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1、由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706基于单片机的步进电机控制系统的设计摘 要：步进电动机由于用其组成的开环系统既简单，廉价，又非常可行，因此在打印机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。本文用汇编语言编写电机的正转，反转，加速，减速，停止程序，通过单片机，电机的驱动电路以及相应的按键实现以上功能，并且步进电机的工作状态要用相应的LED管显示出来。关键词：步进电机；驱动电路;单片机；转动The Design of the Control System of Step-Motor Based on SCM (Orient Sc
2、ience&Technology College of Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)Abstract: The open-loop system which is composed by stepping motor is simple, cheep, but very practical, so there are very wide range of applications in printers and other officeautomation equipment and various control d
3、evices, and many other fields. In this article descibes one design of step-motor system based on microcontroller. It designs the system hardware circuit and the program of the preparation of a motor, reverse, speed up, slow down, stop is written by compile language. The above function are realized t
4、hrough the microcontroller, motor driver circuit and correspond keys, and the work state of stepper motor is displayed through the light-emitting diode.Key Words: Stepping motor;driving circuit;single chip microcomputer;rotation1 前言1.1 课题研究的目的和意义 步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的控制微电机,其机械位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数
5、和脉冲频率成比例.通过改变电脉冲频率,可在大范围内进行调速.同时,该电机还能快速起动、制动、反转和自锁.此外,步进电机易于实现与计算机或其他数字元件接口,适用于数字控制系统.步进电机只需采用最简单的开环控制就可取得非常高的控制精度，且这种系统不需要反馈信号，系统硬件实施比较简单。采用低价的单片机控制系统, 可直接对步进电机进行控制，省去了昂贵的专用步进电机控制器，简化了硬件线路，降低了成本，提高了系统的可靠性，本课题是以设计实现单片机的步进电机控制系统为主，通过该课题设计，可以达到1培养学生正确的设计思想与设计方法，敢于创造革新；2）培养学生综合、灵活应用所学知识去分析研究和解决工程设计中遇到
6、的一些工程技术问题；3）进一步提高学生调查研究、设计计算、理论分析、查阅资料及绘制图样等各方面的基本技能，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，研制步进电机驱动及其控制系统具有十分重要的意义1。1.2 国内外研究概况步进电机最早是在1920年由英国人所开发。1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，这对于数字化的控制变得更为容易。以后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解性能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指
7、令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微 电子 和 计算 机技术的 发展 ，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民 经济领域都有应用。1.3 论文的主要研究内容本论文所选的步进电机是三相反应式步进电机，采用的方法是利用单片机制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱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，从而达到调速的目的，本次毕业设计就是通过改变脉冲频率来调
8、节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。本系统的主要功能有：基本操作过程如下：单片机系统通电后，系统开始初始化已经设置好的步进电机的运转速度和LED数码灯的显示信息，数码灯显示默认的转速以及转向标志，此时按下启动键，步进电机就按照设置好的运转速度和运转方向开始转动。在转动过程中如按数字键，则在数码灯中会显示被按键的数值。在按下Enter键时4，运转速度就被重新设定，步进电机就以重新设定的转速转动。如按正转或反转按键，步进电机就改变转向到重新设定的转向，同
9、时数码灯的转向标志也会改变，后两个数码灯也动态显示一些图案，正转和反转动态显示的图案不一样2。使用者可以通过按键选定电机的转速以及开始运行、停止运行等。改变转速和转向都可以在动态运行中进行，此外转速的数值和正反转都在数码灯上显示。2步进电机与单片机简介2.1步进电机介绍2.1.1步进电机概述 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元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，即在给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控
10、制变的非常的简单。 正常的情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负荷变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。步进电机的基本参数：步进电机的静态指标术语1、相数：产生不同对N，S 磁场的激磁线圈对数。常用m表示。2、拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用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AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.3、步距角：对应一个脉冲信号，电
11、机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四相运行时步距角为=360度/(50*4)=1.8度（俗称整步），八相运行时步距角为=360度（50*8）=0.9度（俗称半步）定位转矩：电机在不通电状态下，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）4、 静转矩:电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源灯无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及
