懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)尹延輝

1、試題編號(hào)：E題 目： 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)學(xué) 校： 哈爾濱工程大學(xué)姓 名： 尹延輝 姓 名： 于航姓 名： 王船寶摘要和關(guān)鍵詞【摘要】：本系統(tǒng)主要由AT89S52作為主控芯片,來實(shí)現(xiàn)全部的數(shù)學(xué)計(jì)算和程序儲(chǔ)存,并且通過并口來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到在圖板上畫圖的目的,步進(jìn)電機(jī)采用L297作為控制芯片,L298作為功率驅(qū)動(dòng)電路。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)做動(dòng)力,采用步進(jìn)電機(jī)可以省去閉環(huán)控制中的位置傳感器,而且運(yùn)動(dòng)精度有大大的提高,我們采用的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角只有1.8°對于本系統(tǒng)精度已足夠用了,另外我們的設(shè)計(jì)還有許多特點(diǎn),都可以將誤差控制在一定的范圍內(nèi),最后再進(jìn)行修正即可?！娟P(guān)鍵詞】：AT89S52 L29

2、7 L298 步距角 閉環(huán)控制 步進(jìn)電機(jī)Abstract and Key Words【Abstract】：This system mainly makes the AT89S52 as the lord to control the chip, carry out all mathematics calculations and the procedure storage, and pass to combine to control the electrical engineering sport to attain the purpose that draws on the drawing

3、 board, treading into the electrical engineering to adopt the L297 conduct and actions control chip, the L298 is the power to drive the electric circuit.Carry out the organization adoption treads into the electrical engineering to do the motive, adopt to tread into the electrical engineering and can

4、 shut the wreath control is with the province of position spreads the feeling machine, and exercise the accuracy contain huge exaltation, what we adopt tread into the electrical engineering to tread into the Cape to only have 1.8 °s to have already used enough to this system accuracy, another o

5、ur design still have many characteristicses, can control error margin within the scope of certain, the end carry on again to revise.【Key Words】：AT89S52 L297 L298 StepAngle Closed loop control Step Motor目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)-61.1設(shè)計(jì)任務(wù)-61.2技術(shù)指標(biāo)-71.3題目簡評-7第二章方案論證與比較-82.1閉環(huán)控制系統(tǒng)- 82.2開環(huán)控制系統(tǒng)-9第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-103.1系統(tǒng)的

6、總體組成-103.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路-103.3步進(jìn)電機(jī)控制-103.4相位順序的產(chǎn)生-133.5負(fù)載電流的調(diào)節(jié)-143.6相位斬波和禁止斬波-153.7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L398-15-3.8步進(jìn)電機(jī)的基本原理-163.9步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)-17第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-204.1程序流程圖-204.2程序清單-20第五章 系統(tǒng)的組裝-215.1整機(jī)結(jié)構(gòu)圖及工藝說明-21第六章 系統(tǒng)調(diào)試-226.1電路的調(diào)試方案-226.2測試結(jié)果-226.3測試結(jié)論-23參考文獻(xiàn)-24致謝-25附錄一-26附錄二-29附錄三-30第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一電機(jī)控制系統(tǒng)，控制物體在傾斜（

7、仰角100度）的板上運(yùn)動(dòng)。在一白色底板上固定兩個(gè)滑輪，兩只電機(jī)（固定在板上）通過穿過滑輪的吊繩控制一物體在板上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為80cm×100cm。物體的形狀不限，質(zhì)量大于100克。物體上固定有淺色畫筆，以便運(yùn)動(dòng)時(shí)能在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡。板上標(biāo)有間距為1cm的淺色坐標(biāo)線（不同于畫筆顏色），左下角為直角坐標(biāo)原點(diǎn), 示意圖如圖1所示。圖1 電機(jī)控制原理示意圖1.2 技術(shù)指標(biāo)：1.2.1基本要求：l 控制系統(tǒng)能夠通過鍵盤或其他方式任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)；l 控制物體在80cm×100cm的范圍內(nèi)作自行設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡長度不小于100cm，物體在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠在板上畫出運(yùn)動(dòng)軌跡，限300

