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基于单片机的步进电机的数控系统-毕业论文.doc
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基于单片机的步进电机的数控系统-毕业论文.doc
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烟台大学毕业论文(设计)
I
基于单片机的步进电机的数控系统
[摘要]:
很多工业控制设备对位移和角度的控制精度要求较高,一般电机很难实现,而步进电
机可精确实现所设定的角度和转数。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的转速向某一方向产生一定的转动角度。
而步进电机具有控制简便、定位准确等特点。随着科学技术的发展,在许多领域将得到广泛
的应用。本设计采用专门的集成电路构成的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。由此集成电路构成的数控系统通过简单的编程就可以
任意设定步进电机的转速、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
步进电机程序控制的硬件接口电路、程序流程图和汇编程序。
关键字:单片机;步进电机;数控系统
烟台大学毕业论文(设计)
II
[abstract]:
Many industrial control equipment to control the displacement and angle of higher
accuracy, it is difficult to achieve the general motor, and stepper motor can be
set to achieve the precise angle and rotation. This design is the use of 51
single-chip 4-phase stepper motor control system. Generated by the single-chip
drive pulse signal to control the stepper motor speed to a certain direction to
a certain degree of rotation angle. And stepper motor control is simple, accurate
positioning. With the development of science and technology in many fields will
be a wide range of applications. The design of integrated circuits consisting
of a dedicated stepper motor driver control system. This system has a simple
structure, high cost, small size, simple software development. This integrated
circuit consisting of CNC programming through simple on the stepper motor can set
the speed, rotation angle, rotation frequency and control motor running. On this
basis a stepper motor control circuit of the hardware interface, the program flow
chart and the assembler
Keywords: Single-chip microcontroller; stepping motor; numerical control
system.
烟台大学毕业论文(设计)
III
目录
1 绪论 ...........................................................................................................................................1
1.1 引言 ......................................................................................................................................................................1
1.2 数控技术的基本概念 ..........................................................................................................................................1
1.3 数控系统的组成 ..................................................................................................................................................1
1.4 数控技术的发展趋势 ..........................................................................................................................................2
2 课题分析及整体方案的确定 ...................................................................................................4
2.1 课题设计内容及要求..........................................................................................................................................4
2.2 课题分析及系统特点分析..................................................................................................................................4
2.3 系统总体方案的确定..........................................................................................................................................4
3 模块电路分析与设计 ...............................................................................................................5
3.1 电源模块电路分析与设计..................................................................................................................................5
3.1.1 电源模块电路的分析..................................................................................................................................5
3.1.2 电源模块电路的设计...................................................................................................................................6
3.2 控制模块电路分析与设计................................................................................................................................12
3.2.1 控制模块电路分析..................................................................................................................................12
3.2.2 部分硬件简介..........................................................................................................................................12
3.3 驱动模块分析及其设计...................................................................................................................................32
3.3.1 步进电动机的原理.....................................................................................................................................32
3.3.2 步进电机的驱动........................................................................................................................................35
4 数控机床软件控制 .................................................................................................................37
4.1 步进电机的运动控制........................................................................................................................................37
4.2 步进电机插补程序设计 ....................................................................................................................................38
总结 ...............................................................................................................................................44
致谢 ...............................................................................................................................................45
参考文献 .......................................................................................................................................46
烟台大学毕业论文(设计)
1
1 绪论
1.1 引言
在工业控制系统中, 通常要控制机械部件的平移和转动, 对位移和角度的控制要求较
高, 一般电机很难实现对位置和角度的精确控制, 而步进电机可精确实现所设定的角度和
转数, 具有良好的步进特性, 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的
应用。在工业被控设备对位移和角度控制要求较高的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
步进电机的最佳控制单元, 所以基于单片机控制的步进电机系统控制精度高、运行稳定,
在控制领域有着广泛的应用。
1.2 数控技术的基本概念
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
程进行控制的一种方法。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(Computer NumericalContr01,CNC)。
为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制,必须具备相应的硬件和软件。用来
实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统(Numer5calContr01System),数控
系统的核心是数控装置(NMmericalContr011er)。由于数控系统、数控装置的英文缩写亦
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的实体,还可以代表一
种具体的控制装置——数控装置。
采用数控技术进行控制的机床,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的典型机电一体化产品,是现
代制造技术的基础。
1.3 数控系统的组成
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的意图进行
工作,这就必须在操作者与设备间建立某种联系,对这种联系的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的全部操作信息,它是数控系统用来指挥和控制
设备进行加工运动的唯一指令信息。
2.输入装置
输入装置的作用是将控制介质上的程序代码变成相应的电脉冲信号,传送并存入数控
装置中。根据不同的控制介质,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的内容通过数控装置上的键
烟台大学毕业论文(设计)
2
盘直接输入给数控装置,称为 MDI 方式。有的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的核心,它接受输入装置送来的脉冲信号,经过数控装置的控制
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的动作。这些指令主要是经插补运算决定的各坐标轴的进给速度、
进给方向和位移量;主运动部件的变速、换向和启停信号;选择和交换刀具的指令信号;
切削液的开停信号;工件的松夹、分度工作台的转位等辅助指令信号。
介于数控装置与被控设备之间的强电控制装置,主要作用是接收数控装置输出的主运
动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号,经过必要的编译、逻辑判断和功率放
大后,直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件等,完成指令所规定的各种动作。
4.伺服系统
伺服系统包括伺服驱动电路和伺服驱动元件,它们与执行部件上的机械部件组成数控
设备的进给系统。其作用是把数控装置发来的速度和位移指令(脉冲信号)转换成执行部件
的进给速度、方向和位移。每个执行进给运动的部件,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的位移量,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的速度和精度进行计算并发出很小的脉冲信号,关键在
于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行,所以整个系统的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的微弱电信号(5V 左右,毫安级)
放大成强电的驱动电信号(几十至上百伏,安培级)去驱动执行元件——伺服电动机。
伺服系统的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的变化转换成电动机输出铀的角速度和角位移的变化,
从而带动执行部件作进给运动。
5.执行部件
数控系统的执行部件是加工运动的实际执行部件,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,存放刀具的刀架、刀库及交换刀具的自动换刀机构等。执行部件应有足够
的刚度和抗振性,还要有足够的精度,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的实际位移、速度及当前的环境(如温度、振动、摩擦和切
削力等因素的变化)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
运动与指令运动的误差,并发出误差指令,纠正所产生的误差。测量反馈装置的引入,有
效地改善了系统的动态特性,大大提高了零件的加工精度。
1.4 数控技术的发展趋势
随着微电子技术、计算机技术、精密制造技术及检测技术的发展,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的不断提高又从另一方面促进了
数控机床的发展,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
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