機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)(礦大)

機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)自09姓名：董一學(xué)號(hào)：0309指導(dǎo)老師：董小龍2011年11月22日目錄1.摘要............................................................................................................................32.設(shè)計(jì)任務(wù)....................................................................................................................42.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義..................................................................................................................42.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)..............................................................................................................................52.3設(shè)計(jì)的根本要求..........................................................................................................................53.總體設(shè)計(jì)方案............................................................................................................64.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)....................................................................................................84.1導(dǎo)軌的選擇..................................................................................................................................84.2滾珠絲杠的選擇及校核..............................................................................................................84.3步進(jìn)電機(jī)的選擇.........................................................................................................................134.4聯(lián)軸器的選用.............................................................................................................................174.5鍵的校核.....................................................................................................................................174.6滾動(dòng)軸承的選用及校核.............................................................................................................175.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)...................................................................................................195.1設(shè)計(jì)的根本原那么........................................................................................................................19TOC\o"1-2"\h\u71365.2步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn).........................................................................................1993655.3元器件介紹.................................................................................................................................2154155.4方案論證.....................................................................................................................................26164575.5硬件設(shè)計(jì).....................................................................................................................................2760185.6軟件設(shè)計(jì).....................................................................................................................................29205195.7源程序代碼.................................................................................................................................316.結(jié)束語(yǔ)......................................................................................................................357.參考文獻(xiàn)..................................................................................................................35一摘要本設(shè)計(jì)數(shù)控工作臺(tái)，由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及步進(jìn)電機(jī)等部件構(gòu)成。