或單片機的軟件均采用C語言編寫代碼。該機械手運動控制系統(tǒng)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，通過單片機控制步進電機的驅(qū)動，經(jīng)傳動機構(gòu)帶動工作臺運動?？蓪崿F(xiàn)機械手的+X、-X兩個方向的進給和兩級調(diào)速。機械手運動控制系統(tǒng)機械本體采用步進電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，滾動直線導(dǎo)軌導(dǎo)向的總體結(jié)構(gòu)方案。采用步進電機驅(qū)動進給準確，使用位置傳感器精確控制機械手移動范圍，而且通過給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)

6、動，定距運動較精確。機械手運動控制系統(tǒng)采用滾珠絲杠副和滾動導(dǎo)軌副傳動結(jié)構(gòu),具有精度高,效率高,壽命長,低能耗,摩擦系數(shù)小,較高緊湊,通用性強等特點。第二章 機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 絲杠導(dǎo)程已知機械手移動步距 s = 50um s = L 為步距角, L為導(dǎo)程; 查資料知： 42BYG006型號 的步進電機（八拍）步距角為0.90 則絲杠導(dǎo)程： L = 10 mm 2.2 絲杠的支承機構(gòu)為提高傳動剛度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要，對傳動精度有很大影響。絲杠主要承受軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重，因此，絲杠的軸向精度和剛度要求較高。絲杠的支承結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 

7、60;     F0支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端自由（0），如下圖所示： F0結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，承載能力小，軸向剛度低，壓桿穩(wěn)定性較差和臨界轉(zhuǎn)速低，設(shè)計時應(yīng)盡量使絲杠受拉伸。適用于短絲杠，垂直絲杠。（2） FS支承結(jié)構(gòu)：一端固定（F），一端浮動（S），如下圖所示：FS結(jié)構(gòu)的特點是軸向剛度和F0相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的F0高，絲杠有熱膨脹的余地，需要保證螺母與兩支承同軸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難。適用于較長絲杠或臥式絲杠。（3）FF支承結(jié)構(gòu)：兩端固定，結(jié)構(gòu)如下圖所示： FF結(jié)構(gòu)的特點是絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，壓桿穩(wěn)定性好，固有頻率比

8、一端固定的高，可施加預(yù)緊力提高傳動剛度，結(jié)構(gòu)和工藝都較復(fù)雜。適用于長絲杠以及對剛度和位移精度要求高的場合。由于該系統(tǒng)是半閉環(huán)系統(tǒng)，精度本來就不是很高，故采用一端固定，一端浮動的支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)讓絲杠有膨脹的余地，適用與較長的絲杠中，游動支承采用深溝球軸承，固定支承結(jié)構(gòu)有下表1列的幾種：表1 絲杠支承滾動軸承特點比較滾動軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)緊調(diào)整摩擦力矩60度接觸角推力軸承大簡單不需要小雙向推力角接觸軸承中簡單不需要小圓錐滾子軸承小簡單若內(nèi)圈之間有隔圈則不需要調(diào)整大滾針和推力滾子組合特大簡單不需要特大深溝球軸承和推力球軸承組合使用大復(fù)雜麻煩小綜上所述，選用60度接觸推力角接觸軸承比較合適。

9、2.3 螺旋機構(gòu)運動部件導(dǎo)向機構(gòu)由于滾珠絲杠具有很高的傳動精度（0.920.96），當雙螺母預(yù)緊侯，軸向剛度高；傳動副的爬行小，具有較高的定位精度和隨動精度；啟動力矩小，傳動靈敏，同步性好。因此，綜合考慮本機械手的基本要求，故，選用滾珠絲杠螺母機構(gòu)作為螺旋傳動機構(gòu)。 滾珠絲杠的原理 滾珠絲杠副是在絲杠與螺母旋合螺旋槽之間放置適當?shù)臐L珠作為中間傳動體，借助滾珠返回通道，當絲杠或螺母傳動時，推動滾珠沿著滾道導(dǎo)珠管（或圓形返回器）滾道不斷地循環(huán)，從而周而復(fù)始的滾動運動，因此，滾珠絲杠副的運動機理，就是以滾動摩擦代替滑動摩擦。 滾珠絲杠的特點滾珠絲杠副有許多與滾動軸承相似的特征，有以下主要特點： 傳動

