机电传动单向数控平台(矿大)综述

1、机电传动单向数控平台设计专业：机械工程及自动化班级：机自09姓名：董一学号：0309指导老师：董小龙2011年11月22日-41 -目录1 .摘要32 .设计任务42.1 设计任务介绍及意义 42.2 设计任务明细52.3 设计的基本要求53 .总体设计方案64 .机械传动系统设计 84.1 导轨的选择84.2 滚珠丝杠的选择及校核84.3 步进电机的选择134.4 联轴器的选用174.5 键的校核174.6 滚动轴承的选用及校核 175 .电气控制系统设计 195.1 设计的基本原则195.2 步进电机原理、控制技术及其特点 195.3 元器件介绍215.4 方案论证265.5 硬件设计 2

2、75.6 软件设计295.7 源程序代码316 .结束语357 .参考文献35摘要本设计数控工作台，由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步 进电机等部件构成。其中步进电机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动 滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在单方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠 螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取 即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机。二设计任务2.1 设计任务介绍及意义课程设计题目机电传动单向数控平台设计主要设计内容（1）机械传动结构设计（2）电气控制系统课程设计意义：培养学生综合运用所学的基

3、础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作。培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以 及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的 训练。树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。2.2 设计任务明细：机电传动单向数控平台设计：1.21 电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机；1.22 机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等;1.23 电气控制方式：单片微机控制、PLC控制；1.24 功能控制要求：速度控制、位置控制；单向工作行程 移动负载质量 负载移动阻力1.25

4、 主要设计参数：1800、1500、1200 mm100、50 kg ;100、50 N;移动速度控制3、6 m/min ；2.3 设计的基本要求方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系 统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行 分析和评价，进行方案选优。总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体 设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（ A1一张）。电气控制线路图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制电路原理 图（A2图一张）。成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的

5、设计图纸 上，完成课程设计说明书一份，不少于 30页，设计图纸不少于两张。绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书。三总体方案设计3.1 设计基本依据步进电机又称脉冲电机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。每当 输入一个电脉冲时，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与 输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。只要控制输入电脉冲的 数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电动机具 有以下特点：1、工作状态不易受各种干扰因素（如电压波动、电流大小与波形变化、温度等）的影响; 2、步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现

6、累积误差，但转子 转过一转以后，其累积误差变为“零”；3、由于可以直接用数字信号控制，与微机接口比较容易；4、控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”；5、不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制；6、缺点是能量效率较低。滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动， 或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这 是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑 动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动

7、转换 成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的 特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3 o2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别 是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行

8、现象，能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压，由于予压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强 ）。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。可编程序控制器PLC可靠性高、抗干扰能力强，能抗诸如电噪声、电源波动、振动、 电磁干扰等的干扰，能抗1000M 1 s脉冲的干扰，能在高温、高湿以及空气中存有各 种各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作，PLC能够承受电网电压的变化，即使在电源瞬时断电的情况下，仍可以正常工作。另外PLC是通过软件实现控制

9、的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可以采用相同的硬 件配置。PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信。而且PLC体积小、能耗低、便于机电一体化。通过 PLC可以实现对步进电动机的控制，实际上控制时电动机 的转动受脉冲控制。利用 PLC产生高速脉冲用，调节脉冲频率，从而实现步进电动机 启动加速、包速运行、减速停止过程。本次设计设计了启动、停止、设置行程等按钮。还采用了步进电动机的专门控制芯片 PMM8713利用单片机定时中断的方法输出脉冲给 PMM871芯片，通过PMM871芯片和 功率放大器把脉冲分配给步进电动机，驱动电动机的运行。再通过带动滚珠丝杠带动

