臺灣博碩士論文加值系統

本研究研製步進馬達三種不同的驅動方式，第一種利用AT89S51單晶
片微電腦形成之控制電路，第二種則使用Galil DMC-2163 運動控制卡驅動
步進馬達，第三種應用ARM Nu-LB-NUC140教學板驅動步進馬達，最後利
用雷射測距儀量測其控制結果。
本文以Borland C++ Builder軟體撰寫步進馬達人機介面。首先將控制程
式經由RS232傳輸到AT89S51單晶片中，再由單晶片驅動步進馬達單軸平
台。另一種則經由乙太光纖連接Galil DMC-2163 運動控制卡驅動步進馬達
單軸平台。雖然雷射測距儀的解析度不高，我們仍可顯示平台大概的定位
精度。而實驗顯示簡單的平台定位可利用便宜的單晶片完成。
關鍵字: 單晶片、運動控制卡、步進馬達、ARM Nu-LB-NUC140

There are three different stepping motor drive modes is developed in this thesis.
First, an AT89S51 single-chip microcomputer control circuit is formed to drive
a stepper motor. Secondly, a Galil DMC-2163 motion control card is used.
Finally an ARM Nu-LB-NUC140 teaching board is applied to drive the same
motor. The measured results are showed using a laser range finder.
In this paper, the Borland C++ Builder software is used to develop the stepper
motors HMI. The control program via RS232 transmission to AT89S51 single
chip is used to drive a single-chip stepper motor axis platform in the first control
mode. The other two modes is connected by a fiber optic Ethernet Galil
DMC-2163 motion control card and the use of ARM Nu-LB-NUC140 teaching
board drives the same platform respectively. Although the resolution of the laser
range finder is low, it can still display platform approximate positioning
accuracy. The experiments show that a simple platform positioning can be
achieved by a cheap an AT89S51 single chip or an ARM Nu-LB-NUC140.
Keywords: single-chip, motion control card, stepper motors, ARM Nu-LB-NUC140.

中文摘要….…………………………………………………………………I
Abstract …………………………………………………………………II
謝誌 ……………………………………………………………………III
目錄 ………………………………………………………………………IV
圖目錄 …………………………………………………………………..VII
表目錄 ……………………………………………………………………..X
符號說明 …………………………………………………………………XI
第一章緒論 ………………………………………………………….......1
1-1 前言 ………………………………………………………………1
1-2 研究目的與方法…………………………………………………1
1-3 文獻回顧 …………………………………………………………3
1-4 論文架構 …………………………………………………………6
第二章 步進馬達介紹 ………………………………………………………7
2-1 步進馬達的應用 …………………………………………………8
2-2 步進馬達的分類 …………………………………………………9
2-2-1 步進馬達在使用類別 ………………………………………9
2-2-2 步進馬達在構造……………………………………………11
2-3 步進馬達運動特性 ………………………………………………13
2-4 步進馬達的激磁方式 ……………………………………………15
2-5 步進馬達的運動方程式 …………………………………………17
第三章 MCS-51 單晶片介紹及程式撰寫…………………………………20
3-1 MCS-51 硬體結構 ………………………………………………20
3-1-1 AT89S51 單晶片的系統架構.................................................20
3-1-2 AT89S51 單晶片之特性 …………………………………...22
3-1-3 中斷之功能…………………………………………………23
3-2 MCS-51 的接腳功能說明…………………………………………24
3-3 MCS-51 單晶片程式指令…………………………………………29
3-4 MCS-51 程式撰寫…………………………………………………31
3-5 步進馬達驅動電路……………………………………………37
第四章 運動控制卡及ARM 教學板的介紹………………………………44
4-1 單軸進給平台驅動的實驗設備…………………………………...44
4-2 DMC-2163 控制卡規格………………………………………….45
4-3 系統架構 …………………………………………………………47
4-4 Galil 程式指令特色 ………………………………………….50
4-4-1 控制器參數設定指令………………………………………50
4-4-2 控制器查詢指令……………………………………………51
4-4-3 各種運動方式………………………………………………52
4-5 ARM教學板的介紹……………………………………………...54
4-5-1 Nu-LB-NUC140 的晶片……………………………………55
4-5-2 ARM 學習板控制電路……………………………………...56
第五章單軸進給平台系統實驗…………………………………………58
5-1單軸工作平台控制系統架構…………………………………………58
5-2 單軸工作平台的量測……………………………………………59
第六章 結論.........……………………………………………………………….........64
參考文獻.........………………………………………………………………66