其中步進(jìn)電機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在單方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)。二設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義課程設(shè)計(jì)題目機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(2)電氣控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)意義：⑴培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的根底理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計(jì)工作。⑵培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等根本技能。⑶培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序和方法，進(jìn)行工程師根本素質(zhì)的訓(xùn)練。⑷樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。2.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)：機(jī)電傳動(dòng)單向數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)；機(jī)械傳動(dòng)方式：螺旋絲桿、滾珠絲桿、同步皮帶、鏈傳動(dòng)等；電氣控制方式：?jiǎn)纹C(jī)控制、PLC控制；功能控制要求：速度控制、位置控制；主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐獭?800、1500、1200mm；移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——100、50kg；負(fù)載移動(dòng)阻力——100、50N；移動(dòng)速度控制——3、6m/min；2.3設(shè)計(jì)的根本要求⑴方案設(shè)計(jì)：根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，在搜集、歸納、分析資料的根底上，明確系統(tǒng)的主要功能，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對(duì)各種方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，進(jìn)行方案選優(yōu)。⑵總體設(shè)計(jì)：針對(duì)具體的原理方案，通過對(duì)動(dòng)力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，最后給出機(jī)械系統(tǒng)的控制原理圖或主要部件圖〔A1一張〕。⑶電氣控制線路圖：根據(jù)控制功能要求，完成電氣控制設(shè)計(jì)，給處電氣控制電路原理圖〔A2圖一張〕。⑷成果展示：課程設(shè)計(jì)的成果最后集中表現(xiàn)在課程設(shè)計(jì)說明書和所繪制的設(shè)計(jì)圖紙上，完成課程設(shè)計(jì)說明書一份，不少于30頁(yè)，設(shè)計(jì)圖紙不少于兩張。⑸繪圖及說明書：用計(jì)算機(jī)繪圖，打印說明書。三總體方案設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)根本依據(jù)步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖同步。只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：1、工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電壓波動(dòng)、電流大小與波形變化、溫度等)的影響；2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪保?、由于可以直接用數(shù)字信號(hào)控制，與微機(jī)接口比擬容易；4、控制性能好,在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步”；5、不需要傳感器進(jìn)行反響，可以進(jìn)行開環(huán)控制；6、缺點(diǎn)是能量效率較低。滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和開展，這項(xiàng)開展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)：1、與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩到達(dá)1/3以下,即到達(dá)同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。2、高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。3、微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4、無側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙到達(dá)負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。5、高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))?？删幊绦蚩刂破鱌LC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，能抗諸如電噪聲、電源波動(dòng)、振動(dòng)、電磁干擾等的干擾，能抗1000V、1脈沖的干擾，能在高溫、高濕以及空氣中存有各種各種強(qiáng)腐蝕物質(zhì)粒子的惡劣環(huán)境下可靠地工作，PLC能夠承受電網(wǎng)電壓的變化，即使在電源瞬時(shí)斷電的情況下，仍可以正常工作。另外PLC是通過軟件實(shí)現(xiàn)控制的，其控制程序編在軟件中，實(shí)現(xiàn)程序軟件化，因而對(duì)于不同的控制對(duì)象都可以采用相同的硬件配置。PLC提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。而且PLC體積小、能耗低、便于機(jī)電一體化。通過PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，實(shí)際上控制時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)受脈沖控制。利用PLC產(chǎn)生高速脈沖串，調(diào)節(jié)脈沖頻率，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速、恒速運(yùn)行、減速停止過程。本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了啟動(dòng)、停止、設(shè)置行程等按鈕。還采用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專門控制芯片PMM8713，利用單片機(jī)定時(shí)中斷的方法輸出脈沖給PMM8713芯片，通過PMM8713芯片和功率放大器把脈沖分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。再通過帶動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)滑動(dòng)平臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)于位置控制，在平臺(tái)始末兩端安裝2個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)始末2端時(shí)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)的方向旋轉(zhuǎn)，使平臺(tái)方向運(yùn)行。