10、滑动平台做直线运动，对于位置控制，在平台始末两端安装2个行程开关，当到达始末2端时使步进电动机自动的方向旋转，使平台方向运行。同时还增加了平台行程的 设置功能，当需要改变平台的行程，通过扩展的键盘就可以实现。本次设计的总体工作原理如下图所示：3.2 总体方案确定，参数初设如下：电机驱动方式：步进电机机械传动方式：滚珠丝杠电气控制方式：PLC控制功能控制要求：速度控制主要设计参数：单向最大工作行程一一1800mm工作台重量20kg移动负载质量50kg;负载移动阻力一一50N;移动速度控制一一6m/min选用矩形导轨；工作台滑动摩擦系数0.15；四机械传动系统设计姓名计算及说明结果1.导轨的选择已

11、知条件本设计选择滚动丝杆，已知：单向工作行程1800mm移动速度6m/min负裁质重：50kg采用2根导轨、4个滑块，工作平台和滑块的质量假设为 20kg.寿命要求：每天开机8h, 一年按300个工作日，寿命8 年以上初选燕尾型、矩形组合滑动导轨计算及说明结果2.滚珠丝杆的选择及校核2.1 根据机器的工作条件及完成的功能，滚珠螺母的循环方式 和预紧方式滚珠螺母的循环方式为内循环预紧方式为双螺母垫片预紧导轨的摩擦力为：F = (mi m2)gmi工作台的质量 取mi =20kgm2移动负我的质重 m2 =50kg导轨的摩擦系数取=0.15Fu u(mi m2)g 0.15(20 50) 10 1

12、05N2.2 初选丝杆导程根据公称直径范围选择ph =5mm2.3 计算滚珠丝杆的动载荷动载他公式为：Ca 3/T fH fw PmaxFa 滚珠丝杆副轴向载荷 Fa=105+50=155NPmax Fm 105 50 155NL 滚珠丝杠的寿命系数(单位为1 106转)，L 60nT/106其中T为使用寿命时间，取15000h;m1 =20kgm2 =50kg=0.15F =105Nph =5mmFa=155NPmax 155Nfw 载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.01.2,中等 冲击时为1.21.5,较大冲击或振动时为 1.52.5）,此时取 fw 1.2 ;fH 硬度系数（HRC大于或等

13、于58时为1.0,等于 55 时为 1.11, 52.5 时为 1.35, 50 时为 1.56,45 时为 2.40）,此 时取储=1.0;一 ，一.v 6n 运行转速n 1200r/minph 0.005Ca 3 L fH fwPmax 2836.9N2.3初选滚珠丝杠副的型号和有关参数根据上面所计算的数据，选取的滚珠丝杆的基本额定 动载荷要大于计算出来的动载荷。初选型号为FFZD2505型内循环浮动返向器双螺母垫 片预紧滚珠丝杆副其主要参数：额定动载荷为Ca=11KN额定静载荷为C0a 27KN公称直径d0 25mm 导程ph =5mm 钢球直径Dw 3.5mm预紧力计算Fo c0 10

14、000 1000NT 15000hfW 1.2fH =1.0n 1200r/min_ ，Ca 2836.9NCa =11KNCoa 27KNd0 25mmph =5mmDW 3.5mmF0 1000N10102.4 丝杆螺纹部分长度lulu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程=1800+86+40=1926mm轴承的支撑跑离l应大于螺纹部分的长度取支撑距离l=2000mm2.5 丝杆稳定性验算根据工作环境选择两端采用角接触轴承固定的工作方 式，则丝杆不发生失稳的最大工作载荷为：Lfk 2EIFkk 2(N)Kls式中：E材料的拉压弹性模量 钢取E 2.1 1011N/m2；I丝杆轴最小截面惯

15、性矩I d：/64;d0为滚珠丝杆的公称直径d0 25mm ;d2 丝杠小径 d2 d0 DW 25 3.5 21.5mm;Fk实际承受载荷的能力；fk压杆稳定的支撑系数(双推一双推时为 4,单推一 单推时为1,双推一简支时为2,双推自由式时为0、25),此 时取fk 1 ;K压杆稳定安全系数(一般去2.54),垂直安装时取 小值，止匕时取K 3。2_2_112F fk 2EI 1 3.142 2.1 1011 3.14 (21.5)2 391 106HF kq33.9 1 10 1 NKls23 20002 64Fk Fmax符合压杆稳定性要求。2.6 为了不发生共振，需校核临界转速不发生共