8、秒內(nèi)完成；l 控制物體作圓心可任意設(shè)定、直徑為50cm的圓周運(yùn)動(dòng)，限300秒內(nèi)完成；l 物體從左下角坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，在150秒內(nèi)到達(dá)設(shè)定的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)(兩點(diǎn)間直線距離不小于40cm)。1.2.2發(fā)揮部分：l 能夠顯示物體中畫筆所在位置的坐標(biāo)；l 控制物體沿板上標(biāo)出的任意曲線運(yùn)動(dòng)(見示意圖)，曲線在測試時(shí)現(xiàn)場標(biāo)出，線寬1.5cm1.8cm，總長度約50cm，顏色為黑色；曲線的前一部分是連續(xù)的，長約30cm；后一部分是兩段總長約20cm的間斷線段，間斷距離不大于1cm；沿連續(xù)曲線運(yùn)動(dòng)限定在200秒內(nèi)完成，沿間斷曲線運(yùn)動(dòng)限定在300秒內(nèi)完成；l 其他。1.3 題目簡評：在各種機(jī)械車床中尤其是數(shù)控車床中，

9、常常會(huì)見到一些坐標(biāo)類的車床,它可以完成在規(guī)定平面內(nèi)任意一點(diǎn)的精確定位,還可以在指定軌跡上精確的運(yùn)動(dòng)。甚至在某些機(jī)械上已經(jīng)發(fā)展成為三維立體坐標(biāo)系,這樣就可以在三維空間內(nèi)任意一點(diǎn)定位了,但是上述這些大部份都是以直角坐標(biāo)系為主。而本題中巧妙的應(yīng)用繩索將平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成為了有兩根長度決定的新的坐標(biāo)系,在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有了新的突破,首先用繩連接的柔性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于用絲杠而且便于架設(shè),其次就是用繩連接的要比絲杠連接的所受到的摩擦力小機(jī)械磨損也會(huì)隨之減小,最后就是結(jié)構(gòu)簡單這點(diǎn)也是最重要的,往往一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)好與壞與其自身的復(fù)雜程度是密切相關(guān)的。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),滑塊的位置完全有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)繩索來

10、移動(dòng)位置,只要算出直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩根繩索的長度變化就可以通過步進(jìn)電機(jī)來控制滑塊的運(yùn)動(dòng)。只要將所需要的計(jì)算交給單片機(jī)即可完成控制全過程,在開環(huán)控制中誤差始終是存在的,各種各樣的誤差積累在一起就形成了一個(gè)不可忽視的問題,為了減小積累誤差在最后的實(shí)驗(yàn)過程中不斷的測量積累誤差,最后取其平均值,用單片機(jī)將這個(gè)誤差減去以便將總的實(shí)驗(yàn)誤差限定在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，使運(yùn)動(dòng)更加精確。第二章 方案論證與比較實(shí)現(xiàn)控制的方法大體分成以下兩種2.1閉環(huán)控制系統(tǒng)這種方案是一種精確度比較高的方案,具體原理是系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,用一些傳感器檢測當(dāng)前滑塊的絕對位置,然后反饋到控制系統(tǒng)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)所需要的信號(hào),交給步進(jìn)電

11、機(jī)執(zhí)行相對的運(yùn)動(dòng),而且在運(yùn)動(dòng)過程中還可以檢測滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡方程,也可以進(jìn)行改進(jìn)來識(shí)別在畫圖區(qū)域內(nèi)的一些曲線段,如此反復(fù)采集數(shù)據(jù)、計(jì)算、執(zhí)行等等,就組成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制必須要有精確的傳感器,而且傳感器的精度和復(fù)雜程度都要求的比較高,否則在運(yùn)動(dòng)過程中很容易產(chǎn)生較大的誤差,滑塊攜帶傳感器,而且傳感器還得和控制系統(tǒng)通信這樣就有引來了更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。（閉環(huán)控制原理如圖2所示）圖2 閉環(huán)控制原理采用閉環(huán)控制的電路可靠性較高，控制由于采用了光電檢測機(jī)構(gòu)，所以在平板上尋跡變的容易些，就是在傳感器的制作方面有些難度！如果在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，對整個(gè)隊(duì)員是個(gè)不小的考驗(yàn)，再有就是滑塊上要裝傳感器的話難免