10、效率高 滾珠絲杠副的傳動效率高達85-98，對機械小型化，減少啟動后的顫動和滯后時間以及節(jié)約能源方面，都有重要意義。 運動平穩(wěn)，滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運動速度無關(guān)，啟動摩擦力矩與運動時摩擦力矩的差別很小，故滾珠絲杠副運動平穩(wěn)啟動時無顫動，低速時無爬行。 傳動可逆性 滾珠絲杠具有運動可逆性，但它沒有自鎖性。 可以預(yù)緊 通過對螺母旋加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高，運動平穩(wěn)，可以預(yù)緊等特點，所以滾珠絲杠在工作過程中溫升較小，無爬行，并可消除軸向間隙和對絲杠副進行預(yù)

11、拉伸以補償膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時驅(qū)動相同的部件或裝備時，由于反應(yīng)靈敏，無阻滯，無滑移，其啟動的同時性，運行中的速度和唯一等都具有準確的一致性。 使用壽命長。 使用可靠，潤滑簡單，維護方便。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)    （1） 螺紋滾道型面滾珠絲杠的螺紋滾道法向截面有單圓弧和雙圓弧兩種不同的形狀，其中單圓弧加工工藝簡單，但接觸角p隨初始間隙和軸向載荷變化而變化，故，傳動效率、承載能力、軸向剛度不穩(wěn)定。雙圓弧加工工藝較復(fù)雜，但接觸剛度好，摩擦小，有較大的承載能力，預(yù)緊火承載后接觸角p=45基本保持不變，故傳動效率、承

12、載能力、軸向剛度都比較穩(wěn)定，可實現(xiàn)無間隙傳動，傳動精度高，性能較好。故本機械手的滾珠絲杠傳動機構(gòu)采用雙圓弧滾道型面。（見p158）滾道型面半徑R： db為滾珠直徑偏心距e： p為45（2） 滾珠返回的循環(huán)方式滾珠的循環(huán)方式有外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。滾珠在返回過程中與絲杠脫離接觸的為外循環(huán)。外循環(huán)式為采用多圈，其結(jié)構(gòu)形式又可分為插管式、螺旋槽式、端蓋式等；滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終接觸的為內(nèi)循環(huán)。經(jīng)過綜合比較這兩種循環(huán)方式，得出內(nèi)循環(huán)有如下特性：     滾珠返回通道短，不受負荷的滾珠最少，滾珠間摩擦損失小，提高了傳動精度。   

13、  螺母徑向和軸向尺寸較小。     返回器剛度高，滾珠循環(huán)裝置有較高的可靠性。     返回器在螺母返回孔內(nèi)自由浮動，返回器回路與螺母螺紋滾道的對接可以自動調(diào)整，滾珠在返回循環(huán)過程中的摩擦阻力小，傳動平穩(wěn)，定位精確。     返回器用工程塑料制作，吸振性好，耐磨，噪聲小，依次成型。故，本機械手的滾珠絲杠傳動機構(gòu)采用內(nèi)循環(huán)(圓柱凸鍵形反向器)。（3）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方式   滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛

14、度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。 典型的預(yù)緊方法有墊片式、螺紋式、彈簧式自動調(diào)隙和齒差式。綜合分析，采用齒差式作為本機械手的滾動絲杠傳動機構(gòu)的預(yù)緊方法最合理。螺母的相對位移量： L0=基本導(dǎo)程，Z1=螺紋上的齒數(shù)調(diào)整的位移量： （4）滾珠絲杠副的參數(shù)及選擇 根據(jù)設(shè)計任務(wù)給定的絲杠導(dǎo)程為P=4mm，以及根據(jù)中華人民共和國專業(yè)標準（ZBJ5100489滾珠絲杠參數(shù)）規(guī)定：公稱直徑和基本導(dǎo)程的參數(shù)系列及其組合，采用推薦組合形式，導(dǎo)程為P=4mm時其推薦的公稱直徑為d=20mm，即FC204-

15、3-T3*300*250型號。其主要參數(shù)如下：滾珠絲杠副的示意圖如下：綜上所述，宜選用雙圓弧滾道型面內(nèi)循環(huán)浮動返回式雙螺母齒差式預(yù)緊滾珠絲杠副 （5）滾珠絲杠副尺寸的確定絲杠螺紋總長L1=250mm,螺母部分總長L3=68mm,則絲杠可用于傳動的長度L=L1-L3=182mm>100mm,則選擇的該絲杠滿足長度要求，絲杠還應(yīng)滿足剛度的要求，根據(jù)剛度要求確定螺桿長度d，一般應(yīng)滿足L(L/d25)。 選擇鋼珠直徑為：2.381mm,則滾道半徑R為:1.2381mm，偏心距e為0.003367mm。絲杠螺紋大徑d為19.5mm，絲杠螺紋小徑d1為17.59mm，螺母螺紋大徑D為17.59mm.

16、滾珠的圈數(shù)、列數(shù)： ， 2.4 步進電機的安裝結(jié)構(gòu) 采用側(cè)向與橫向機架垂直固定的方法安裝，橫向機架中間為絲杠軸，步進電機與絲杠軸的連接采用聯(lián)軸器連接。固定安裝步進電機四個沒螺釘要保證與絲杠軸中心一致，這是安裝的關(guān)鍵。 步進電機包括：定子、可旋轉(zhuǎn)地插入到定子的內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子、分別緊固在定子的兩端的底板和安裝板、軸承緊固在安裝板上的架和設(shè)置在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上的絲杠。定子準備了兩組，每一組包括內(nèi)軛、外軛及其間設(shè)置的繞組，將其緊固為使內(nèi)軛的各基部相接合。內(nèi)軛和外軛接合為使內(nèi)軛的基部與外軛的外周部的端部接觸，并且使基部的外周邊部在外軛的外周面附近露出。2.5 絲杠的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計 連接方式的選擇 絲杠的連接有兩

17、個方面，一個為與步進電機的連接，采用聯(lián)軸器連接；一個為絲杠螺母的固定。采用絲杠螺母中間支撐固定的方法，垂直機架起到支撐橫向機架和固定絲杠螺母的作用。 聯(lián)軸器的確定 根據(jù)上述軸設(shè)計時以選取了合適的聯(lián)軸器，其型號為： TL4型彈性套柱聯(lián)軸器 GB4323-84 其配合公差為：H7/k6。第三章 步進電機驅(qū)動器電路設(shè)計3.1 選用的步進電機的參數(shù)型號相數(shù)電壓（V）電流（A）電感（mH）電阻（）最大靜轉(zhuǎn)矩（g.cm）定位轉(zhuǎn)矩（g.cm）重量（kg）L1(mm)L2(mm)L3(mm)42BYG0164120.1655759502000.2174005.5其結(jié)構(gòu)如如下：3.2 步進電機的工作原理 該步進

18、電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖1是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。圖1 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1、4號齒就和C、D相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、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1、4號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、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，2、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

19、輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。3.3步進電機驅(qū)動器構(gòu)成與特點1) 步進電機不能直接接到交、直流電源上工作，而必須使用專用設(shè)備步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，除與電機的自身性能有關(guān)外，在很大程度上也取決于驅(qū)動器的優(yōu)劣。步進電機驅(qū)動器一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分組成，用于功率步進電機的驅(qū)動器還有多種分配分配保護。環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并提供步進電機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出就轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電機的轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、啟動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分

