五轴步进电机联动模拟控制系统设计
摘 要
随着数字化技术发展，数字控制技术得到了广泛而深入的应用。步进电动机由于其将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的微电动机，最突出的优点是可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制及制动等，并且用其组成的开环系统既简单、廉价，又非常可行。因此，随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，并且在打印机、手工业自动控制、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,投影仪、数码摄像机、数控机床等办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。
五轴联动步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为五轴联动步进电机供电，五轴联动步进电机才能正常工作，驱动器就是为五轴联动步进电机分时供电的，多相时序控制器。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动五轴联动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
本设计基于Proteus 设计环境，运用了STC90C51芯片、数码管显示电路和五轴联动步进电机以及7位小功率驱动芯片ULN2003A、按钮、指示灯等辅助硬件电路，设计了五轴联动步进电机正反转及调速系统。绘制软件流程图，进行了软件设计并编写了源程序，最后对软硬件系统进行联合调试。该五轴联动步进电机的正反转及调速系统具有控制五轴联动步进电机正反转的功能，还可以对五轴联动步进电机进行两档调速。
关键词： 五轴联动步进电机，时序控制，正反转，调速
1绪论
1.1课题背景
现在社会，对精度的要求越来越高，特别是在空调、航空等方面，通风口打开多少度、太阳能帆板展开多少度等等的要求非常高，而普通电机达不到这样的精度，这时就需要用到五轴联动步进电机。
五轴联动步进电机最早是在1920年由英国人所发明，它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元五轴联动步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动五轴联动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
1.2设计要求
本次毕业设计是基于单片机的五轴联动步进电机运动方式控制系统。简而言之就是要求用单片机控制一台五轴联动步进电机的运转，实现五轴联动步进电机正转、反转，并且可以同时可以实现加速、减速。同时采用proteus软件进行系统仿真。
本文所采用的五轴联动步进电机是一台四相八拍五轴联动步进电机，采用的单片机是STC90C51单片机，采用的放大驱动器是ULN2003。采用汇编语言编程，单片机输出的信号经过ULN2003的放大来驱动五轴联动步进电机运转。通过改变五轴联动步进电机通电相序改变五轴联动步进电机转速，通过改变每步之间的延时长短来改变五轴联动步进电机的转速。
2方案论证
2.1 控制方式的确定
五轴联动步进电机控制是一个比较精确的。五轴联动步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。在采用单片机的五轴联动步进电机开环系统中，控制系统的脉冲的频率或者换向周期实际上就是控制五轴联动步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现五轴联动步进电机的速度控制。一种是定时，一种是延时。
定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出脉冲的周期。当定时器启动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数，当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新启动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加，为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当的调整。调整的重装初值主要考虑两个因素一是中断响应所需的时间。二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序重的其他指令因。用定时中断方式来控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。此方法较为复杂，控制不简便，并且占用中断功能，故不采用。
延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换向程序所用的时间和，就是脉冲的周期，该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序可以实现不同速度的运行，并且不占用中断功能，故采用延时方法。
2.2 驱动方式的确定
五轴联动步进电机的驱动一般有两种方法：一种是通过CPU直接来驱动，这种方法一般不宜采用，因为CPU的输出电流脉冲是特别小的它不能足以让五轴联动步进电机的转动；别一种是通过CPU来间接驱动，就是把从CPU输出的信号进行放大，然后直接驱动或是再通过光电隔离间接来驱动五轴联动步进电机，这种方法比较安全可靠。故本次设计应采用CPU间接驱动五轴联动步进电机。
目 录
摘 要 I
1绪论 1
1.1课题背景 1
1.2设计要求 1
2方案论证 2
2.1 控制方式的确定 2
2.2 驱动方式的确定 2
3硬件设计 3
3.1 硬件总体介绍 3
3.2 五轴联动步进电机 3
3.3 单片机 8
3.4 转向显示电路 12
3.5 数字显示电路 14
3.6 五轴联动步进电机驱动电路 18
3.7 按键电路 20
4软件设计 22
4.1主程序流程图 22
4.2五轴联动步进电机运行子程序流程图 23
4.3显示子程序流程图 24
5设计仿真 25
5.1 Keil uVision4模拟仿真 25
5.2 proteus模拟仿真 26
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附 录1 33
附 录2 34
附 录3 39
参考文献
[1]张家生. 电机原理与拖动基础【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006.
[2]马淑华，王凤文，张美金. 单片机原理与接口技术【M】.北京：北京邮电大学出版社，2007.
[3]顾德英，张健，马淑华.计算机控制技术【M】. 北京：北京邮电大学出版社，2006.
[4]华成英，童诗白. 模拟电子技术基础【M】. 北京：高等教育出版社，2008
[5]张靖武，周灵彬. 单片机系统的PROTEUS设计与仿真【M】. 北京：电子工业出版社，2007
[6] 张洪润，蓝清华. 单片机应用技术教程【M】. 北京:清华大学出版社，1997
[7] 秦曾煌. 电工学【M】. 北京:高等教育出版社，1999
[8] 于海生，等. 微型计算机控制技术【M】. 北京:清华大学出版社，1999
[9] 王福瑞，等 .单片机微机测控系统设计大全【M】. 北京:北京航空航天大学出版社，1998
[10] 陈理壁， 五轴联动步进电机及其应用【M】. 上海: 上海科学技术出版社，1989
[11] 刘保延，等. 五轴联动步进电机及其驱动控制系统【M】. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1997
[12] 季维发，过润秋，严武升等.机电一体化技术【M】. 北京:电子工业出版社，1995
[13] 郭敬枢，庄继东，孔峰. 微机控制技术【M】. 重庆:重庆大学出版社，1994
[14] 刘国荣.单片微型计算机技术【M】. 北京:机械工业出版社，1996
[15] 王福瑞. 单片微机测控系统设计大全【M】. 北京:北京航空航天大学出版社，1998
[16]何立民.单片机应用技术选编【M】. 北京:北京航空航天大学出版社，1993
[17]潘新民等.片微型计算机实用系统设计1. 北京:人民邮电出版社， 1992
[18]百度知道 www.baidu.com
http://www.bysj360.com/ http://www.bysj360.com/html/4406.html http://www.bysj360.com/html/4404.html http://www.bysj360.com/html/4382.html http://www.bylw520.net/ http://www.bylw520.net/html/4432.html http://www.bylw520.net/html/4429.html http://www.bylw520.net/html/4427.html