圖目錄
圖 1-1 HB 型步進馬達之軸承截面圖[31]….…………………..………………2
圖2-1 步進馬達控制流程圖……………………………………………………7
圖2-2 步進馬達的分類[29] …………………………………………………9
圖2-3 直線型步進馬達結構圖[28] …………………………………………10
圖2-4 VR 型步進馬達之結構[25]………………………………………………11
圖2-5 PM 型步進馬達之結構[25]………………………………………………12
圖2-6 HB 型步進馬達之結構[1]………………………………………………12
圖2-7 步進馬達轉速與轉矩曲線圖[32] ……………………………………14
圖2-8 2 相步進馬達激磁方法[13]…………………………………………16
圖2-9 單一自由度之系統等效圖[24]………………………………………17
圖3-1 微電腦架構關係圖[3] ………………………………………………20
圖3-2 AT89S51 架構關係圖[6] ……………………………………………21
圖3-3 AT89S51 單晶片之接腳圖[7] ………………………………………24
圖3-4 提升電路圖[3] ………………………………………………………28
圖3-5 步進馬達控制人機介面………………………………………………37
圖3-6 MCS-51 單晶片控制電路……………………………………………38
圖3-7MAX232 內部電路圖[30]…………………………………………….39
圖3-8 單晶片驅動步進馬達電路圖…………………………………………39
圖3-9 ULN2003 的內部電路[33]……………………………………………40
圖3-10 同步傳輸的25 支腳位與非同步傳輸的9 支腳位[37]…………….41
圖3-11 電路板的製作流程圖 ………………………………………………42
圖3-12 曝光機箱[38] ………………………………………………………43
圖4-1 東方步進馬達、驅動器、電源供應器、DMC-2163 控制卡………44
圖4-2 Galil 人機介面…………………………………………………………44
圖4-3 閉迴路控制系統方塊圖………………………………………………47
圖4-4 單軸進給平台圖………………………………………………………48
圖4-5 Nu-LB-NUC140 教學板[41]…………………………………………...54
圖4-6 NUC140 架構圖[40]……………………………………………………55
圖4-7 LQFP 100 之接腳圖所示[40]………………………………………….56
圖4-8ARM 學習板控制電路…………………………………………………57
圖5-1 單軸工作平台控制系統架構………………………………………….58
圖5-2 單軸工作平台使用雷射測距儀來量測………………………………59
圖 5-3 MCS-51 單晶片步進馬達每次轉360 度平台移動距離位置…………60
圖5-4 Galil運動控制卡步進馬每次達轉360度平台移動距離位置…………61
圖5-5 ARM教學板步進馬達每次轉360度平台移動距離位置……………...63


表目錄
表 2-1 步進馬達在各方面應用上的動作功能[27]…………………………8
表3-1 中斷優先權順序[3] …………………………………………………23
表3-2 AT89S51 單晶片之接腳功能[3][35]…………………………………25
表3-3 符號說明[35]…………………………………………………………30
表4-1 東方步進馬達規格[14]………………………………………………44
表4-2 東方馬達驅動相關訊號佈線[14] ……………………………………48
表4-3 東方馬達相關訊號佈線[14] …………………………………………49
表4-4DMC-2163 控制卡Pinout ……………………………………………49
表4-5 東方步進馬達與DMC-2163 控制卡相關腳位………………………50
表5-1 MCS-51單晶片步進馬達每次轉360度平台移動距離位置…………59
表5-2 Galil運動控制卡步進馬達每次轉360度平台移動距離位置…………61
表5-3 ARM教學板步進馬達每次轉360度平台移動距離位置……………62

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