12、會(huì)遇到一些數(shù)據(jù)傳輸上的問題，數(shù)據(jù)傳輸莫非就有兩種形式，一種是采用有線傳輸協(xié)議，但是有引來了另外一種問題，用電線將滑塊采集到的數(shù)據(jù)傳輸出去，電線直接會(huì)影響到滑塊的整體受力問題。另一種方案就是采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，要是實(shí)施起來也有不小的難度，為此我們采用了下面的方案。2.2開環(huán)控制系統(tǒng) 我們采用的就是開環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)中不需要在滑塊上添加傳感器，在滑塊上攜帶畫圖所用的畫筆即可，此就不需要像在閉環(huán)中有復(fù)雜的傳感器電路。開環(huán)控制中主要是將機(jī)械部分抽象成為數(shù)學(xué)模型,建立數(shù)學(xué)模型后通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算將方程給出，后交給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算,由于單片機(jī)的位數(shù)限定，計(jì)算過程中還要適當(dāng)?shù)娜∩?，利于?shù)學(xué)計(jì)算，

13、后通過實(shí)驗(yàn)的方法測定相應(yīng)的誤差范圍,再次對單片機(jī)內(nèi)的程序進(jìn)行修正，達(dá)到進(jìn)一步校正的目的,此種方案主要是在單片機(jī)軟件編程方面復(fù)雜些，他的硬件部分只要精度在誤差允許情況下都可以正常工作。我們的設(shè)計(jì)就是采用了閉環(huán)控制方案,其優(yōu)點(diǎn)就是硬件電路簡單,可靠性高,所有的數(shù)據(jù)處理都由單片機(jī)完成,并且只要通過讀寄存器中的數(shù)據(jù)在加上單位換算就可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前滑塊所處位置的坐標(biāo),而且所有的數(shù)據(jù)都存在片內(nèi),用的時(shí)候只要調(diào)用即可。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)總體組成:本系統(tǒng)主機(jī)硬件以AT89S52為主控制模塊，以鍵盤,液晶顯示模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為受控模塊。在單片機(jī)內(nèi)集成這各種算法,只要輸入坐標(biāo)就可以到達(dá)預(yù)定的目

14、標(biāo)。3.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路:圖3：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路我們設(shè)計(jì)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用的是:35BYGB4401步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)外形如圖4所示，具體參數(shù)見說明。步距角（Step Angle）-1.8deg環(huán)境溫度（Ambient Temperature）- -25+40溫升（Temperature Rise）- 85K絕緣電阻（Insulation Resistance）- 500V DC 100M MIN絕緣等級(jí)（Insulation Class）- B圖4 步進(jìn)電機(jī)外形3.3步進(jìn)電機(jī)控制芯片L297步進(jìn)電機(jī)控制芯片用L297，L297是意大利SGS公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器。它集中

15、了控制單極和雙極步進(jìn)電機(jī)所需要的全部控制電路。L297與一個(gè)全橋式驅(qū)動(dòng)器，例如L298配合使用，并與單片機(jī)或微機(jī)接口就會(huì)組成一個(gè)完整的微處理機(jī)控制系統(tǒng)。用一個(gè)297外加一個(gè)四達(dá)林頓陣列集成電路就可以驅(qū)動(dòng)單極步進(jìn)電機(jī)。下面主要是介紹這種集成電路的工作原理。L297內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖（圖5） L297系列集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖(5)所示。這兩種集成電路采用了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)的聯(lián)接都是與TTL/COMS或集電極開路的晶體管兼容。高密度是集成電路的制做技術(shù)的主要特點(diǎn)之一，因此L297的管芯是特別緊湊的。集成電路各管腳功能見表一。表一：電機(jī)控制L29

16、7引腳功能管腳符號(hào)功能1SYNC芯片上的斬波器輸出端，如多個(gè)L297同步控制，所有的L297SYNC端要連在一起，僅用一套振蕩元件，其余振蕩元件省掉，如要使用外部時(shí)鐘脈沖源，脈沖源要接到這一端上。2GND接地端3HOME集電極開路輸出端，當(dāng)L297是處于初始狀態(tài)ABCD0101時(shí)，當(dāng)這端信號(hào)是有效時(shí)，晶體管開路4A功率級(jí)的電機(jī)A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)5INH1控制A相和B相的驅(qū)動(dòng)級(jí)，低電平禁止起作用。當(dāng)一個(gè)雙向橋電路采用這個(gè)信號(hào)時(shí)，可使被激磁繞組產(chǎn)生負(fù)載電流快速衰減。如CONTROL輸入端是低電平時(shí)，也可用斬波器調(diào)節(jié)負(fù)載電流6B功率級(jí)的電機(jī)B相驅(qū)動(dòng)信號(hào)7C功率級(jí)的電機(jī)C相驅(qū)動(dòng)信號(hào)8INH2用來控制C相和D