同時(shí)還增加了平臺(tái)行程的設(shè)置功能，當(dāng)需要改變平臺(tái)的行程，通過擴(kuò)展的鍵盤就可以實(shí)現(xiàn)。 本次設(shè)計(jì)的總體工作原理如下列圖所示：3.2總體方案確定，參數(shù)初設(shè)如下：⑴電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)⑵機(jī)械傳動(dòng)方式：滾珠絲杠⑶電氣控制方式：PLC控制⑷功能控制要求：速度控制⑸主要設(shè)計(jì)參數(shù)：?jiǎn)蜗蜃畲蠊ぷ餍谐獭?800mm；工作臺(tái)重量20kg移動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——50kg；負(fù)載移動(dòng)阻力——50N；移動(dòng)速度控制——6選用矩形導(dǎo)軌；工作臺(tái)滑動(dòng)摩擦系數(shù)；四機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名計(jì)算及說明結(jié)果1．導(dǎo)軌的選擇條件本設(shè)計(jì)選擇滾動(dòng)絲桿，：?jiǎn)蜗蚬ぷ餍谐?800mm移動(dòng)速度6m/min負(fù)載質(zhì)量：50kg采用2根導(dǎo)軌、4個(gè)滑塊，工作平臺(tái)和滑塊的質(zhì)量假設(shè)為20kg.壽命要求：每天開機(jī)8h，一年按300個(gè)工作日，壽命8年以上初選燕尾型、矩形組合滑動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算及說明結(jié)果2．滾珠絲桿的選擇及校核2.1根據(jù)機(jī)器的工作條件及完成的功能，滾珠螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式滾珠螺母的循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)預(yù)緊方式為雙螺母墊片預(yù)緊導(dǎo)軌的摩擦力為：=工作臺(tái)的質(zhì)量取=20kg移動(dòng)負(fù)載的質(zhì)量=50kg導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)取=0.152.2初選絲桿導(dǎo)程根據(jù)公稱直徑范圍選擇=5mm2.3計(jì)算滾珠絲桿的動(dòng)載荷動(dòng)載荷公式為：滾珠絲桿副軸向載荷=105+50=155NL滾珠絲杠的壽命系數(shù)〔單位為轉(zhuǎn)〕，其中T為使用壽命時(shí)間，取15000h；載荷系數(shù)〔平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)為1.0~1.2，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5，較大沖擊或振動(dòng)時(shí)為1.5~2.5〕，此時(shí)??；硬度系數(shù)〔HRC大于或等于58時(shí)為1.0，等于55時(shí)為1.11，52.5時(shí)為1.35，50時(shí)為1.56,45時(shí)為2.40〕，此時(shí)取=1.0；運(yùn)行轉(zhuǎn)速2.3初選滾珠絲杠副的型號(hào)和有關(guān)參數(shù)根據(jù)上面所計(jì)算的數(shù)據(jù)，選取的滾珠絲桿的根本額定動(dòng)載荷要大于計(jì)算出來的動(dòng)載荷。初選型號(hào)為FFZD2505型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副其主要參數(shù)：額定動(dòng)載荷為=11KN額定靜載荷為公稱直徑導(dǎo)程=5mm鋼球直徑預(yù)緊力計(jì)算=20kg=50kg=0.15=105N=5mm=155N=1.0=11KN=5mm 2.4絲桿螺紋局部長(zhǎng)度=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余程=1800+86+40=1926mm軸承的支撐距離應(yīng)大于螺紋局部的長(zhǎng)度取支撐距離=2000mm2.5絲桿穩(wěn)定性驗(yàn)算根據(jù)工作環(huán)境選擇兩端采用角接觸軸承固定的工作方式，那么絲桿不發(fā)生失穩(wěn)的最大工作載荷為：(N)式中：材料的拉壓彈性模量鋼取；絲桿軸最小截面慣性矩；為滾珠絲桿的公稱直徑；絲杠小徑；實(shí)際承受載荷的能力；壓桿穩(wěn)定的支撐系數(shù)〔雙推—雙推時(shí)為4，單推—單推時(shí)為1，雙推—簡(jiǎn)支時(shí)為2，雙推自由式時(shí)為0、25〕，此時(shí)取；K壓桿穩(wěn)定平安系數(shù)〔一般去2.5~4〕，垂直安裝時(shí)取小值，此時(shí)取。符合壓桿穩(wěn)定性要求。2.6為了不發(fā)生共振，需校核臨界轉(zhuǎn)速不發(fā)生共振最高轉(zhuǎn)速成為臨界轉(zhuǎn)速，表示絲桿的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)??；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算距離長(zhǎng)度系數(shù)能夠到達(dá)不共振要求。此外滾珠絲桿還應(yīng)滿足發(fā)熱條件綜上，滾珠絲桿滿足壓縮失穩(wěn)、共振、發(fā)熱的條件2.7滾珠絲桿副的系統(tǒng)剛度軸向載荷F產(chǎn)生的軸向變形量，絲杠采用兩端固定的方式式中：絲杠兩支撐間的距離〔mm〕；絲杠的計(jì)算長(zhǎng)度，指和作用處到固定支承端的距離；絲杠材料的彈性模量，鋼材的〔Mp〕；絲杠的計(jì)算截面面積；轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的軸向變形量絲杠的螺紋導(dǎo)程；絲杠計(jì)算截面的極慣性矩：絲杠材料的切變模量，鋼材的；螺旋傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩；滾珠絲杠副的當(dāng)量摩擦系數(shù)：，當(dāng)量摩擦角；軸向載荷F使鋼球與螺旋滾道間產(chǎn)生的軸向變形量因?yàn)?，而且有預(yù)緊，所以式中工作螺母中的鋼球總數(shù)預(yù)緊力，一般取載荷分布不均勻系數(shù)，一般取軸向總變形量：絲杠的軸向剛度：——絲杠允許的軸向剛度2.8效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為要求在90%—95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)過上述計(jì)算驗(yàn)證，所選型號(hào)規(guī)格滾珠絲杠各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選用。3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇3.1脈沖當(dāng)量的選擇選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，考慮是否有現(xiàn)成的與其配套的驅(qū)動(dòng)器，目前我國(guó)市場(chǎng)有反響式和混合式兩種，在本設(shè)計(jì)中初選三相六拍運(yùn)行方式。初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)時(shí)步距角與傳動(dòng)比i應(yīng)滿足，取步距角為，為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高精度，這里取。3.