16、振最高转速成为临界转速，ncr表示r 9910fdt(ul)2fc丝杆的临界转速系数 取fc 4.730;lu =1926mml =2000mm_112E 2.1 10N/m2d0 25mmDW 3.5mmd2 21.5mmfk 1K 3ls 2000mmFk 3.91 106NFk Fmax符合要求l临界转速计算距离 l 2000mmu长度系数 u 0.5ncr 9910 fcd23635.1r/min(ul)nmax ncr能够达到不共振要求。此外滚珠丝杆还应满足发热条件dn 70000mm(r / min)dn 20 1200 24000dn 24000 dn 70000mm(r / m

17、in)综上，滚珠丝杆满足压缩失稳、共振、发热的条件2.7滚珠丝杆副的系统刚度轴向载荷F产生的轴向变形量f ,丝杠采用两端固定的方式FaLj(L Lj)EAL式中:Lj丝杠两支撑间的距离(mrm;L 丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支承端的距离;E 丝杠材料的弹性模量，钢材的 E 2.1 105 (Mp;A丝杠的计算截面面积A(do Dw)2/4(mm);转矩T产生的轴向变形量TTLjPh2 GIPh丝杠的螺纹导程;Ip丝杠计算截面的极惯性矩：Ip(do Dw)4/32f2 4.730ncr 3635.1r /min符合要求d0n 24000丝杆满足使用要求F 7.122 10L =1800

18、mmL=2000mm_5_E 2.1 105Mp2A 363mmt 2.53 104ph =5Ip 2.1 104 pG 丝杠材料的切变模量，钢材的G 8.3 104 ;T螺旋传动的转矩T Fdotan(t)/2；G 8.3 104滚珠丝杠副的当量摩擦系数:fT0.003: 0.01,当量摩擦角T=465N / mm22t 10 : 34 ;轴向载荷F使钢球与螺旋滚道间产生的轴向变形量因为Dw0.52 ,而且有预紧，所以3.97 10 43.5a 0.3 10 3KzFZ(DwFp)1/3式中Z 69Kz 1.31.36 10 3mm5K 2.36 10K k满足刚度条件K 0.940可选用Z

19、 工作螺母中的钢球总数Z mjkmdo/(Dw cos )Fp预紧力，一般取Fp Fmax/3Kz载荷分布不均匀系数，一般取 Kz 1.2: 1.3轴向总变形量：F T a丝杠的轴向刚度：K -(N/mm)K 丝杠允许的轴向刚度 K (18: 20) 1042.8效率验算滚珠丝杠副的传动效率K为K tantan(3.64 )0.940tan( )tan(3.640.23 )K要求在90395戒问，所以该丝杠副合格。经过上述计算验证，所选型号规格滚珠丝杠各项性能均符 合题目要求，可选用。3步进电动机的选择3.1 脉冲当量的选择选择步进电动机时，考虑是否有现成的与其配套的驱动 器，目前我国市场有反

20、应式和混合式两种， 在本设计中初选三 相六拍运行方式。初选电动机型号时步距角 b与传动比i应满足bL0，取步距0.1mm360i角为0.9 ,为了使结构简单，提高精度，这里取i 1。0.9 51 3600.01250.13.2 等效负载转矩计算工作室负载转矩TlFm Ph2 iFm负载总的合力TlFmPh155 52 3.14 0.9 10.137 N mTl 0.137N m3.3 等效转动惯量(1)滚珠丝杠转动惯量Jsdol323.14 7.8 103 0.0254 232一一 _ 5259.8 10 5 kg m2(2)工作台等效到电机输出轴上Jw m(Ph) (50 20) ( 0.0

