精密工作台控制系统设计
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精密工作台控制系统设计
一、 实验目的及实验内容
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、
实验设备

精密工作台(丝杠螺母副导程4mm)、步进电动机(57BYGH210)、单片机开发
系统、电机驱动电路、显示控制电路等。
步进电机57BYGH210的参数如下所示：

三、 实验要求
系统为开环伺服系统，执行元件为步进电动机，传动机构为丝杠螺母副。工
作台脉冲当量：δ=0.01 mm /脉冲；最大运动速度=1.2m/min；定位精度=±0.01
mm；空载启动时间=25ms。
四、 实验原理

（1）主要元器件介绍
单片机：MSP430F149 MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总
线的带FLASH 的单片机,由于其性价比和集成度高,它采用16位的总线,外设和
内存统一编址,寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具
有丰富的片上外围模块,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路
的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比
较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟,支持8M 的时钟.由于为FLASH型,
则可以在线对单片机进行调试和下载,且JTAG口直接和FET(FLASH
EMULATION TOOL)的相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功
耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw左右的功耗(电流为
14mA左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境,适合
与做手柄之类的自动控制的设备.我们相信MSP430单片机将会在工程技术应用
中得以广泛应用,而且,它是通向DSP系列的桥梁,随着自动控制的高速化和低功
耗化 ,
液晶屏：LCD1602 5V供电，对比度可调，有80字节显示数据存储器
DDRAM，可显示26个英文字母和10个阿拉伯数字。
驱动芯片：L298是一种双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含四信道
逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机驱动内含两个H-桥的高电压，大电

型号 相数 电压 电流 电阻 电感 静转矩 定位转矩 重量
单位 V A Ω mH N.m Kg.cm Kg
57BYGH210 4 4.8 1.5 3.2 4 0.8 0.7 0.65
流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑信号，可驱动46V，2A以下的步进电机。
四个输入端可控制电机的正反转，四个输出端直接和步进电机相连，ENABLE
控制电机的停转。
光耦隔离芯片：TLP521-4是可控制的光耦合器件，光电耦合器件广泛运用
在电脑终端机，可控硅系统设置，测量仪器、影印机、自动售票、家用电器，比
如电风扇、加热器等。电路之间的信号输出，使之前端与负载完全隔离，目的在
于安全性，减小电压的干扰，减化电路的设计。
（2）电路设计框图如下：

（3）原理分析：
通过对MSP430F149单片机编程，实现按键控制和LCD1602液晶显示。由
于MSP430F149的I/O的电压是3.3V，不符合L298驱动芯片的输入电压要求，
固通过光耦隔离芯片TLP521-4，将I/0的3.3V电压提升至5V，然后接进L298
来控制电机的加减速和正反转以及精确定位等目的。
五、 电路原理图

（1）MCU（MSP430F149）电路图如下：

MSP430
按键
控制

液晶显示
电机驱动 步进电机
（2）按键控制电路：

（3）液晶显示电路：
（4）电机驱动电路
总电路图如下所示：
六、 软件流程图：

开始
关闭看门狗

初始化系统时钟
初始化LCD1602
初始化按键扫描
初始化定时器A

开总中断
按键扫描

有键按下？
处理相应的按键
并进行LCD显示

Y

N
七、 思考题：
（1）精密仪器控制系统设计的关键是什么？
答：关键是驱动电路的设计和软件的编程。
（2）若精密工作台的脉冲当量δ=0.001 mm /脉冲，该系统应增加什么机构满足要求？
答：可以从机械和软件两方面调节，机械方面：可以添加可以加齿轮传动装置，工作台
一边使用小齿轮，电路这边使用大齿轮，也可以使用螺杆，螺母等一些传动装置。软件
方面：可以将原来的一个脉冲分成十份，可以通过D/A转换实现。