机电一体化专科毕业论文

1、机电一体化专业毕业论文题目机电一体化综合课程设计专业机电一体化指导教师作者完成日期目录一、前言 4二、总体方案设计 6（一）总体分析 6（二）方案框图 6三、单元模块设计 7（一）键盘与显示模块 71 模块工作原理 72 芯片 CH452 介绍 83 特点 94 显示驱动原理 115 键盘扫描原理 13（二）单片机控制单元模块电路 151 控制原理 152 光电耦合电路 163 芯片介绍 17（三）串行通信模块 211 RS232 通信协议 212 串行通信电路 23四、电机与电气控制电路设计 24（一） 步进电机模块 241 步进电机的工作原理 242 步进电机的步距角与工作拍数 273 步

2、进电机的频率特性 28（二） 交流电机正反转控制原理 30（三）交流电机的星三角形启动 32（四）电气元件介绍 32五、设计总结、致谢 35六、参考文献 37附录I：单片机控制系统电路原理图设计 38附录H :电气控制原理图139附录皿:电气控制原理图240机电一体化综合课程设计摘 要：本设计是完成一两坐标步进电机驱动运动工作台控制系 统的设计； 完成交流电机启停的电气控制系统设计。 其硬件部分共包 括键盘操作、单片机控制、输入电路、控制电路、显示电路等五个主 要组成部分。设计的总体思路是准确安全的对工作台和电机进行控 制。位置信号和按键信息通过传输线传送给单片机和键盘接口芯片， 数据经过处理

3、， 将按键信息串行方式传送给单片机， 单片机通过相应 的程序，向控制回路发送控制信号，进而控制工作台的动作，实现对 硬件设备的控制。关键词 ：键盘操作，单片机控制，数码管显示。一、前言机电一体化是以机械技术和电子技术为主题，多门技术学科相互渗透、相 互结合的产物，是正在发展和逐渐完善的一门新兴的边缘学科。机电一体化使 机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨 大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展 阶段。本设计中提到的微机数控机床是利用单板或单片微机对机床运动轨迹进行 数控及对机床辅助功能动作进行程序控制的一种自动化机械加工设备。采用微

4、 机数控机床进行机械加工的最大优点是能够有效地提高中、小批零件的加工生 产率，保证加工质量。此外，由于微型计算机具有价格低、体积小、性能可靠 和使用灵活等特点，微机数控机床的一次性投资比全功能数控机床节省得多， 且又便于一般工人掌握操作和维修。因此将专用机床设计成微机数控机床已成 为机床设计的发展方向之一。本设计中用到的步进电机是一种将数字信号直接 转换成角位移或线位移的控制驱动元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动 速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的重复定位精度，并能实现正反转和平 滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响，因而被广 泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系

5、统。本设计完成了如下要求：（1）单片机控制系统电路原理图的设计（2）控制系统电路印制版的绘制（3）利用单片机编程实现两坐标系统的手动、自动和回位等运动（4）实现两坐标工作台极限移动的保护及显示、报警（5）设计交流电机的点动、 正反转控制和星 -三角形启动的电气控制原理图（6）电气控制电路有相应的保护电路（过载、过压、欠压等）（7）熟悉机电系统常用元器件（ PLC 、交流电机、直流电机、步进电机） 此次 “机电一体化课程设计”主要简单设计出数控机床系统，其实离实际 真正工业用数控机床还有很大的距离。经过讨论，拟设计两坐标步进电机驱动 运动工作台控制系统和交流电机启停的电器控制系统，单元模块包括：

6、单片机 控制电路，键盘接口电路，键盘电路，显示电路，输入电路，控制电路， PC 接 口电路等。由于时间仓促和自己知识水平有限，在设计中难免会有些许瑕疵， 恳请老师指正。二、总体方案设计（一）总体分析本次设计实现的是一两座标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计。设计采用单片机对系统进行控制，单片机的包括键盘与显示的控制、 与PC机的串口通讯、以及电机输入输入输出信号的控制。电机的输入信号包含报警监测， 在机床边缘运用一个接近开关即可实现此目的。（二）方案框图单片机作为控制的核心，一方面对机床的运动方向和位移量进行控制，另外还将与键盘对应的位移信息显示在 LED上，并实现与PC机的通信以及对报 警