17、相的驅(qū)動(dòng)級(jí)，低電平禁止起作用，功能與INH1相同9D功率級(jí)的電機(jī)D相驅(qū)動(dòng)信號(hào)10ENABLE芯片的使能輸入端，當(dāng)出現(xiàn)低電平時(shí)，INH1,INH2,A,B,C,D都為低電平11CONTROL規(guī)定斬波器運(yùn)行控制的輸入端，低電平時(shí)使INH1和INH2起作用，高電平時(shí)使相線A,B,C,D起作用12Vs 5v電源輸入端13SENS2C相和D相功放負(fù)載電流檢測輸入端14SENS1 A相和B相功放級(jí)負(fù)載檢測電壓的輸入端15Vref斬波器電路的基準(zhǔn)電壓，加到這個(gè)管腳上的電壓決定峰值負(fù)載電流16OSC與這一端相聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)決定斬波比（R接Vcc，C接地）f= RC,在多相L297同步工作時(shí)，要以一個(gè)器件的這一端

18、為基準(zhǔn)，R>10K17CW/CCW正，反向控制輸入端。電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向由繞組的連接方法決定，內(nèi)部整定，方向隨時(shí)可以改變18CLOCK步進(jìn)時(shí)鐘脈沖輸入端，在這個(gè)輸入端為低電平時(shí)，工作脈沖送給電機(jī)一個(gè)增量19HALF/FULL步進(jìn)方式選擇輸入端。當(dāng)高電平時(shí)選擇半步工作方式。低電平時(shí)選擇全步工作方式。當(dāng)L297變換器在偶數(shù)狀態(tài)時(shí)選擇FULL得到全步方式的第一種狀態(tài)。當(dāng)變換器是在奇數(shù)位時(shí)通過選擇FULL。被置于全步方式的第二種狀態(tài)（把HOME狀態(tài)定為1態(tài)）20RESET 復(fù)位輸入端，在這個(gè)輸入端上有效低電平脈沖使控制器恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài)（1態(tài)，ABCD=0101），L297步進(jìn)電機(jī)控制器是與L298

19、或橋式驅(qū)動(dòng)器配套使用的，它能接收來自單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另外，宏觀世界的內(nèi)部還帶有兩個(gè)PWM斬波器電路去調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電流。用一個(gè)合適的調(diào)節(jié)器L297能驅(qū)動(dòng)兩相雙極永磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。此外，它控制正交波驅(qū)動(dòng)和半步驅(qū)動(dòng)方式。 L297加驅(qū)動(dòng)器組成的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高，體積小，軟件開發(fā)簡化，并且微機(jī)（或單片機(jī)）硬件制造費(fèi)用大大減少，L297與L298一起合用控制雙極步進(jìn)電機(jī)工作電流可過2.5A。與L293E配套使用，步進(jìn)電機(jī)繞組電流可過1A。如用功率晶體管或達(dá)林頓功率管能得到更大的電機(jī)繞組電流，而對單極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可用達(dá)林頓陣列L7180。L297控制

20、的步進(jìn)電機(jī)可用于如打印機(jī)的托架位置，臺(tái)的位置，記錄儀進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給；打字機(jī)，數(shù)控機(jī)床，軟盤驅(qū)動(dòng)器；機(jī)器人，繪圖儀，電子熔接機(jī)，收款機(jī)；復(fù)印機(jī)，照相機(jī)，記錄磁帶閱讀器，光電特性識(shí)別器，電動(dòng)閥門等。相對于半步順序的輸出波形。3.4 相位順序的產(chǎn)生在L297的方框圖中變換器是L297的一個(gè)重要部分，它產(chǎn)生一相半步，全步和兩相全步工作的適當(dāng)相位順序。輸入端以兩種工作方式控制這個(gè)變換器，這些輸入端是方向CW/CCW，HALF/FULL和從一步緊接下一步不斷送給變換器的一個(gè)步進(jìn)時(shí)鐘脈沖CLOCK。由變換器產(chǎn)生四個(gè)輸出送給后面的輸出邏輯方塊圖，輸出邏輯方塊圖完成禁止和斬波功能。內(nèi)部變換器由一個(gè)三位計(jì)數(shù)器加某