21、05 )24.44 10 5N m222 3.14(3)联轴器的转动惯量根据滚珠螺杆和电动机输出轴的直径，选择 YLD1联轴 器，其转动惯量为JL 18 10 5N m2因此，换算到电动机轴上的转动惯量：Jt Js Jw J,59.8 4.44 18 81.24 10 5kg m2t S W L3.4初选电动机型号JsJwJLJt59.8 10 5kg m2524.44 10 5N m218 10 5N m25281.24 10 5kg m2已知负载转矩Tl 0.25N m等效转动惯量Jt 81.24 10 5kg m2初选电动机型号为110BYG450,四相步进电动机，具最大静转矩为Tmax

22、 7.1N mTmaxJm 757.1N m10 5kg m2转子的转动惯量为Jm 75 10 5kg m2iTl0.137由此 L0.0193 0.5Tmax7.1Jt Jm3.5矩频特性81.24 1.08 475符合要求步进电动机的空载启动转矩应该大于步进电动机名义起动转矩，即Mkq Mmq M j max步进电机所需的起动转矩Mkq Mka Mkf MoMka空在启动运动部件由静止升速到最大速度所需转M kf空载时折算到电机轴的摩擦力矩 kfM 0由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩(1)加速力矩 Mka2 nmax 2M kaJtJt1060tJt各部件折算到电机轴总转动惯量Jt

23、 8.73 10 4kg m2t为静止部件有静止加速到最大速度 取t 1sMka 0.3Ngm(2)空载摩擦力矩MkfJt 8.73Mka10 4 kg m20.3NgmGf Lokf运动部件的总重力G=1470N导轨的摩擦系数f =0.15传动的总效率0.7Lo滚珠丝杠的基本导程Lo1800mm齿轮传动降速比i 1G 1470Nf 0.150.7L0 1800mmi 1Mkf 90.29N mMkfGf L01470 0.15 1.82 i 20.7 190.29N m(3)附加摩擦力矩M0FkjL02、M 02 i (10 )Fkj 预紧力Fkj 1000N0未预紧时的效率0 0.9110

24、00 1.522M0(1 0.91 ) 58.65 10 Ngm20.7 1则需总转矩为 _2_Mkq (30 90.29 58.65) 102 1.79N m名义启动转矩MmqMmq M jmax 0.5 7.84 3.92NgmMkq 1.79 M mq 3.92所以最大静转矩符合启动要求。3.6启动矩频特性校核上面的计算仅仅是检查电机的最大静转矩是否满足要求， 但不能保证电机在快速启动时不失步，需要对启动矩频特性进 行校核。由于突跳启动过程极短，加速度力矩很大，启动时丢 步是不可避免的。因此，突跳启动很少使用。这里我们使用升Fkj 1000N0 0.91M0 58.65102NgmMkq

25、 1.79N mMmq 3.92Ngm速启动方式。如图所小：根据空载启动力矩Mkq查手册，找到对应的允许启动频率约 fkj 1500H最大频率：fmax等吧60 p为了使fkj fykj ,所以启动矩频特性满足要求，我们将分二个阶段启动，每个阶段的启动频率仅为最高启动频率的1/2，即2381Hz3.7运行矩频特性校核(1)快速进给运行矩频特性校核快进时的最局运行频率：r1000Vmaxfmax“4762Hz60 p快速进给时已经不存在加速力矩项 Mka ,并且一般快速进给时处于空载状态，快速进给时步进电机运行所需力矩：Mkj Mo Mkf其中：M。、Mkf分别与上面的M。、Mkf相同查运行矩频

26、特性曲线，得fkj fyMkj Mykj(2)工进运行矩频特性校核工进时，步进电机的运行频率：1000vGfGJcc60 P工进时步进电机运行所需力矩：Mgj Mo Mf Mt其中：Mo、Mf分别与上面的Mo、Mkf相同。M t L0； N gcmfmax 4762Hzfmax 4762HzMkf 90.29N mM0 58.65102NgmMgj M yGj，运行矩频特性满足Tnnp dIolJl10Ngm13000r/min11mm54mm54mm4218 10 4Ngm2键的强度较合，验算其挤压强度,查表得其许用压应力p：dhlp键的工作长度l L b 20 44 20016mm,则16