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算工作室負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載總的合力3.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔1〕滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔2〕工作臺(tái)等效到電機(jī)輸出軸上〔3〕聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)滾珠螺桿和電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑，選擇YLD1聯(lián)軸器，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為因此，換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：3.4初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為110BYG450，四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為由此符合要求3.5矩頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)名義起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即步進(jìn)電機(jī)所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩空在啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大速度所需轉(zhuǎn)矩空載時(shí)折算到電機(jī)軸的摩擦力矩由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩〔1〕加速力矩各部件折算到電機(jī)軸總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為靜止部件有靜止加速到最大速度取〔2〕空載摩擦力矩運(yùn)動(dòng)部件的總重力G=1470N導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)取=0.15傳動(dòng)的總效率取滾珠絲杠的根本導(dǎo)程齒輪傳動(dòng)降速比〔3〕附加摩擦力矩預(yù)緊力未預(yù)緊時(shí)的效率那么需總轉(zhuǎn)矩為名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩所以最大靜轉(zhuǎn)矩符合啟動(dòng)要求。3.6啟動(dòng)矩頻特性校核上面的計(jì)算僅僅是檢查電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不失步，需要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。由于突跳啟動(dòng)過程極短，加速度力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可防止的。因此，突跳啟動(dòng)很少使用。這里我們使用升速啟動(dòng)方式。如下圖：根據(jù)空載啟動(dòng)力矩查手冊(cè)，找到對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率約最大頻率：為了使，所以啟動(dòng)矩頻特性滿足要求，我們將分二個(gè)階段啟動(dòng)，每個(gè)階段的啟動(dòng)頻率僅為最高啟動(dòng)頻率的1/2,即2381Hz3.7運(yùn)行矩頻特性校核快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核快進(jìn)時(shí)的最高運(yùn)行頻率：快速進(jìn)給時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)，并且一般快速進(jìn)給時(shí)處于空載狀態(tài)，快速進(jìn)給時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩：其中：、分別與上面的、相同查運(yùn)行矩頻特性曲線，得，〔2〕工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率：工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩：其中：、分別與上面的、相同。查運(yùn)行矩頻特性曲線，得,運(yùn)行矩頻特性滿足。應(yīng)選用110BGY450滿足要求。4聯(lián)軸器的選用根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸的直徑和滾珠絲杠的直徑，選用YLD1式凸緣聯(lián)軸器。其公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長(zhǎng)度螺栓數(shù)量3個(gè)，采用M6螺栓Y型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5鍵的校核5.1連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與聯(lián)軸器上鍵的校核選A型普通平鍵，d=11mm查表GB/T1095-2003選鍵：b=4mm,h=4mm,L=20mm鍵的強(qiáng)度較合，驗(yàn)算其擠壓強(qiáng)度，查表得其許用壓應(yīng)力：鍵的工作長(zhǎng)度，那么符合要求；5.2連接聯(lián)軸器和滾珠絲桿鍵校核鏈接聯(lián)軸器和滾珠絲桿上的鍵與鏈接電機(jī)輸出軸與聯(lián)軸器的鍵采用相同的鍵，對(duì)于同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩同樣能夠到達(dá)設(shè)計(jì)要求。6滾動(dòng)軸承的選用與校核根據(jù)工作情況以及滾珠絲杠的受力，初選軸承為角接觸球軸承，其，型號(hào)為7002AC根本額定載荷為受力情況如下列圖：為徑向外載荷為軸向外載荷軸承支反力軸承派生軸向力軸承所受軸向載荷那么計(jì)算軸承擔(dān)量動(dòng)載荷，工作在中等沖擊載荷系數(shù)查表查表計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算軸承的壽命因?yàn)楣拾催M(jìn)行校核取溫度系數(shù)故h壽命指數(shù)對(duì)于球軸承因?yàn)樗暂S承符合要求7002AC角接觸軸承根本尺寸內(nèi)圈直徑外圈直徑軸承寬度軸承質(zhì)量靜載荷動(dòng)載荷=1926mm=2000mm符合要求符合要求絲桿滿足使用要求=1800mm=2000mm=5T=465滿足剛度條件可選用,運(yùn)行矩頻特性滿足五電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)的根本原那么在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原那么：1)最大限度滿足機(jī)床和工藝對(duì)電氣控制的要求；2)在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案應(yīng)力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，不宜盲目追求自動(dòng)化和高性能指標(biāo)；3)妥善處理機(jī)械與電氣的關(guān)系。很多生產(chǎn)機(jī)械是采用機(jī)電結(jié)合控制方式來實(shí)現(xiàn)控制要求的，要從工藝要求、制造本錢、機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和使用維護(hù)等方面協(xié)調(diào)處理好二者的關(guān)系；4)把電氣系統(tǒng)的平安性和可靠性放在首位，確保使用平安、可靠。