20、配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序轉(zhuǎn)換還是反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進電機的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能。從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或者截止的信號送入信號放大或處理級。信號放大的作用是將環(huán)形分配器輸出的信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級，這中間一般放大既需電壓放大，也需電流放大。信號處理是實現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑波等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動，本級還經(jīng)常與各種保護電路、個中控制電路組合在一起，形成較高性能的驅(qū)動輸出。2) 驅(qū)動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以驅(qū)動級輸入的較大信號。有時，推動級還承擔

21、電平轉(zhuǎn)換作用。驅(qū)動級直接與步進電機各繞組相連接，它接受來自推動級的輸入信號，控制步進電機各繞組的導(dǎo)通與截止，同時也對繞組承受的電壓和電流進行控制。各種電子設(shè)備的末級一般需要功率放大，步進電機驅(qū)動也是這樣。為使步進電機滿足各種專有權(quán)的輸出，驅(qū)動級必須對電機的繞組提供足夠的電壓和電流。但步進電機驅(qū)動與一般電子設(shè)備的驅(qū)動有不同的特點，主要體現(xiàn)在：a各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電動機的繞組都是連續(xù)的交流或者直流，而步進電機的各相繞組都是脈沖式供電，所以繞組電流不是連續(xù)的而是離散的。b電動機的各相繞組是繞在鐵心上的線圈，所以都有比較大的電感。繞組通電時電流上升率受到限制，因而影響電動機繞組電流的大小。c繞

22、組斷電時，電感中磁場的儲能將維持繞組中已有的電流不能突變，結(jié)果使應(yīng)該截止的相不能立即截止。為使電流盡快衰減，必須設(shè)計適當?shù)睦m(xù)流回路。繞組導(dǎo)通和截止過程中都會產(chǎn)生較大的反向電動勢，而截止時的反電動勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生十分有害的影響。d電動機運轉(zhuǎn)時在各相繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，這些電動勢的大小和方向?qū)@組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電動勢基本上與電動機轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)速越高，電動勢越大，繞組電流越小，從而使電動機輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升高而下降。e電動機繞組中有電感電動勢、互感電動勢、旋轉(zhuǎn)電動勢。這些電動勢與外加電共同作用于功率器件，當其疊加結(jié)果使電動機繞組兩端電壓大大超過電源電壓時，使驅(qū)動級的

23、工作條件更為惡化。根據(jù)以上的功率放大級的設(shè)計要點、組成和特點，結(jié)合本課程設(shè)計的設(shè)計要求，此設(shè)計選用單片機控制可以省去環(huán)形分配器，節(jié)約成本，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，靈活性好等特點。 2) 由AT89S51單片機的技術(shù)資料可知，單片機的I/O口輸出的電流很小,電壓為5V。但是步進電機為電流驅(qū)動元件,所以要有足夠的電流才能使它正常工作,同時又要保證電源提供功率的有效利用,步進電機正常工作,所以要優(yōu)化功率驅(qū)動電路,目前經(jīng)常用的功率驅(qū)動電路有單電壓驅(qū)動電路(很少用)、單電壓串聯(lián)電阻驅(qū)動電路雙電壓驅(qū)動、高低壓驅(qū)動(此系統(tǒng)不考慮)等,故有以下功率驅(qū)動電路可供選擇:a單電壓串電阻驅(qū)動 其特點是:響應(yīng)比不串

