基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)直線插補(bǔ).doc
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基于51單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)直線插補(bǔ) 目錄 第1章 概述 2 第2章 設(shè)計(jì)內(nèi)容的介紹 3 2.1步進(jìn)電機(jī)原理 3 2.2步進(jìn)電機(jī)的選擇 4 2.3直線插補(bǔ)原理 5 2.4設(shè)計(jì)目標(biāo) 7 第3章 設(shè)計(jì)思路 具體內(nèi)容 7 3.1設(shè)計(jì)思路 7 3.2單片機(jī)及其最小系統(tǒng) 7 3.3 按鍵電路 8 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 9 3.5液晶顯示 9 第四章 程序設(shè)計(jì) 11 第五章 總結(jié) 12 參考文獻(xiàn) 13 附錄 13 摘要 本設(shè)計(jì)為基于51單片機(jī),利用兩個(gè)四相八拍步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限中直線插補(bǔ)的過(guò)程。其中一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)X正負(fù)方向的插補(bǔ),另一個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)代表Y軸正負(fù)方向插補(bǔ)。并對(duì)該插補(bǔ)算法的原理及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了闡述,通過(guò)按鍵啟動(dòng)插補(bǔ)過(guò)程,插補(bǔ)結(jié)束后電機(jī)自動(dòng)停止。通過(guò)LCD1602液晶實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)過(guò)程中插補(bǔ)方向的顯示,最終完成了步進(jìn)電機(jī)的插補(bǔ)過(guò)程。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī) 直線插補(bǔ) 液晶顯示 第1章 概述 數(shù)字控制是近代發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù),利用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床及其加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制,主要用于數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)、焊接機(jī)、氣割機(jī) 以及低速小型數(shù)字繪圖儀等。數(shù)控機(jī)床可以加工形狀復(fù)雜的零件,具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、便于改變加工零件品種等眾多優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。 逐點(diǎn)比較法是數(shù)控機(jī)床在加工曲線時(shí)常用的一種方法,是常用的脈沖增量插補(bǔ)方法。它是以階梯折線來(lái)逼近直線或圓弧等曲線,與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個(gè)脈沖當(dāng)量,當(dāng)脈沖當(dāng)量足夠小時(shí),就可以達(dá)到相當(dāng)高的加工精度。 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中非常重要的工具之一,它是一種將電脈沖信號(hào)變換成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它直接用數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng),使用非常方便。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的指令脈沖后,步進(jìn)電機(jī)會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的工具臺(tái)相連,從而可以驅(qū)動(dòng)刀具對(duì)工件進(jìn)行切割。指令脈沖的數(shù)量決定道具的總移動(dòng)量,指令脈沖的頻率決定道具移動(dòng)速度。這樣,利用步進(jìn)電機(jī)可以很容易的控制操作臺(tái)進(jìn)行工件的加工。 第2章 設(shè)計(jì)內(nèi)容的介紹 2.1步進(jìn)電機(jī)原理 步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng),其功用是將脈沖電信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移。當(dāng)給定一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,也就是步進(jìn)角。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與脈沖數(shù)成正比,我們可以通過(guò)控制給定的脈沖個(gè)數(shù),從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。同樣也可以通過(guò)控制脈沖頻率控制它的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到調(diào)速的目的。 如下所示的步進(jìn)電機(jī)為一四相步進(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)的各相繞組按合適的時(shí)序通電,就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖2-1是該四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。 圖2-1 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖 開始時(shí),開關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊,同時(shí),轉(zhuǎn)子的1、4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。 當(dāng)開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時(shí),由于C相繞組的磁力線和1、4號(hào)齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),1、4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒,2、5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推,A、B、C、D 四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖2-2所示: 圖2-2 步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形圖 2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 在本次課程設(shè)計(jì)中,我們小組選用的是28BYJ48型四相八拍的步進(jìn)電機(jī),供電電壓為DC5V。 