12、机械噪音3。步进电机动态指标及术语：1、 步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。2、失步:电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步3、失调角转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。4、最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性：电机
13、在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。7、 电机的共振点：步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积约小，则共振区向上偏移，反之亦然
14、，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。8、 电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA 时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A 时为反转步进电机的特性如下：1、 一般在步进电机的精度为步进角的3%-5%， 且不积累。2、 步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点，一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常
15、4。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率(或速度)的增大而相电流减少，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速升到所希望的高频（电机转速从低升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重
16、大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。进电机在空载情况下能够正2.1.2步进电机的工作原理 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率（f）成正对，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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角如下图所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电5。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使
17、步进电机步进转动。图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图 图1 四相步进电机步进示意图 Fig.1 Schematic diagram of four-phase stepper motor stepper开始时，开关SB接通电源，SA,SC,SD,断开，B相磁极和转子0,3号齿对齐，同时，转子的1,4号齿就和C，D相绕组磁极产生错齿，2,5号齿就和D，A相绕组磁极产生错齿，2,5号齿就和D,A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB，SA，SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1，4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1,4号齿和C相绕组磁极对齐。而0,3号齿和A，B相绕组产生错齿，2,5号
18、齿就个A，D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A,B,C,D死相绕组轮流供电，则转子会沿着A,B,C,D方向转动6。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图1-1所示：图2 步进电机工作时序波形图Fig.2 Diagram of work timing waveforms of stepper motor2.1.3 步进电机的分类与选择 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般分为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为
19、1.5度，但噪声和振动都很大。此处删除部分XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3、I/O口引脚：a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线(低8位)及数据总线分时复用;b：P1口，8位准双同I/O口;c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线(高8位)复用;d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。4,振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTA L2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时
20、钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度14。 5、芯片擦除： 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10一来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写气”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM.定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并巨冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3系统硬件设计整个系统由键盘、LED、中断等几个模块组成，
21、以下就这儿个功能模块加以详细说明。3.3.1键盘接口 应用键盘时，先扫描是否有键被按下：若有键被按，再辨析按的是哪个键，去抖动，最后执行与该键功能相对应的处理程序。通常采“扫描”的方法查看键盘中有无键按下，以及所按的是哪个键。如图所示，矩形键盘通常由行列按键组合而成，在扫描键盘程序中，先对一各行线都送以低电平(全扫描)，若读回各列线的电平值仍为全1，则说明未曾按过按键;如果某列出现低电平，则说明跨接到该列的按键己有按下，因此使行线的低电平引人到列线，要辨别是该列的哪个按键被按，需进一步通过“逐行扫描”(逐行送低电平)，查看各列线电平值来鉴别15。 对于在何时扫描，不同的单片机应用系统有不同的要
22、求，有的程序在主程序循环执行的过程中作为内容之一而把键盘扫I描程序作为子程序附带进行;有的按时间足时(用定时器/计数器)进行，即每隔一段时间(比如10ms)对键盘扫描一遍，发现有按健按下就进入键盘操作，求出键值井分别进行处理;也有的在有按键按下的同时中请外部中断，由CPU响应并进行这一外部中断服务程序后才进行，先对键盘扫描，辨别按键的键号后作相应处理，这种方法的优点是节省CPU的时间。 对于键盘还需要考虑的问题包括解决按键“抖动”，如何实现“一键多功能”以及如何编键号，如何防止“两键同按”或“数键同按”等等。这里采用的是主程序循环扫描的方法，没有考虑“数键同按”以及“一键多功能”这此问题。3.