24、聯(lián)電阻要快,提高了系統(tǒng)的相應(yīng)速度。但是缺點是損耗大，功率低。電源提供的部分功率耗散在外接電阻上，同時電阻發(fā)熱嚴重，在安裝設(shè)備時必須考慮通風散熱問題，這也使整個驅(qū)動器的體積增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護起來比較麻煩。目前的機械系統(tǒng)中多采用達林頓管陣列，可以簡化電路，維護方便，同時可以使電路簡單化，明朗化，推動級用中校功率晶體管，電阻用小瓦數(shù)就可以。通常選用的達林頓管陣列主要有ULN2003N、ULN2004、ULN2803等。其中前兩種為七路達林頓陣列，而ULN2803為八路達林頓陣列，此系統(tǒng)由于是四相步進電機，所以為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。使用廉價的ULN2004即可滿足系統(tǒng)的要求。b雙電壓驅(qū)動此電路的目的

25、和單電壓串聯(lián)電阻是同樣的想法，就是提高繞組導(dǎo)通電流的上升的前沿，就可以提高高頻時繞組電流的平均值，改善高頻特性。單電壓串聯(lián)電阻的辦法正如上面所說的：增加了損耗，帶來了通風散熱等一系列問題。該電路的基本思想是在較低的頻段用較低的電壓驅(qū)動，而在高頻時用較高的電壓驅(qū)動。特點為在低頻段與單電壓驅(qū)動相同，而靠轉(zhuǎn)換電源電壓來提高高頻響應(yīng)。由于繞組中串電阻必不可少，所以仍然存在散熱問題。另外，fk將整個頻率劃分成兩段，使特性不連續(xù)，有突變。在低于fk但接近fk時，輸出特性下降太大。C 9014和TIP122雙重放大驅(qū)動電路圖3 步進電機驅(qū)動器系統(tǒng)電路原理圖AT89C2051將控制脈沖從P1口的P1.4P1.

26、7輸出，經(jīng)74LS14反相后進入9014，經(jīng)9014放大后控制光電開關(guān)，光電隔離后，由功率管TIP122將脈沖信號進行電壓和電流放大，驅(qū)動步進電機的各相繞組。使步進電機隨著不同的脈沖信號分別作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速和停止等動作。圖中L1為步進電機的一相繞組。AT89C2051選用頻率22MHz的晶振，選用較高晶振的目的是為了在方式2下盡量減小AT89C2051對上位機脈沖信號周期的影響。圖3中的RL1RL4為繞組內(nèi)阻，75電阻是一外接電阻，起限流作用，也是一個改善回路時間常數(shù)的元件。D1D4為續(xù)流二極管，使電機繞組產(chǎn)生的反電動勢通過續(xù)流二極管（D1D4）而衰減掉，從而保護了功率管TIP122不

27、受損壞。在75外接電阻上并聯(lián)一個200F電容，可以改善注入步進電機繞組的電流脈沖前沿，提高了步進電機的高頻性能。與續(xù)流二極管串聯(lián)的200電阻可減小回路的放電時間常數(shù)，使繞組中電流脈沖的后沿變陡，電流下降時間變小，也起到提高高頻工作性能的作用。綜合以上所有的電路優(yōu)缺點和電路的實際要求考慮，所以選用第三的接法，由于步進電機和單片機系統(tǒng)是分開供電的，且電壓相差較大，為了使系統(tǒng)安全運行，或由于其它原因使得單片機系統(tǒng)和步進電機的驅(qū)動系統(tǒng)相通而導(dǎo)致系統(tǒng)異常，所以采用隔離元件使兩個系統(tǒng)相互隔離，做到數(shù)字電路和模擬電路分開供電，提高了電路的可靠性。數(shù)字電路和模擬電路分開供電，提高了電路的可靠性。第四章：控制器

28、程序流程框圖設(shè)計4.1 控制器芯片的選擇 控制器采用 MCS 一 51 單片機。其引腳功能如下：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 ? 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 （1）主要特性：·

29、與MCS-51 兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 （2）管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為

30、數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于

31、內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P

32、3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的

33、脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA

34、端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 （3）振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4.2控制器程序流程框圖（見圖紙）。第五章：程序代碼設(shè)計5.1 步進電機工作方式的選擇及控制字的確定四相步進電機按照通電順序的不同，可