該步進(jìn)電機(jī)有四根控制線,對(duì)應(yīng)A-B-C-D,另一根為電源線。四根線排列方式為:A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加控制脈沖時(shí),它可以轉(zhuǎn)動(dòng),四相八拍步進(jìn)電機(jī)給定八個(gè)脈沖時(shí),步進(jìn)電機(jī)才會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一周。由于本電機(jī)采用的時(shí)減速電機(jī),減速比為64:1,所以當(dāng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)64圈后,外部才會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組,通電狀態(tài)改變一次,也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度(一個(gè)步距角)。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行, 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)四相八拍相序表如表1所示: 序號(hào) 四相通電情況 通電情況 1 0 0 0 1 01 H 2 0 0 1 1 03 H 3 0 0 1 0 02 H 4 0 1 1 0 06 H 5 0 1 0 0 04 H 6 1 1 0 0 0C H 7 1 0 0 0 08 H 8 1 0 0 1 09 H 表1 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)相序表 當(dāng)根據(jù)時(shí)序表整列給電時(shí),步進(jìn)電機(jī)會(huì)正轉(zhuǎn),當(dāng)逆著相序表給脈沖時(shí),步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的則反轉(zhuǎn),從而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。 28BYJ48步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示 表2 步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 由表可知,每個(gè)脈沖電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)5.625度,當(dāng)給8個(gè)脈沖后,電機(jī)則轉(zhuǎn)動(dòng)45度,給定64個(gè)脈沖,電機(jī)則轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。由于減速比為64:1,故需要內(nèi)部線圈轉(zhuǎn)動(dòng)64*64=4096圈,外部轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。 2.3逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)法原理 所謂直線插補(bǔ)就是只能用于實(shí)際輪廓是直線的插補(bǔ)方式。當(dāng)?shù)毒呋蚶L圖筆每走一步,都要和給定的軌跡上的坐標(biāo)進(jìn)行比較,看這點(diǎn)是在直線的上方還是下方,或是給定軌跡的里面還是外面,從而決定下一步進(jìn)給的方向。如果在軌跡上方,就往下方走,在下方,就往上方走,從而逐步逼近軌跡。 2.3.1逐點(diǎn)比較法的四個(gè)基本步驟 ①偏差判別:根據(jù)偏差判斷應(yīng)該向哪個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)給; ②坐標(biāo)進(jìn)給:根據(jù)判別結(jié)果,沿相應(yīng)的坐標(biāo)方向進(jìn)給; ③新偏差計(jì)算:根據(jù)偏差函數(shù),計(jì)算進(jìn)給后偏差,作為下次偏差判別的依據(jù); ④終點(diǎn)比較:判斷是否達(dá)到終點(diǎn),若達(dá)到終點(diǎn)則結(jié)束本次插補(bǔ),否則轉(zhuǎn)①繼續(xù)執(zhí)行。 2.3.2四個(gè)象限的直線插補(bǔ) n n 設(shè)A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的四種線型。它們的加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開始,則刀具進(jìn)給方向如圖2-3所示。凡F≥0時(shí),向x方向進(jìn)給,在第 一、四象限向+ x 方向進(jìn)給;在二、三象限,向-x方向進(jìn) 給;凡F<0時(shí),向y方向進(jìn)給,在第一、二象限向+y方向進(jìn) 給;在三、四象限,向-y方向進(jìn)給。不管是哪個(gè)象限,都 采用與第一象限相同的偏差計(jì)算公式,只是式中的終點(diǎn)坐標(biāo)值均取絕對(duì)值。 圖2-3 四個(gè)象限給進(jìn)方向 表3 四象限的進(jìn)給脈沖和偏差計(jì)算 四種線型的偏差計(jì)算公式是相同的,差別在于進(jìn)給方向不同。流程圖中的“沿xe方向走一步”或“沿ye方向走一 步”,因不同線型的xe 、ye位于不同象限,因而實(shí)際的進(jìn) 給方向是不相同的。因此,對(duì)任一直線在插補(bǔ)前,應(yīng)根據(jù) xe 、 ye的符號(hào)判斷該線型屬于哪一象限。 2.4設(shè)計(jì)目標(biāo) 利用四相八拍步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限的直線插補(bǔ),使用兩個(gè)四相八拍步進(jìn)電機(jī),一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)X正方向正轉(zhuǎn),負(fù)方向反轉(zhuǎn),另一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)y正方向正轉(zhuǎn),負(fù)方向反轉(zhuǎn)。當(dāng)按鍵按下啟動(dòng)插補(bǔ)后,液晶顯示屏每一步插補(bǔ)進(jìn)給的方向。 第3章 設(shè)計(jì)思路與具體內(nèi)容 3.1設(shè)計(jì)思路 本系統(tǒng)主要由供電電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)以及液晶顯示屏等幾部分組成。本系統(tǒng)采用兩個(gè)獨(dú)立步進(jìn)電機(jī),一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)X正方向正轉(zhuǎn),負(fù)方向反轉(zhuǎn),另一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)y正方向正轉(zhuǎn),負(fù)方向反轉(zhuǎn)。使用的步進(jìn)電機(jī)為28BYJ48型四相八拍電機(jī),采用獨(dú)立DC5V供電。