27、mm20.625N / mm2F 20 4 1620.625N / mm查运行矩频特性曲线，得 MgJ MyGJ,运行矩频特性满足。故 选用110BGY450满足要求。4联轴器的选用根据步进电动机输出轴的直径和滚珠丝杠的直径，选 用YLD1式凸缘联轴器。其公称转矩Tn 10Ngm许用转速np 13000r/min轴孔直径d 11mm轴孔长度lo 54mm螺栓数量3个，采用M6螺栓Y 型 l0 54mm转动惯量JL 18 104Ngm25键的校核5.1 连接步进电动机与联轴器上键的校核选A型普通平键，d=11mm查表 GB/T1095-2003选键：b=4mm,h=4mm,L=20mmF 符合要

28、求;5.2 连接联轴器和滚珠丝杆键校核链接联轴器和滚珠丝杆上的键与链接电机输出轴与联轴器的键采用相同的键，对于同样的负载转矩同样能够达到25设计要求。6滚动轴承的选用与校核根据工作情况以及滚珠丝杠的受力，初选轴承为角接触球轴承，其 25 ,型号为7002AC基本额定载荷为C0 5.95KNC0r3.25KN受力情况如下图：SIFr I F.52f7一6个用个明Fr为径向外载荷Fr 1470NFa为轴向外载荷Fa 270.5N，一 ，一.F 1470轴承支反力R R2r735N22轴承派生轴向力 S| S2 0.7R 0.7 735 514.5N轴承所受轴向载荷$ Fa 则 A S2 Fa 51

29、4.5 270.5 785NA 514.5N计算轴承当量动载荷，工作在中等冲击载荷系数Fp 1.5AR17857351.07 e 0.68查表 x 0.41, y 0.87A2R2514.57350.7e 0.68查表 x 0.41, y 0.87计算当量动载荷C0CFrFaRS1AAFpxx5.95KN3.25KN1470N270.5NR2 735NS2 514.5N785NS 514.5N1.50.41, y 0.870.41, y 0.87Pfp(xR yA2) 1.5 (0.41 735 0.87 514.5) 1123.4NP2fp(xR2 yAi) 1.5 (0.41 735 0.

30、87 785) 1476.5N计算轴承的寿命因为P2P故按巳进行校核取温度系数ft1故Ln10660n(ftC106(1 32500) 148120 h60 1200 1476.5寿命指数对于球轴承 3因为Ln 15000h 所以轴承符合要求 符合要求7002AC角接触轴承基本尺寸内圈直径 d 15mm外圈直径D 32mm轴承宽度 B 9mm轴承质量W 0.028 kg静载荷 C0 5.95KNP 1123.4NP2 1476.5Nft 1Ln 148120 h符合要求d 15mmD 32mmB 9mmW 0.028kgC0 5.95KNC0r 3.25KN动载荷 C0r 3.25KN五电气控

31、制系统设计5.1设计的基本原则在电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则：1）最大限度满足机床和工艺对电气控制的要求；2）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济和实用，不宜盲目追求 自动化和高性能指标；3）妥善处理机械与电气的关系。很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控 制要求的，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面协调 处理好二者的关系；4）把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。5）合理的选用电器元件。5.2步进电机原理、控制技术及其特点由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使

32、用专业设一一步进电机控制驱动器，典型步进电机控制 系统的控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为 环形分配器提供脉冲序列，环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一 定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输入端，以驱 动步进电机的转动，环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现 环形分配器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器， 通常称硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达 到驱动步进电机的目的，步进电机的基本控制包括转向控制和速度控制两个方面。从 结构上看，步进电机