23、3.2步进电机驱动系统介绍驱动步进电机的方法很多，有用集成的驱动芯片来驱动，有用微控制器以软件的方式来驱动，下面分别介绍这几种方法的原理和不同之处。驱动步进电机还需要一定的电压和电流，所以进单片机I/O 口出来的信号还要经过特定电路放大才能驱动步进电机16。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号后就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角），其步数和脉冲数相一致，输出轴转动的位移和输入脉冲数成正比，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确的目的，并可以无级调速。步进电机的调速范围很宽，当控制脉冲停止输入时，步进电机就保持在固定位置。可见，步
24、进电机转速只取决于脉冲频率，转子齿数和拍数，与电压、负载、温度无关，当电机通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比。步进电机绕组是按照一定通电方式工作的，为实现这种轮流通电，需要将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。这种分配可以用硬件来实现也可以用软件来实现。软件方法：使用这种方法主要占用了CPU的运行时间，为了使电机三相按照一定顺序通电，首先要在储存器中建立一个步进电机转相表，存放对应绕组通电的顺序数值。在运行程序时，依次将环行分配表中的数据通过它的I/O口传送出信号，从而使电机绕组轮流通电，并使它运转17。它的特点是控制方法灵活方便，可以灵活改变控制方案，并可减少线路，使得
25、成本低廉，对于不同型号的步进电机的控制，不需改变硬件领域，通过修改软件，即能实现多种控制，灵活多变，通用性强，具有广阔的应用领域。它的缺点是速度不高，本次毕业设计我采用的即是这种方法。用兼容8051系列的单片机产生脉冲信号经放大电路放大后驱动电机。步进电机与单片机的接口电路通常需要包含信号放大电路，下面讲述这种电路的原理和控制方法。如图所示，当I/O口输出为0时，经反相器74LS14后变成高电平，使三级管导通，绕组通电，步进电机转动一个节拍，反之I/O口输出为1，三极管截止，绕组不通电。循环使得三个绕组通电就可以驱动电机了，因此，只要按照一定的顺序改交三位I/O口的通电顺序就可以控制步进电机按
26、照一定的方向转动。在信号放大电路中，首先选择右端三级管型号18。为满足75BF001相电流3A的要求，选择右端三级管型号为3AD30，其电流放大倍数为20至140，集电极最大允许电流为3A，集射极反向击穿电压为24V。当右端三级管基极电流为0.003A，则可以满足相电流3A的要求。左端三极管发射极电流为0.03A，可选择型号为3AX81B，电流放大倍数为10至270，集电极最大允许电流为200mA，集射极反向击穿电压为15V。步进电机的速度控制是通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。通常有两种方法：图6信号放大器Fig.6 Signal amplification circuit(1）软件延
27、时：该方法通过改变延时的时间长短来改变输出脉冲的频率，其缺点是占用CPU时间太多。(2)定时器延时：在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时就可实现调速。步进电机的方向控制就是对步进电机输出序列脉冲顺序的选择。顺件不同，电机运转方向就不同，根据设计的要求将序列脉冲按照事先规定的顺序输出到步进电机。在单片机驱动步进电机的系统中经常使用的技术还有细分驱动，对于三相反应式步进电机，采用三相六拍通电方式时，通常可获得0.75度或0.6度的步距角。在某些分辨率要求高的场合，常采用细分电路，如采用十细分驱动，则可得0.075度或0.06度的步距角19。细分后电机的转角分辨率得到提高，控制精度得到改善，
28、低速振荡降低，电机运转平稳、噪声低。但是对于步进电机驱动器的脉冲源要求比较高，下面简单讲述实现的方法。步进电机驱动线路，如果按照环形分配器决定的分配方式，控制电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进所需的旋转磁势拖动转子步进旋转，则步进角只有两种，即整步工作或半步工作，步距角己由电机结构所确定。如果要求步进电机有更小的步进角，更高的分辨率，或者为了电机振动、噪声等原因，可以在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定的一部分，则电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，转子的每步运行也只有步距角的一部分。这里，绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电流分成多少个台阶
29、，则转子就以同样的次数转过一个步距角，这种将步距角细分成若干步的驱动方法，称为细分驱动。细分不仅仅是为了极高精度，主要是为了改善电机的运行性能。由于细分驱动器要精确控制电机的相电流，所以对驱动器有很高的技术要求和工艺要求，成本亦会较高20。由此可以看出，细分的优点是步距角小、低频振荡小、分辨率高，不过，细分也有一定的不足，比如电机响应慢、加速特性差，与普通单片机配套使用时，达不到高速指标，需要设计很好的驱动电源等，所以本次设计的控制系统并没有采用细分的方法硬件方法：驱动电路集成化成为一种趋势。目前，已有多种步进电机驱动集成电路芯片，它们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机的专用驱动芯片，