使用按鍵實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)的啟動(dòng)過(guò)程,液晶顯示插補(bǔ)方向。 總體設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 按鍵啟動(dòng)插補(bǔ) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 液晶顯示 步進(jìn)電機(jī) 圖3.1 總體設(shè)計(jì)框圖 3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)及按鍵部分 51單片機(jī)主要完成對(duì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以及顯示的控制,其中最小系統(tǒng)是單片機(jī)能正常工作的必不可少得一部分。51單片機(jī)是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機(jī),它是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī),且支持在線編程,完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)和復(fù)位電路,晶振,電源部分。最小系統(tǒng)電路如圖所示: 圖3.2 AT89S52單片機(jī) 圖3.3 晶振電路 圖3.4 復(fù)位電路 圖3.5 電源電路 3.3 按鍵電路 按鍵電路實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)過(guò)程的啟動(dòng),其原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 按鍵電路 3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2003A,其硬件電路如圖3.7所示。 圖3.7 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 3.5 液晶顯示電路 使用液晶顯示插補(bǔ)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,其電路圖如圖3.8所示 圖3.8 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 第四章 程序設(shè)計(jì) 根據(jù)單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)以及插補(bǔ)過(guò)程原理,基于51單片機(jī)的C語(yǔ)言軟件功能實(shí)現(xiàn)四個(gè)象限的直線插補(bǔ)過(guò)程?;拒浖O(shè)計(jì)流程如圖4.1所示。該圖按照插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程的4個(gè)步驟:偏差判別,坐標(biāo)進(jìn)給,偏差計(jì)算,終點(diǎn)判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算程序。偏差判別,偏差計(jì)算,終點(diǎn)判別是邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算,容易編寫程序,而坐標(biāo)進(jìn)給是給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送走步脈沖,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或道具移動(dòng)。 圖4.1 程序流程圖 此外,為了反映坐標(biāo)進(jìn)給方向的情況,本設(shè)計(jì)添加了液晶顯示模塊,實(shí)現(xiàn)記錄顯示進(jìn)給過(guò)程。 第五章 心得體會(huì) 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì),我明白了理論學(xué)習(xí)中插補(bǔ)過(guò)程及步進(jìn)電機(jī)工作原理的實(shí)際應(yīng)用,進(jìn)一步加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。從設(shè)計(jì)程序到完成程序,我用了近兩天時(shí)間,在這兩天中,思路在一遍又一遍的更新,程序在一遍又一遍的更改。從之前的第一象限插補(bǔ)改進(jìn)到了四個(gè)象限的插補(bǔ),從單調(diào)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),到按鍵控制啟動(dòng),液晶顯示的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,我遇到許許多多的問(wèn)題,但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考,一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在,也暴露出了前期知識(shí)的欠缺和經(jīng)驗(yàn)的不足。實(shí)踐出真知,通過(guò)親自動(dòng)手制作,使我掌握的知識(shí)不再是紙上談兵,而是學(xué)以致用。 這次課程設(shè)計(jì)是我認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展中的重要地位,使我明白了平時(shí)枯燥的理論學(xué)習(xí)原來(lái)那么重要。通過(guò)實(shí)際動(dòng)手,我深刻感受到理論基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合的重要性,我覺(jué)得平時(shí)的課堂不再那么無(wú)聊,反而給了我學(xué)習(xí)這門課程的積極性,讓我充滿好奇的去慢慢探索它的奧妙。 最重要的是,在本次課程設(shè)計(jì)中,我學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法,而這些都將為日后做準(zhǔn)備,會(huì)使我們終身都受益匪淺。面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn),只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐,再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐,才能在最大程度上發(fā)掘自己,實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)于我們的將來(lái)有莫大的幫助。以后,不管有多苦,我想我們都能變苦為樂(lè),找尋有趣的事情,發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。 參考文獻(xiàn) [1] 丁元杰著.單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2010年1月 [2] 于海生著.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011年9月 附錄 1、作品實(shí)物圖 2、主要程序代碼 #include- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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