5)合理的選用電器元件。5.2步進(jìn)電機(jī)原理、控制技術(shù)及其特點(diǎn)由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專業(yè)設(shè)——步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號(hào)，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列，環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸入端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(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，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以到達(dá)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的，步進(jìn)電機(jī)的根本控制包括轉(zhuǎn)向控制和速度控制兩個(gè)方面。從結(jié)構(gòu)上看，步進(jìn)電機(jī)分為三相單三拍、三相雙三拍和三相六拍3種，其根本原理如下：〔1〕換相順序的控制通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如，三相步進(jìn)電機(jī)在單三拍的工作方式下，其各相通電順序?yàn)锳→B→C→A，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A、B、C相的通斷。三相雙三拍的通電順序?yàn)锳B→BC→CA→AB，三相六拍的通電順序?yàn)锳→AB→B→BC→C→CA→A?！?〕步進(jìn)電機(jī)的換向控制如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁方式為三相六拍，即A→AB→B→BC→C→CA→A。如果按反序通電換相，A→AC→C→CB→B→BA→A，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。其他方式情況類似?！?〕步進(jìn)電機(jī)的速度控制如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試?！?〕步進(jìn)電機(jī)的起停控制步進(jìn)電機(jī)由于其電氣特性，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有步進(jìn)感。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，減小振動(dòng)，可在步進(jìn)電機(jī)控制脈沖的上升沿和下降沿采用細(xì)分的梯形波，可以減小步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，跳過電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止因慣性而使電機(jī)軸產(chǎn)生順滑，那么需采用適宜的鎖定波形，產(chǎn)生鎖定磁力矩，鎖定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)?！?〕步進(jìn)電機(jī)的加減速控制在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步現(xiàn)象。所有步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有加速過程，在停止時(shí)波形有減速過程。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線，步進(jìn)電機(jī)整個(gè)降速過程頻率變化規(guī)律是整個(gè)加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。選定的曲線比擬符合步進(jìn)電機(jī)升降過程的運(yùn)行規(guī)律，能充分利用步進(jìn)電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應(yīng)性好，縮短了升降速的時(shí)間，并可防止失步和過沖現(xiàn)象。在一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)中，要根據(jù)負(fù)載的情況來選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱為“啟動(dòng)頻率”，于此類似“停止頻率”是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)斷，步進(jìn)電機(jī)不沖過目標(biāo)位置的最高步進(jìn)頻率。電機(jī)的啟動(dòng)頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相適應(yīng)，有了這些數(shù)據(jù)，才能有效地對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。加速過程有突然施加的脈沖啟動(dòng)頻率f0。步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率〔突跳頻率〕一般為0.1KHz到3~4KHz，而最高運(yùn)行頻率那么可以到達(dá)N*102KHz，以超過最高啟動(dòng)頻率的頻率直接啟動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和失步的現(xiàn)象。〔6〕步進(jìn)電機(jī)的換向控制步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)在換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號(hào)一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)脈沖前發(fā)出。對(duì)于脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及上下電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含了降速→換向→加速3個(gè)過程。步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。②由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常方便、廉價(jià)，也非常可靠。同時(shí)，它也可以有角度反響環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。③步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。④速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得很大的轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。⑤步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接用交流電源或直流電源。⑥步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)比擬大，帶慣性負(fù)載的能力強(qiáng)。