30、广泛用于小型仪表，计算机外设等领域，使用起来非常方便。ULN2004是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V 。ULN2004是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。ULN2004的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2004是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统，经常在以下电路中使
31、用，作为显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、电磁阀驱动、伺服电机、步进电机驱动等电路中。ULN2004的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2004工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行21。 ULN2004的封装采用DIP-16或SOP-16。ULN2004可以驱动7个继电器，具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用
32、以达到更高的输出电流能力。显示电路主要包括大型LED数码管BSI20-1(共阳极，数字净高12 cm)和高电压大电流驱动器ULN2004，大型LED数码管的每段是由多个LED发光二极管串并联而成的，因此导通电流大、导通压降高。ULN2004是高压大电流达林顿晶体管阵列电路，他具有7个独立的反相驱动器，每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1 V，截止时输出电压可达50 V 。ULN2004的17脚为信号输入脚，依次对应的输出端为16-10脚，8脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限流电阻为50。一块ULN2004恰好驱动一个
33、LED数码管的7段。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平经NPN三极管9014反相后，再由ULN2004放大后推动大数码管显示。步进电机驱动电路主要由MCS51单片机以及单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成22。采用8155作为MCS51单片机的扩展I/O口来连接键盘和LED显示器，其中8155的PA口作为键盘的列线，PC的两个端口作为行线，其余的作为LED选择端。笔划信息码通过8155的PB口传送到LED。单片机的P1.0， P1.1， P1.2分别连到步进电机的A，B， C三相绕组，将步进电机的三相六拍的控制位通过单片机P1并经信号放大输出到电机绕组就可以驱动步进电机
34、运转。采用四个LED数码管来显示转速、转向。驱动数码管采用的是动态显示。如图4所示：下面介绍系统用到的主要元器件：（1）Intel 8051系列单片机是一种常见的8位嵌入式控制器，可寻址64k字节，共有3个可编程的双向I/O端口，分别称为POP3。该系列的单片机上集成了8K的ROM，128字节RAM可供使用。(2)8155为可编程并行I/O扩展接口l芯片，芯片内包含25G个字节RAM两个8位、一个6位的可编程并行I/O口和一个14位定时器/计数器。它可与MCS51单片机直接连接，不需要增加任何硬件逻辑，山于其既具有RAM又具有I/0口，因而是MCS51一单片机中最常用的外围接口芯片之一。 图7
35、 单片机与8155Fig.7 SCM and 8155(3 ) LED作为显示步进电机运行状态之用。其中8155的PA、PB，PC三个I/O口作为单片机系统和键盘、LED的接口。选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比 根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下: i=(.S)/(360.)(1-1) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2）式中Jt-折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(
36、Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S-丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的总力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 （1-4） 式中Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 （1-5）Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 （1-6）Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N
37、） （4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-带载起动频率（Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由