33、分为三相单三拍、三相双三拍和三相六拍3种，其基本原理如下：(1)换相顺序的控制通电换相这一过程称为脉冲分配。例如，三相步进电机在单三拍的工作方式 下， 其各相通电顺序为A-B-C-A,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制A、B、 C相的通断。三相双三拍的通电顺序为 AB-B8CZAB,三相六拍的通电顺序为 A- AB- B- BG- C CAr A。(2)步进电机的换向控制如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。若步进电机的励磁方式为 三相 六拍，即AAB- B- BGC- GZ A。如果按反序通电换相，A- AC C CB B- BZA, 则电机就反转。其他方式情况类似。(3)步进

34、电机的速度控制如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一 步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整送给步进电机的脉冲频率，就可以对步进电机进行调试。(4)步进电机的起停控制步进电机由于其电气特性，运转时会有步进感。为了使电机转动平滑，减小 振动, 可在步进电机控制脉冲的上升沿和下降沿采用细分的梯形波， 可以减小步进电机的步 进角，跳过电机运行的平稳性。在步进电机停转时，为了防止因惯性 而使电机轴产生 顺滑，则需采用合适的锁定波形，产生锁定磁力矩，锁定步进电 机的转轴，使步进电 机转轴不能自由转动。(5)步进电机的加减速控制在步进电机的控制系统中，通过实验发现，

35、如果信号变化太快，步进电机由于惯 性跟不上电信号的变化，这时就会产生堵转和失步现象。所有步进电机在启动时，必 须有加速过程，在停止时波形有减速过程。理想的加速曲线一般为指数曲线，步进电 机整个降速过程频率变化规律是整个加速过程频率变化规律的逆过程。选定的曲线比 较符合步进电机升降过程的运行规律，能充分利用步进电机的有效转矩，快速响应性 好，缩短了升降速的时间，并可防止失步和过冲现象。在一个实际的控制系统中，要 根据负载的情况来选择步进电机。步进电机能响应而不失步的最高步进频率称为“启 动频率”，于此类似“停止频率”是指系统控制信号突然关断，步进电机不冲过目标 位置的最高步进频率。电机的启动频率

36、、停止频率和输出转矩都要和负载的转动惯量 相适应，有了这些数据，才能有效地对电机进行加减速控制。加速过程有突然施加的 脉冲启动频率f0。步进电机的最高启动频率（突跳频率）一般为 0.1KHz到34KHz, 而最高运行频率则可以达到N*102KHz以超过最高启动频率的频率直接启动，会产生 堵转和失步的现象。（6）步进电机的换向控制步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内在换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求具有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反

37、向切换实质包含了降速换向f加速3个过程。步进电机有如下特点： 步进电机的角位移与输入脉冲数严格成正比， 因此当它转一转后，没有累计误 差，具有良好的跟随性。 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常方便、廉价，也非常可 靠。同时，它也可以有角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得很大的转矩，因此 一般可以不用减速器而直接驱动负载。 步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接用交流电源或直流电 源。 步进电机自身的噪声和振动比较大，带惯性负载的能力强。5.3元器件介绍（1）步进电机步进电

38、机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是：它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉 冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机分三种：永磁式（ PM ,反 应式（VR）和混合式（HB）,步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种 能够快速启动，反转和制动的执行元件。其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直 线位移，由于开环下就能实现 精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。 步进电机的运转是由电 脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成

39、正比，每 个一个脉冲，步进 电机就转动一个角度(不距角)或前进、倒退一步。步进电机旋转 的角度由输入 的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字 /角度转换器。四相步进电机的工作原理该设计采用了 20BY-0型步进电机，该电机为四相步进电机，采用单极性直 流电 源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。当某一相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如 果定子和转子 的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小 路径的特点，则转 子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。步进电机的静态指标及术语

40、相数：产生不同队N、S磁场的激磁线圈对数，常用 m表示。拍数：完成一个磁场 周期性变化所需脉冲用n表示，或指电机转过一个齿距 角所需脉冲数，以四相电机为 例，有四相四拍运行方式即 ABB8CDHDQAB,四相八拍运行方式即A-ABB-BC C CtD D- DA Ao步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用8表示。50齿角电机为例，四相运行时步距角为：9 =360 度 / ( 50*4 ) =1.8 度；八拍运行时步距角为：9 =360 度 / (50*8) =0.9 度。定位转矩：电机在不通电的状态下，电机转子自身的锁定力矩(由磁场齿形的谐 波以及机械误差造成的)。静转矩：电机在额定