21、些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個(gè)基本的八步格雷碼順序如圖所示。三種方式的驅(qū)動(dòng)順序都可以很容易地根據(jù)這個(gè)碼產(chǎn)生，狀態(tài)順序直接與半步方式相符合，只要在HALF/FULL輸入端選擇一個(gè)高電平。這種順序的波形如圖（7）所示。圖（7）半步順序輸出波形要指出的是兩個(gè)其它信號(hào)以這樣的順序產(chǎn)生INH1和INH2。通過跳過在八步順序中的交替狀態(tài)就可以得到全步驅(qū)動(dòng)方式，碰巧步進(jìn)時(shí)鐘脈沖繞過變換器中三位計(jì)數(shù)器的第一級(jí)。因此產(chǎn)生的順序不受這個(gè)計(jì)數(shù)器中的最后有效位的影響。當(dāng)選擇全步方式工作時(shí)，HALF/FULL輸入端為低電平，產(chǎn)生的順序由變換器的隨機(jī)狀態(tài)決定。如在選擇了全步方式時(shí)變換器是在奇數(shù)狀態(tài)，我們就會(huì)得到如圖所示的兩

22、相全步順序。婁變換器是在偶數(shù)狀態(tài)時(shí)，通過選擇全步工作方式，就能得到一相全步方式。對兩相順序的狀態(tài)輸出波形（如圖（8）所示）圖（8） 兩相順序狀態(tài)輸出波形正交驅(qū)動(dòng)（一相導(dǎo)通）的順序和輸出波形（如圖（9）所示）圖（9）正交驅(qū)動(dòng)的順序和輸出波形在半步和一相全步方式產(chǎn)生兩個(gè)其它信號(hào)INH1和INH2。這兩個(gè)信號(hào)是禁止信號(hào)，被耦合到L298的使能端輸入端并且當(dāng)一個(gè)都連續(xù)通電流。通過或門功能產(chǎn)生INH1和INH2，A+B=INH1，C+D=INH2。與變換器相連的另外兩個(gè)信號(hào)是RESET輸入端和HOME輸出端。RESET是一個(gè)異步復(fù)位端，它使變換器框圖恢復(fù)到初態(tài)1，ABCD=0101。HOME是集電極開路

23、輸出端，這個(gè)信號(hào)用于帶有機(jī)械復(fù)信傳感器的輸出與門。最后還有一個(gè)ENABLE的輸入端與輸出邏輯方框圖相連。在這個(gè)輸入端上的低電平使INH1，INH2，A，B，C，和D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)。3.5 負(fù)載電流的調(diào)節(jié)負(fù)載電流控制的某些形式實(shí)質(zhì)上是為了獲得良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性。有多種方式可以做到這一點(diǎn)-兩種電壓之間的電流切換，脈沖變化率調(diào)制斬波，脈寬調(diào)制斬波。L297以兩種PWM斬波的形式完成負(fù)載電流控制，對一個(gè)雙極電機(jī)的每一相或一個(gè)單極電機(jī)每對繞組之一斬波。在一個(gè)單極電機(jī)中，A和B繞組不會(huì)一起通電流，所以它們可以共用一個(gè)斬波器，對C和D應(yīng)用也是同樣的。每一個(gè)斬波器都由一個(gè)比較器，一

24、個(gè)觸發(fā)累和一個(gè)外部檢測電阻組成。在芯片上公共的振蕩器把斬波器的比率脈沖送給兩個(gè)斬波器。在一個(gè)斬波器中觸發(fā)器來自振蕩器的各瞬息萬變脈沖置位，啟動(dòng)輸出并允許負(fù)載電流增加。由于負(fù)載電流增加，檢測電阻Rs兩端的電壓增加，當(dāng)這個(gè)電壓達(dá)到Vref時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，使輸出截止，直至振蕩器的下一個(gè)脈沖到達(dá)。因此在這個(gè)電路中觸發(fā)器Q端的輸出是一個(gè)恒定比率的PWM位號(hào)，Vref決定負(fù)載電流的峰值。3.6 相位斬波和禁止斬波斬波器既對相線（A，B，C，D）起作用也對禁止線INH2和INH2起作用。命名為控制的輸入端決禁止斬波被用于單極電機(jī)，但對雙極電機(jī)可以在相位斬波和禁止斬波之間進(jìn)行選擇。3.7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L2

