（优秀毕业全套设计）步进电动机驱动的伺服转台的设计

高精度的伺服转台般由直流或交流伺服电动机驱动，以感应同步器或旋转变压器作为位置反馈元件，从而构成复杂精密的模拟式或数字式的闭环位置伺服控制系统。

而对于中等精度的伺服转台，采用步进电动机驱动方式，构成步进电动机开环控制系统，不仅可以实现较高精度的定位控制，而且具有结构简单控制方便投资少等特点。

因此，步进电动机驱动的伺服转台更适用于中等精度的仿真与测试设备。

由于步进电动机伺服系统简单可靠，所以在中等精度的数控机床伺服控制系统中，也大量采用步进电动机驱动方式，构成开环或闭环的步进电动机伺服控制系统。

.系统功能与设计要求步进电动机驱动的伺服转台为学习和研究步进电动机伺服系统提供了实验对象和工具，也为伺服转台的设计与控制提供了实例。

学习研究与产品设计对步进电动机驱动的伺服转台提出了如下的功能与指标要求步进电动机驱动的伺服转台能够实现三相单三拍三相双三拍和三相六拍三种脉冲分配方式的控制方案，并且控制方案能够通过小键盘进行选择，系统有关参数能够通过显示器显示出来。

步进电动机驱动的伺服转台能够实现顺时针和逆时针两个方向的转动，转角范围不限。

步进电动机驱动的伺服转台能够实现匀速加速控制。

并能够实现梯形速度分布的点位控制。

步进电动机驱动的伺服转台，其最高转速为，定位精度为。

.方案选择根据系统的功能要求，步进电动机驱动的伺服转台可由以下两部分组成，如图。

图步进电动机驱动的伺服转台的组成转台系统转台系统由转台本体传动机构和步进电动机组成。

三相反应式步进电动机通过蜗轮蜗杆传动机构驱动转台转动，其传动比为。

步进电动机控制器这是由单片机构成的步进电动机通用驱动控制器。

它由人机接口参考脉冲与脉冲分配器及功率放大等功能块组成。

在图所示的步进电动机驱动的伺服转台系统中，转台转角是由固定于转台台面上的光学经纬仪读出的。

步进电动机驱动的伺服转台系统的框图，如图所示。

图步进电动机驱动的伺服转台系统框图基于单片机控制的步近电动机驱动的伺服转台系统，具有方便的人机接口，可以灵活地设置不同的脉冲分配方案与控制方法，能够满足步进电动机伺服系统的实验要求。

.系统硬件设计采用图所示的系统控制方案，步进电动机驱动的伺服转台系统的工作过程如下首先，通过小键盘设定脉冲分配方式等系统控制参数，这些参数在显示器上被显示出来然后，系统在单片机的控制下，产生参考脉冲，经过脉冲分配器与接口电路，变换成三相控制脉冲，送至功率放大器最后，经过功率放大的三相脉冲信号驱动步进电动机旋转。

步进电动机通过蜗轮蜗杆传动机构再驱动转台做旋转运动。

下面分别说明各个子系统的功能与设计方法。

步进电动机的选择步进电动机的运行性能主要由步进电动机的动静态特性和通电方式等因素决定。

步进电动机的最大静转矩表征了步进电动机的静态特性，因此在选择步进电动机时，要使步进电动机的最大静转矩等于电动机轴上负载转矩的倍步进电动机的动态特性是由步进电动机的动态转矩和最大起动频率来描述的，为了保证步进电动机能够输出所需的动态转矩和实现不丢步的起动过程，需对步进电动机的正常运行频率和起动频率加以限制。

