精密仪器实验步进电机

目录一、实验目的二、方案选择2.1步进电机2.2驱动模块2.3控制器选择三、实验设计3.1硬件设计3.1.14X4键盘3.1.2Nokia5110显示屏3.1.33.2程序编写3.2.1状态切换3.2.2状态说明四、实验总结五、思考题1一、实验目的掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机软、硬件系统通过三相或四相步进电动机实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。二、方案选择2.1步进电机步进电机相关参数如下：类型相数电压电流电阻步距角A-AB-B57BYGH210242.41.61.8/0.9红绿黄蓝工作方式分为“二相四拍”和“二项八拍”两种，步距角分别为1.8度和0.9度。由于实验要求为工作台脉冲当量：δ=0.01mm/脉冲，而且丝杠螺母副导程4mm，因此每个脉冲产生时需要转过的角度为0.9度，因此选择的工作方式为二相八拍。2.2驱动模块L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。2.3控制器选择本次实验，实验箱原配置Nokia5110，并带有Nokia5110显示头文件程序。Nokia5110每行可现实30个字符，一共六行180个字符。经过前期分析，认为2Nokia5110满足实验需求。三、实验设计通过对MSP430F449单片机编程，借助实验箱实现4X4按键控制和Nokia5110屏幕显示，通过I/O输出信号，经驱动模块L298，驱动步进机实现加减速、正反转和精确定位的目的。实验框图如下：按键Msp430单片机Nokia5110显示屏L298驱动电路步进电机3.1硬件电路设计33.1.14X4键盘（1）参考图1，由于MSP430F449的P1有中断而P3没有中断，即选择将单片机外围电路的键盘接口与P1接口相连。（2）键盘电路图如图2，程序编写选择P1.0~P1.3为输出端，输出低电平，P1.4~P1.7为输入端，通过扫描方式读取4X4键盘输入。（3）键盘命令如图3，“定位/开始”和“开始/暂停”控制四个状态的切换，“加速”“减速”控制电机转速，“正向”“反向”控制电机转动方向。图2图33.1.2Nokia5110显示屏参考图1，选择P6口作为显示屏输出，选择“nokia.h”头文件作为输出模块。具体显示内容参考右图：Speed输出具体速度，Direction输出电机转动方向，Distance输出已旋转的距离，State输出系统现在处在的状态。123加速4560789减速正向反向设置/定位开始/暂停Speed:2Direction:ForwardDistance:0012State:Setting43.2程序编写3.2.1状态切换为说明方便，“开始/暂停”为D键盘，“设置/定位”为C键。D键盘用于Stop和Start两个状态相互切换；C键用于Setting和Remain两个状态切换；若前态处于Stop/Start，C键输入后现态转为Setting；若前态处于Setting/Remain，D键输入后现态转为Stop。3.2.2状态说明(1)Stop：停止状态，电机停转，可以通过键盘设置电机速度和方向。(2)Start：开始状态，电机开始转动，可以通过键盘设置电机速度和方向，显示定位的变化。(3)Setting：设置状态，电机停转，可以通过键盘设置电机速度和方向、数字键依次改变定位控制的距离。(4)Remain：倒数状态，电机开始转动，可以通过键盘设置电机速度和方向，显示定位控制剩余的距离，当Distance减为零时，电机停转，状态自动跳转为Setting。开始StopSettingRemainStart5四、实验总结(1)实验结果基本满足要求，但未显示单位是其中一个瑕疵。(2)测试过程中，发现步进电机每前进1s便出现一次短暂暂停，后在主程序while(1)循环中再加for语句循环20次，观察步进电机30s，暂停现象并未出现。原因归结为原程序跑飞重新开始的时候，信号停止输出导致电机停转。(3)测试过程中出现过电机突然原地踏步现象，检测后发现平台位移到边缘。(4)测试过程中，在Stop和Setting状态下，显示距离的四位数字闪烁过于频繁影响观察。由于液晶和LED的显示滞后时间不同，液晶显示程序刷新过于频繁会影响观察。五、思考题1、精密仪器控制系统设计的关键是什么？答：精确性和稳定性是系统的关键，通过示波器显示输出信号频率的频率辅助计算步进机能有效提高精确性；通过状态机编写程序能有效提高程序的稳定性。2、若精密工作台的脉冲当量δ=0.001mm/脉冲，该系统应增加什么机构满足要求？答：可以增加机械结构满足要求：在工作台合适位置加装一级齿轮，传动比1:10即可满足题目要求。