5.3元器件介紹〔1〕步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式〔PM〕，反響式〔VR〕和混合式(HB)，步進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電機(jī)，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動(dòng)，反轉(zhuǎn)和制動(dòng)的執(zhí)行元件。其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移，由于開環(huán)下就能實(shí)現(xiàn)精確定位的特點(diǎn)，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電脈沖信號(hào)控制的，其角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每個(gè)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度〔不距角〕或前進(jìn)、倒退一步。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進(jìn)電機(jī)為數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。四相步進(jìn)電機(jī)的工作原理該設(shè)計(jì)采用了20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，采用單極性直流電源供電。只要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按適宜的時(shí)序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時(shí)，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，在磁場(chǎng)的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點(diǎn)，那么轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對(duì)齊，由此可見，錯(cuò)齒是促使電機(jī)旋轉(zhuǎn)的原因。② 步進(jìn)電機(jī)的靜態(tài)指標(biāo)及術(shù)語(yǔ)相數(shù)：產(chǎn)生不同隊(duì)N、S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用m表示。拍數(shù)：完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖用n表示，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB→BC→CD→DA→AB,四相八拍運(yùn)行方式即A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A。步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用 θ表示。50 齒角電機(jī)為例，四相運(yùn)行時(shí)步距角為：θ=360度/〔50*4〕=1.8度；八拍運(yùn)行時(shí)步距角為：θ=360 度 /〔50*8〕=0.9 度。定位轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在不通電的狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的鎖定力矩〔由磁場(chǎng)齒形的諧波以及機(jī)械誤差造成的〕。靜轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定靜態(tài)作業(yè)下，電機(jī)不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機(jī)體積的標(biāo)準(zhǔn)，與驅(qū)動(dòng)電壓及驅(qū)動(dòng)電源等無關(guān)。雖然靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與電磁激磁匝數(shù)成正比，與定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙有關(guān)。但過分采用減小氣隙，增加勵(lì)磁匝數(shù)來提高靜轉(zhuǎn)矩是不可取的，這樣會(huì)造成電機(jī)的發(fā)熱及機(jī)械噪音。③ 四相步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配規(guī)律目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)進(jìn)行控制，主要是利用軟件進(jìn)行環(huán)形脈沖分配。四相步進(jìn)電機(jī)的工作方式為四相單四拍，雙四拍和四相八拍工作的方式。各種工作方式在電源通電時(shí)的時(shí)序與波形分別如圖1a、b、c所示。本設(shè)計(jì)的電機(jī)工作方式為四相單四拍，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作的時(shí)序和波形圖，總結(jié)出其工作方式為四相單四拍時(shí)的脈沖分配規(guī)律，四相雙四拍的脈沖分配規(guī)律，在每一種工作方式中，脈沖的頻率越高，其轉(zhuǎn)速就越快，但脈沖頻率高到一定程度，步進(jìn)電機(jī)跟不上頻率的變化后電時(shí)機(jī)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以脈沖頻率一定要控制在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi)?！?〕89C51單片機(jī)Atmel公司生產(chǎn)的89C51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓‘高性能的8位單片機(jī)，它采用CMOS和高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的FlashROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性編程器來編程，內(nèi)部除CPU外，還包括256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，89C51單片機(jī)是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。〔3〕L297介紹L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝，其引腳見圖1，內(nèi)部方框見圖。L297芯片引腳圖L297各引腳功能說明：1腳(SYNG)——斬波器輸出端。如多個(gè)297同步控制，所有的SYNC端都要連在一起，共用一套振蕩元件。如果使用外部時(shí)鐘源，那么時(shí)鐘信號(hào)接到此引腳上。2腳(GND)——接地端。3腳(HOME)——集電極開路輸出端。當(dāng)L297在初始狀態(tài)(ABCD=0101)時(shí)，此端有指示。當(dāng)此引腳有效時(shí)，晶體管開路。4腳(A)——A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。5腳(INH1)——控制A相和B相的驅(qū)動(dòng)極。當(dāng)此引腳為低電平時(shí)，A相、B相驅(qū)動(dòng)控制被禁止；當(dāng)線圈級(jí)斷電時(shí)，雙極性橋用這個(gè)信號(hào)使負(fù)載電源快速衰減。假設(shè)CONTROL端輸入是低電平時(shí)，用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流。6腳(B)——B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。