38、矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 0.4）Mmax。3.3.3 LED与单片机接口 LED显示管是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和米字段之分，这种显示器有共阳极结构和共阴极两种结构，多用于数据的输出，耗电和发热量很少，可以在单一+5 V电源下工作。对于类似于LED的输出器件，通常与印片机接口通过和扩展输出口芯片的I/O口相连，木系统是通过单片机1/O扩展芯片8155来点亮LED数码管的LED显示器由7个发光二极管组成，其中一个长条形的发光管排列成“日”字形作为数字的显示，另一个小点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数
39、点用，能显示各种数字及部分英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器;另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器，本次设计选用的是共阴极的LED数码管23。图8 LED管Fig.8 LED Tube 共阴极结构的LED显示器和共阳极结构的LED显示器各笔划段名和安排位置都是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发光，由发光的笔画段组合而显示各种字符。由于共阴极结构的LED数码管和共阳极结构的LED数码管内部的LED接法不一样，所以对于显示相同的一个数字，共阴极LED和共阳极LED的字型码是不一样的，与同一数码对
40、应的笔划信息码往往是置反的关系。其字形码如下表所示。点亮LED数码管之前，需将数字码转换为笔划信息。转化的方式分为软件译码和硬件译码两种：软件译码将各数码的信自、构成一个表格存储在单片机系统的ROM中，在显示程序中根据要显示的每一个数码执行一段查表程序，将指针指向将要显示的数字的笔划信息码，查得相应笔划信息码后再送数码管显示；硬件译码则选用CD4511,74LS46，74LS47等BCD-7段锁存、译码、驱动芯片直接译出笔划信息。LED显示的方法有两种：表1 LED字形码Talbe1 LED glyph code字形 段码 字形 段码0 3FH 6 7DH1 06H 7 07H2 5BH 8
41、7FH3 4FH 9 6FH4 66H _ 40H5 6DH1.静态显示：静态显示方式下，所有LED显示器的COM公共极接地（共阴极）或接电源（共阳极），LED显示器的8个段与并行输出口的输出端相连，CPU向某一个并行口送断码后，并行口锁存，并持续向显示器输出，使显示器恒定显示相应的数字或字符，直到CPU送来下一个断码。 静态显示方式显示亮度高，操作方便，占用CPU时间段，但是每个数码管显示器占用一个8位输出端口，显示位数多时，需扩展多个并行口，接口电路复杂，仅适用于数码管较少的场合。2、动态显示： 动态显示方式所有LED显示器的同名段并联在一起，由一个8位输出口将数码同时送到各显示器，每位L
42、ED显示器由一个独立的输出线练到其COM公共极，控制该位工作，LED显示器的位数与所需位线的数目相同。例如，图中两个8位并行输出口可以连接8个LED显示器。显示器工作时，CPU通过并行口1送出一位显示器要显示的断码，由并行口2送出位码，使相应显示器公共极有效，显示数据，其他显示器公共极都无效。然后以同样方式显示下一位，依次循环。 动态显示方式使某一时刻只有一位显示，但当各位快速循环显示时，由于人眼的视觉暂留，看起来是同时显示的。编写动态显示程序时，要注意每位数码管的持续显示时间不能太长，也不能太短。若时间太长，会感到数码管的闪烁；若时间太短，看不清楚要显示的数据，一般将扫描时间设为1ms左右。
43、动态显示方式下，CPU必须不断发送断码和位码，才能正常显示，占用CPU时间长，每位显示器大部分时间不显示，例如，有8个LED显示管，每位显示持续1ms，一轮循环8ms，则每个LED显示器在一个循环周期内有7ms不显示，因此动态方式亮度比静态方式低。连接多个LED显示器时，动态比静态方式节省并行口，可见动态方式使单片机最常用的LED显示器扩展方式24。3.3.4步进电机的驱动将单片机系统的I/O口分别接到步进电机的绕组,然后根据所选定的步进电机的型号和控制要求来决定控制方式，并写出相应的步进电机转相表，通过单片机系统的I/O口将电机转相表的数学模型传递给步进电机的绕组，使之按照一定的顺序轮流通电
44、，就可以使步进电机按照一定的方向运行。步进电机有二种工作方式：单拍、双拍和多拍。其中三相六拍方式的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA 。数学模型如下表所示。表2 三相六拍Table2 Three-phase six-shot步 控制位 工作 控制序 C相 B相 A相 状态 模型1 0 0 1 A 01H2 0 1 1 AB 03H 3 0 1 0 B 02H4 0 1 0 BC 06H5 1 0 0 C 04H6 1 0 1 CA 05H本系统采用三相六拍的工作方式，利用单片机的中断来驱动步进电机，优点是：不占用CPU的资源，运行稳定，发生脉冲准确。使用的是单片机的定时器。，将工作方式设置为方式1，单片机的每次中断都给步进电机三个绕组一次脉冲，使得步进电机转动一个节拍。因此步进电机的运转速度是由系统的中断频率决定的，改变定时器的初值即可改变电机的运行速度，下面详细讲述中断的设置与中断服务。中断过程如下：开始按照按键按下的设置改变定时器的初值，保护现场，查找到LED数码管信息码表的控制指针后，将指针与步进电机的正转、反转的标志位相加，注意程序中36H为步进电机的标志位，若此标志位为+1，则指针加1，若标志位为#OFFH，则指针减1，再判断指针的值。注意送到LED数码管的信息是动态闪动的，表示电机的转向是正转还反转只有信息码表的最后6个信息码为此LED闪烁的