41、静态作业下，电机不做旋转运动时，电机转轴的锁定 力矩。 此力矩是衡量电机体积的标准， 与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然 静态转矩与电磁 激磁匝数成正比，与定子和转子间的气隙有关。 但过分采用 减小气隙，增加励磁匝数 来提高静转矩是不可取的，这样会造成电机的发热 及机械噪音。四相步进电机的脉冲分配规律目前，对步进电机的控制主要有分散器件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成芯片环形脉冲分配器等。本设计利用单片机进行控制，主要是利用软件进行环形脉冲分配。四相步进电机的工作方式为四相单四拍，双四拍和四相八拍工作的方式。各种工作方式在电源通电时的时序与波形分别如图1 a、b、c所示。本设

42、计的电机工作方式为四相单四拍，根据步进电机的工作的时序和波形图，总结出其工作方式为四相单四拍时的脉冲分配规律，四相双四拍的脉冲分配规律，在每一种工作方式中，脉冲的频率越高，其转速就越快，但脉冲频率高到一定程度，步进电机跟不上频率的变化后电机会出现失步现象， 所以脉冲 频率一定要控制在步进电机允许 的范围内。(2) 89C51单片机Atmel公司生产的89C51单片机是一种低功耗/低电压高性能的8位单片机，它 采用CMOS和高密度非易失性存储技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51兼 容；片内的Flash ROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程 器来编程，内 部除CPU外，还包

43、括256字节RAM 4个8位并行I/O 口，5个中 断源，2个中 断优先级，2个16位可编程定时计数器，89C5惮片机是一种功能强、 灵活性高且价格 合理的单片机，完全满足本系统设计需要。(3) L297 介绍L297是意大利SG洋导体公司生产的步进电机专用控制器， 它能产生4相控制信号， 可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八 拍方式控制步进电机。芯片内的PWM波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电 机绕组中的电流。该集成电路采用了 SG/司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS集电极开路的晶体管兼容。L2

44、97的芯片引脚RE RETIQLF 1 尸OW f CCVYowes.曰 IM SL L297芯片引脚图Vr特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，具引脚见图1,内部方框见图匚 E E 匚 匚 匚 匚 匚L297各引脚功能说明：1脚(SYNG)斩波器输出端。如多个297同步控制，所有的SYN端都要连在一起， 共用一套振荡元件。如果使用外部时钟源，则时钟信号接到此引脚上。2脚(GND)-接地端。3脚(HOME-一集电极开路输出端。当 L297在初始状态(ABCD=0101时，此端有指 示。当此引脚有效时，晶体管开路。4脚(A)仰目驱动信号。5脚(INH1)控制琳目和计目的驱动极。当此引脚为低电平时

45、， 仰目、B相驱动控制被禁止；当线圈级断电时，双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。若CONTROL输入是低电平时，用斩波器调节负载电流。6脚(B)讲目驱动信号。7脚(C) Cf驱动信号。8脚(INH2)控制)目和Df的驱动级。作用同INH1相同。9脚(D)万目驱动信号。10脚(ENABLE)-L297的使能输入端。当它为低电平时，INH1, INH2, A, B, C DTE为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。11脚(CONTRO斩波器功能控制端。低电平时使INH1和INH2起作用，高电平时 使A, B, C,匚起作用。12脚(Vcc) +5Vfe源输入端。13脚(SENS2)- Cf