7腳(C)——C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。8腳(INH2)——控制C相和D相的驅(qū)動(dòng)級(jí)。作用同INH1相同。9腳(D)——D相驅(qū)動(dòng)信號(hào)。10腳(ENABLE)——L297的使能輸入端。當(dāng)它為低電平時(shí)，INH1，INH2，A，B，C，D都為低電平。當(dāng)系統(tǒng)被復(fù)位時(shí)用來阻止電機(jī)驅(qū)動(dòng)。11腳(CONTROL)——斬波器功能控制端。低電平時(shí)使INH1和INH2起作用，高電平時(shí)使A，B，C，D起作用。12腳(Vcc)——+5V電源輸入端。13腳(SENS2)——C相、D相繞組電流檢測(cè)電壓反響輸入端。14腳(SENS1)——A相、B相繞組電流檢測(cè)電壓反響輸入端。15腳(Vref)——斬波器基準(zhǔn)電壓輸入端。加到此引腳的電壓決定繞組電流的峰值。16腳(OSC)——斬波器頻率輸入端。一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)接至此引角以決定斬波器頻率，在多個(gè)L297同步工作時(shí)其中一個(gè)接到RC網(wǎng)絡(luò)，其余的此引角接地，各個(gè)器件的腳I(SYNC)應(yīng)連接到一起這樣可雜波的引入問題如圖5所示。17腳(CW/CCW)—方向控制端。步進(jìn)電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定。當(dāng)改變此引腳的電平狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。18腳(CLOCK)——步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。該引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)步進(jìn)電機(jī)向前步進(jìn)一個(gè)增量，該步進(jìn)是在信號(hào)的上升沿產(chǎn)生。19腳(HALF/FULL)——半步、全步方式選擇端。此引腳輸入高電平時(shí)為半步方式(四相八拍)，低電平時(shí)為全步方式。如選擇全步方式時(shí)變換器在奇數(shù)狀態(tài)，會(huì)得到單相工作方式(單四拍)。20腳(RESET)——復(fù)位輸入端。此引腳輸入負(fù)脈沖時(shí)，變換器恢復(fù)初始狀態(tài)(ABCD=0101)。L297內(nèi)部方框電路圖在圖所示的L297的內(nèi)部方框圖中。變換器是一個(gè)重要組成局部。變換器由一個(gè)三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)根本的八格雷碼。由變換器產(chǎn)生4個(gè)輸出信號(hào)送給后面的輸出邏輯局部，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動(dòng)機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號(hào)是通過2個(gè)PWM斬波器控制電動(dòng)波器包含有一個(gè)比擬器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測(cè)電阻，如圖4所示，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測(cè)電阻上的電壓相對(duì)提高，當(dāng)電壓到達(dá)Uref時(shí)(Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號(hào)，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對(duì)相位線A，B，C，D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時(shí)，對(duì)A，B，C，D有抑制作用；為低電平時(shí)，那么對(duì)抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對(duì)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制L297驅(qū)動(dòng)相序的產(chǎn)生L297能產(chǎn)生單四拍、雙四拍和四相八拍工作所需的適當(dāng)相序。3種方式的驅(qū)動(dòng)相序都可以很容易地根據(jù)變換器輸出的格雷碼的順序產(chǎn)生，格雷碼的順序直接與四八拍(半步方式)相符合，只要在腳19輸入一高電平即可得到。其波形圖如圖5所示。四相八拍模式波形圖〔4〕L298簡(jiǎn)介L(zhǎng)298N為SGS-THOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(DualFull-BridgeDriver)，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號(hào)，但在本驅(qū)動(dòng)電路中用L297來提供時(shí)序信號(hào)，節(jié)省了單片機(jī)IO端口的使用。L298N之接腳如圖8所示，Pin1和Pin15可與電流偵測(cè)用電阻連接來控制負(fù)載的電路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)步進(jìn)電機(jī)；input1~input4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；Enable那么控制電機(jī)停。L298引腳圖5.4方案論證從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可知，該系統(tǒng)的輸入量為速度和方向，速度應(yīng)該有增減變化，通常用加減按鈕控制速度，這樣只要2根口線，再加上一根方向線盒，一根啟動(dòng)信號(hào)線共需要4根輸入線。系統(tǒng)的輸出線與步進(jìn)電機(jī)的繞組數(shù)有關(guān)。這里選四相步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)共有四相繞組，工作電壓為+5V，可以與單片機(jī)共用一個(gè)電源。步進(jìn)電機(jī)的四相繞組控制過程如下：P0.0口控制L297的方向控制端〔CW/CCW〕，P0.1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序〔A,B,C,D四相〕。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4使其OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。用P1口的P1.0~P1.7控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。5.5硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的硬件電路只要包括控制電路、最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路四大局部。最小系統(tǒng)只要是為了使單片機(jī)正常工作?？刂齐娐分灰砷_關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應(yīng)的工作需要進(jìn)行操作。顯示電路主要是為了顯示電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路主要是對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)?！?