25、98 L298芯片是一種高壓，大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器，圓筒形線圈，直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號(hào)的影響。每橋的三極管的射極是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式（Multiwatt）封裝的集成芯片，其外部引出腳圖和機(jī)械尺寸如圖所示。L298外形如圖（10）所示圖（10）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298L298內(nèi)部原理方框如圖（11）圖（11）L298內(nèi)部原理圖3.8步進(jìn)電機(jī)的基本原理步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一

26、體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?，F(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)

27、（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。3.9步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)l 電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的

28、角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°（表示半步工作時(shí)為0.9°、整步工作時(shí)為1.8°），這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。l 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72° 。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選

29、擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。l 保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N。m的步進(jìn)電機(jī)。l DETENT TORQUE：是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。D

30、ETENT TORQUE 在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯方式，容易使大家產(chǎn)生誤解；由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子不是永磁材料，所以它沒有DETENT TORQUE。步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)：l 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。l 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。l 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向

31、電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。l 步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。3.10關(guān)于驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分原理及一些相關(guān)說明      

32、在國外，對于步進(jìn)系統(tǒng)，主要采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。但在國內(nèi)，廣大用戶對“細(xì)分”還不是特別了解，有的只是認(rèn)為，細(xì)分是為了提高精度，其實(shí)不然，細(xì)分主要是改善電機(jī)的運(yùn)行性能，現(xiàn)說明如下：步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制是由驅(qū)動(dòng)器精確控制步進(jìn)電機(jī)的相電流來實(shí)現(xiàn)的，以二相電機(jī)為例，假如電機(jī)的額定相電流為3A，如果使用常規(guī)驅(qū)動(dòng)器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)?A或從3A突變到0，相電流的巨大變化，必然會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪音。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，在10細(xì)分的狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)該電機(jī)，電機(jī)每運(yùn)行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3A而不是3A，且電流是以正弦曲線

33、規(guī)律變化，這樣就大大的改善了電機(jī)的振動(dòng)和噪音，因此，在性能上的優(yōu)點(diǎn)才是細(xì)分的真正優(yōu)點(diǎn)。由于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器要精確控制電機(jī)的相電流，所以對驅(qū)動(dòng)器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求，成本亦會(huì)較高。注意，國內(nèi)有一些驅(qū)動(dòng)器采用“平滑”來取代細(xì)分，有的亦稱為細(xì)分，但這不是真正的細(xì)分，在使用中一定要分清兩者的本質(zhì)不同：“平滑”并不精確控制電機(jī)的相電流，只是把電流的變化率變緩一些，所以“平滑”并不產(chǎn)生微步，而細(xì)分的微步是可以用來精確定位的。 電機(jī)的相電流被平滑后，會(huì)引起電機(jī)力矩的下降，而細(xì)分控制不但不會(huì)引起電機(jī)力矩的下降，相反，力矩會(huì)有所增加。本系統(tǒng)硬件電原理圖見附錄一第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖

34、4.2程序清單（見附錄三）第五章 系統(tǒng)的組裝5.1整機(jī)結(jié)構(gòu)圖及工藝說明整機(jī)的硬件設(shè)計(jì)部分很巧妙,由單片機(jī)最小系統(tǒng)板、4*4鍵盤、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和液晶顯示構(gòu)成，可見其性價(jià)比很高。在制板工藝上，我們并不是想大多數(shù)選手用實(shí)驗(yàn)板搭起一個(gè)硬件電路，我們專門學(xué)習(xí)了腐蝕印制板的制作，使整體電路簡約且性能穩(wěn)定。在做機(jī)械加工部分時(shí)，我們用車床加工了定滑輪和繞線輪，定滑輪和繞線輪的高精確度減小了誤差，同時(shí)，我們采用的是定滑輪和軸承套用設(shè)計(jì)，減小了摩擦力，同時(shí)也減小了誤差。在整套裝置的整體設(shè)計(jì)時(shí)，我們沒有采用繁冗的開發(fā)板，而是用的單片機(jī)的最小系統(tǒng)板，這是我們的控制裝置十分便攜，同時(shí)，鍵盤和木盒子的嵌入式連接也很有特色。整機(jī)結(jié)構(gòu)圖原理圖及硬件設(shè)計(jì)PCB版見附錄一第六章 系統(tǒng)的調(diào)試6.1電路的調(diào)試方案編好程序，連接了個(gè)部分硬件電路，我們進(jìn)入了調(diào)試階段。本系統(tǒng)主要由A