46、fi、Df绕组电流检测电压反馈输入端。14脚(SENS1)-仰目、计目绕组电流检测电压反馈输入端。15脚(Vref )斩波器基准电压输入端。加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。16脚(OSC)斩波器频率输入端。一个RM络接至此引角以决定斩波器频率，在 多个L297同步工作时其中一个接到RM络，其余的此引角接地，各个器件的脚I (SYNC) 应连接到一起这样可杂波的引入问题如图 5所示。17脚(CW/CCW7方向控制端。步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。当 改变此引脚 的电平状态时，步进电机反向旋转。18脚(CLOCK)-一步进时钟输入端。该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增 量，该

47、步进是在信号 的上升沿产生。19脚(HALF/FULL)半步、全步方式 选择端。此引脚输入高电平时为半步方式 (四相八拍)，低电平时为全步方式。如选择全步方式时变换器在奇数状态，会得到单 相工作方式(单四拍)。20脚(RESET)复位输入端。此引脚输入负脉冲时，变换器恢复初始状态 (ABCD=0101)INH, 正通颉出电驯CLOCK oHOMElose区 ZABLE OKTROL口福挨暹庠HALF/FULL.cw/ccwL297内部方框电路图A T ITT T在图所示的L297的内部方框图中。变换器是一个重要组成部分。变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成，产生一个基本的八格雷码。由变

48、换器产生4个输出信号送给后面的输出逻辑部分，输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获 得电动机良好的速度和转矩特性，相序信号是通过 2个PWM波器控制电动波器包含有 一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻，如图 4所示，晶片内部的通用振荡器提 供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节，当负载电流提高时检测 电阻上的电压相对提高，当电压达到 Uref时（Uref是根据峰值负载电流而定的），将触 发器重置，切断输出，直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出（即触发器Q俞出）是一恒定速率的PWM号，L297的CONTROL勺输入决定斩波器对相位线 A, B, C,迎抑制 线INH1和

49、INH温作用。CONTROL高电平时，对A, B, C, DW抑制作用；为低电平时， 则对抑制线INH1和INH2W抑制作用，从而可对电动机和转矩进行控制 L297驱动相序的产生 -CLOCKL297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。 3种方式的驱动相序 都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生， 格雷码的顺序直接与四八拍（半 步方式）相符合，只要在脚19输入一高电平即可得到。其波形图如图 5所示。1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 BCD 丽I吗-u_uLTLLJULT-1 innnnirmw四相八拍模式波形图（4） L298 简介L298N为SGS-THOMS

50、ONCroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（Dual Full-Bridge Driver） ,内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的 高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TT皿辑准位信号，可驱动46V、2AW下的 步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用 L297来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。L298N之接脚如图8所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTk

51、OUT2和OUT3OUT4之间分另1接2个步进电机；input1input4 输 入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停。GLFFEr,TSENS.NGeQLTFLT 4丸 T”TNII4FWT 4INPUT 3L-OGIC. J PP LV VOLTAGE V第GkDIhPuT 2EAE.EAIMFUT 1SUPF_V UOL_AG= JrjGUTFLT2OUTPUT iGLI 口Sense AN.C.Out I 0112VsInpti IEnab e UNnput 2GN 口ISfB5 PowerSO20 值!5SenseBN.CQut4OJ13Snacle EInput

52、3USS10GY。CUREMSENSG AL298引脚图5.4 方案论证从该系统的设计要求可知，该系统的输入量为速度和方向，速度应该有增减变化， 通常用加减按钮控制速度，这样只要2根口线，再加上一根方向线盒，一根启动信号线 共需要4根输入线。系统的输出线与步进电机的绕组数有关。 这里选四相步进电机。 该 电机共有四相绕组，工作电压为+5V,可以与单片机共用一个电源。步进电机的四相绕 组控制过程如下：P0.0 口控制L297的方向控制端（CW/CCW P0.1控制步进时钟输入端。使L297t出四相八拍工作所需的适当相序（A,B,C,D四相）。L297的四相卒&出接L298的 IN0-IN4使其OUT0-OUT输出放大后的四相驱动信号，驱动步进电机运行。用 P1 口 的P1.0P1.7控制LM016显示步进电