因此，选择步进电动机时必须根据系统的工作频率和起动频率要求，选择合适的步进电动机。

步进电动机的通电方式有多种，通常采用多相多拍制通电方式，以保证和提高步进电动机的动静态性能。

根据系统的功能定位精度最高转速与负载等多方面要求，可以选择三相反应式步进电动机，其技术参数如表所示。

步进电动机确定之后，还需设定系统的传动比。

对于上述型号的步进电动机，如果系统的传动比为，则每个参考脉冲引起的转台转动角度为三相三拍时，三相六拍时，能够满足系统定位精度的要求。

由于系统的最高转速要求不高，系统的负载也很小，选择上述型号的三相反应式步进电动机与的传动比是可行的。

脉冲分配器接口电路设计对于不同相数的步进电动机，可以根据实际系统的需要，选择不同的脉冲分配方式，以使合成转矩最大，转矩波动最小，步距精度较高。

脉冲分配器的实现有硬件和软件两种方法。

目前，市场上已推出多种脉冲分配器专用集成电路，如等。

采用这些集成电路可以很方便地实现步进电动机的控制。

但是，有时为了降低系统的成本，提高分配器功能的灵活性，常采用软件分配器方法。

软件分配器的实现方法是利用计算机的数字输出口直接输出每相的控制脉冲，通过软件编程协调各相控制脉冲的时序关系，以实现软件分配器功能。

在步进电动机驱动的伺服转台系统中，三相控制脉冲分别由单片机的三个高速输出口和输出，再经过缓冲和光耦隔离，送入步进电动机的功放驱动电路，如图所示。

图脉冲分配器接口功率放大器电路步进电动机的功率放大器有多种类型单电压型高低压切换型带电流检测型调频调压型以及斩波恒流型等。

其中，单电压型线路最简单，如图所示。

图单电压型步进电动机功率放大器在步进电动机驱动的伺服转台系统中，可以采用单电压型步进电动机功率放大器。

图是其中相的功放电路。

当控制脉冲加入时，电容使电动机绕组中的电流迅速上升电阻的作用是在稳态时限制绕组中的电流电阻和二极管组成相电流释放回路，防止在切断晶体管时在电动机绕组两端出现很大的感应电压。

单片机及其系统扩展单片机是准位嵌入式微机控制器。

在系列单片机中，单片机性能价格比较高，并且有使用方便脚双列直插式封装等优点，被广泛用于自动控制与自动测试系统中。

单片机的管脚图和内部结构图分别如图和图所示。

图单片机管脚图图单片机结构图单片机为用户提供了很强的功能位的，高效的指令系统，通道的位转换器，脉宽调制输出，全双工串行口，高速输入口，高速输出口，个中断源，位监视定时器，可动态配置的总线，字节的寄存器和专用寄存器，个位定时器，个软件定时器。

单片机程序存储器与数据存储器统编址，可寻址范围为。

由于单片机上电后从单元开始执行程序，所以用户程序和数据般安排在单元之后。

图是步进电动机驱动的伺服转台系统单片机最小系统和扩展原理图。

其中，是程序存储器，占用地址空间为用作堆栈和中间变量等数据存储器，占用地址空间为可编程阵列是地址译码器系统的时钟由卧式晶振产生系统的复位电路具有上电自动复。

显示器与小键盘的扩展是种专门用于键盘显示器管理的单片机外围接口芯片，它能对显示器自动扫描，能自动识别键盘上闭合键的键号。

的管脚定义如图所示。

有键盘输入管理与显示器输出管理两部分功能。

键盘管理部分提供的扫描方式，可以配置个按键显示部分也按扫描方式工作，可以显示位或位显示器。

图为步进电动机驱动的伺复转台系统的显示器和小键盘扩展电路原理图。

系统具有个按键的键阵和位数码显示。

的命令状态口地址为，数据口地址为。

在图中，键盘扫描线通过译码器提供，接入键盘列线查询线由反馈输入线提供，接入键盘行线。

显示器由输出口经驱动器提供段码，即形成段的段选线位选线采用译码器取得，并经驱动。

图单片机最小系统与扩展图管脚图.系统控制与软件编程以单片机为核心的步进电动机驱动的伺服转台系统是种开环的步进电动机伺服系统。

对于步进电动机的控制，需要解决参考脉冲发生与多相脉冲分配两个问题。

通过对的编程控制，可以实现方便灵活的人机接口。

用方法产生参考脉冲序列步进电动机从静止到匀速运动，需要有加速起动过程同样，从匀速运动到停止也要有减速过程。

考虑到电动机加速度的限制，步进电动机开环控制经常需要采用加速度分布方式，即步进电动机转台的控制包括加速起动匀速转动减速停止三个阶段。

用方法生成常加速度分布，条理清晰原理简单，在计算机上很容易用软件实现。

需要指出的是，由于时钟信号的频率就是寄存器做累加的频率，所以，当时钟频率固定时，可以用做加法的次数来代替时间，这在软件编程时很重要。

对于系列单片机系统，公司提供了高级编程语言语言。

这是种结构化的高级编程语言，同时又提供面向芯片级的操作语句，特别适合于单片机系统开发。

用语言编制的方法生成常加速度分布的程序框图，如图所示。

其源程序见程序。

图扩展显示器和小键盘接口图图方法生成常加速度分布程序框图程序﹤﹤.﹤.在程序中，方法采用的是浮点数运算方法，并调用了语言特有的浮点实数运算库。