〕控制電路控制電路原理圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制輸入局部設(shè)置了正轉(zhuǎn)控制，反轉(zhuǎn)控制，加速控制和減速控制按鈕，分別是K1、K2、S2、S3，控制電路如圖9所示。通過K1、K2狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制。當(dāng)K1、K2的狀態(tài)變化時(shí)，內(nèi)部程序檢測(cè)P3.4和P3.5的狀態(tài)來調(diào)用換向程序進(jìn)行電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可以知道，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制主要是通過控制通入電機(jī)的脈沖頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于單片機(jī)而言，主要的方法有軟件延時(shí)和定時(shí)中斷在此電路中電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制主要是通過定時(shí)器的中斷來實(shí)現(xiàn)的，該電路控制電機(jī)加速度主要是通過S2、S3的斷開和閉合，從而控制外部中斷根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)〔該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)〕，這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。〔2〕驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過L297和L298構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，電路圖如圖10所示。P0.0口控制L297的方向控制端〔CW/CCW〕，P0.1控制步進(jìn)時(shí)鐘輸入端。使L297輸出四相八拍工作所需的適當(dāng)相序〔A,B,C,D四相〕。L297的四相輸出接L298的IN0---IN4使其OUT0---OUT4輸出放大后的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。〔3〕顯示模塊顯示模塊通過P1口的P1.0~P1.7控制LM016L顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向?？傮w電路圖把各個(gè)局部的電路圖組合成總電路圖，如圖12所示?？傮w電路圖〔包括顯示電路圖〕5.6軟件設(shè)計(jì)通過分析可以看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能可以采用多種方法，由于隨時(shí)有可能輸入加速、加速信號(hào)和方向信號(hào)，因而采用中斷方式效率最高，這樣總共要完成4個(gè)部分的工作才能滿足課題要求，即主程序局部、定時(shí)器中斷局部、外部中斷0和外部中斷1局部，其中主程序的主要功能是系統(tǒng)初始參數(shù)的設(shè)置及啟動(dòng)開關(guān)的檢測(cè)，假設(shè)啟動(dòng)開關(guān)合上那么系統(tǒng)開始工作，反之系統(tǒng)停止工作；定時(shí)器局部控制脈沖頻率，它決定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢；兩個(gè)外部中斷程序要做的工作都是為了完成改變速度這一功能。下面分析主程序與定時(shí)器中斷程序及外部中斷程序?！?〕主程序設(shè)計(jì)主程序中要完成的工作主要有系統(tǒng)初始值的設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示以及各種開關(guān)狀態(tài)的檢測(cè)判斷等。其中系統(tǒng)初始狀態(tài)的設(shè)置內(nèi)容較多，該系統(tǒng)中，需要初始化定時(shí)器、外部中斷；對(duì)P1口送初值以決定脈沖分配方式，速度值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)速度，對(duì)方向值存儲(chǔ)區(qū)送初值決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等內(nèi)容。假設(shè)初始化P1=11H、速度和方向初始值均設(shè)為0，就意味著步進(jìn)電機(jī)按四相單八拍運(yùn)行，系統(tǒng)上電后在沒有操作的情況下，步進(jìn)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)，方向值顯示“0”，速度值顯示“0”，主程序流程圖如圖5所示?！?〕定時(shí)中斷設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是給電機(jī)各繞組按一定的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地按規(guī)律通入電流，步進(jìn)電機(jī)才會(huì)旋轉(zhuǎn)，時(shí)間間隔越短，速度就越快。在這個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)時(shí)間間隔是用定時(shí)器重復(fù)中斷一定次數(shù)產(chǎn)生的，即調(diào)節(jié)時(shí)間間隔就是調(diào)節(jié)定時(shí)器的中斷次數(shù)，因而在定時(shí)器中斷程序中，要做的工作主要是判斷電機(jī)的運(yùn)行方向、發(fā)下一個(gè)脈沖，以及保存當(dāng)前的各種狀態(tài)?！?〕外部中斷設(shè)計(jì)外部中斷所要完成的工作是根據(jù)按鍵次數(shù)，改變速度值存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)〔該數(shù)據(jù)為定時(shí)器的中斷次數(shù)〕，這樣就改變了步進(jìn)電機(jī)的輸出脈沖頻率，也就是改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度增加按鈕S2為INT0中斷，其程序流程為原數(shù)據(jù)，當(dāng)RunSpeed的值大于12時(shí)，原數(shù)值減2返回，計(jì)算速度值。速度減少按鈕S3，當(dāng)RunSpeed小于100時(shí)，數(shù)據(jù)加2后返回，計(jì)算速度值。系統(tǒng)總程序流程如下列圖所示開始開始中斷0還是中斷1輸入？定時(shí)器T0還是T1輸入？系統(tǒng)初始化反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)加速控制減速控制速度計(jì)算正轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示控制T0有效T1有效都無效中斷1輸入中斷0輸入都無效主程序流程圖5.7源程序代碼#include"AT89X51.h"intdelay();voidinti_lcd();voidshow_lcd(int);voidcmd_wr();voidShowState();voidclock(unsignedintDelay);voidDoSpeed();//計(jì)算速度//正轉(zhuǎn)值#defineRIGHT_RUN1//反轉(zhuǎn)值#defineLEFT_RUN0sbitRS=0xA0;sbitRW=0xA1;sbitE=0xA2;charSpeedChar[]="SPEED(n/min):";charStateChar[]="RUNSTATE:";charSTATE_CW[]="CW";charSTATE_CCW[]="CCW";charSPEED[3]="050";unsignedintRunSpeed=50; 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