7、的处理。三相交流图2.1总体方案设计图 三、单元模块设计（一） 键盘与显示模块1 模块工作原理 本单元模块电路的功能是通过对单片机编程，使当前按键信息在 8 个 LED 上显示出来，由芯片 CH452 来对数码管进行驱动，并对键盘进行扫描。图 3.1 所示为一来个八位 LED 动态显示电路。在同一时刻，如果各位位选 线都处于选通状态的话， 8 位 LED 将显示相同的字符。若要各位 LED 能够同时 显示出与本位相应的显示字符，就必须采用动态显示方式，即在某一时刻，只 让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线则处于关闭状态，同时， 段码线上输出相应位要显示的字符段码。这样，在同一时刻，

8、 8 位 LED 中只有 选通的那一位显示出字符，而另一位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下 一位的位选线处于选通状态，在段码线上输出将要显示字符的段码，则同一时 刻，只有选通位显示出相应的字符，而其他各位则是熄灭的。如此循环下去， 就可以使两位分别显示出将要显示的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他 各位熄灭，但由于 LED 显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间 隔时间足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。C2图3.1显示单元模块电路图键盘的扫描原理与数码管的扫描显示原理类似，依次将矩阵键盘的某行或某 列置一，再逐个判断改行或

9、该列上是否有信号为高，有则说明两座标相交处的 按键按下了。2芯片CH452介绍CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。CH452内置时钟振荡电路， 可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位、段 位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452通过可以 级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片 机提供上电复位信号。图3.2 CH452工作原理图3特点(1 )显示驱动动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管、64位发光管LED或者64级 光柱。可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者 BCD译码方式。BCD译码支持一个自

10、定义的BCD码，用于显示一个特殊字符。数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。任意段位寻址，独立控制各个LED或者各数码管的各个段的亮与灭。64级光柱译码，通过64个LED组成的光柱显示光柱值。扫描极限控制，支持1到8个数码管，只为有效数码管分配扫描时间。 可以选择字驱动输出极性，便于外部扩展驱动电压和电流。(2)键盘控制内置64键键盘控制器，基于8X 8矩阵键盘扫描。内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路 。 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出 。 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放 。 支持按键唤醒，处于低功耗

11、节电状态中的 CH452 可以被部分按键唤醒 。3）外部接口同一芯片，可选高速的 4 线串行接口或者经济的 2 线串行接口 。4线串行接口 ：支持多个芯片级联，时钟速度从 0到2MHz，兼容CH451 芯片 。4线串行接口： DIN和DCLK信号线可以与其它接口电路共用， 节约引 脚。2 线串行接口：支持两个 CH452 芯片并联（由 ADDR 引脚电平设定各 自地址） 。2线串行接口：时钟速度从500Hz到200KHz，兼容两线I2C总线，节约 引脚。内置上电复位，可以为单片机提供高电平有效和低电平有效复位输出 。4）其它 内置时钟振荡电路，不需要外部提供时钟或者外接振荡元器件，更抗干 扰。

12、 支持低功耗睡眠，节约电能，可以被按键唤醒或者被命令操作唤醒 。可选两种封装：S0P28 DIP24S，引脚与CH451芯片兼容。经过授权采用了 1 项专利技术，低成本，简便易用4 显示驱动原理CH452对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIGO至DIG7 ,当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。 CH452 内部具有电流驱动级， 可以直接驱动0.5英寸至1英寸的共阴数码管，段驱动引脚 SEG6SEG0分别 对应数码管的段G段A，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字驱动引 脚DIG7DIG0分别连接8个数码管的阴极；CH452也可以连接8X 8矩阵的 发光二级管 LED 阵

13、列或者 64 个独立发光管或者 64 级光柱； CH452 可以改变字 驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管（不译码方式） ，或者通过外接反相驱动 器支持共阳数码管，或者外接大功率管支持大尺寸的数码管。CH452 支持扫描极限控制，并且只为有效数码管分配扫描时间。当扫描极 限设定为 1 时，唯一的数码管 DIG0 将得到所有的动态驱动时间，从而等同于 静态驱动；当扫描极限设定为 8 时， 8 个数码管 DIG7DIG0 各得到 1/8 的动 态驱动时间；当扫描极限设定为 4 时， 4 个数码管 DIG3DIG0 各得到 1/4 的 动态驱动时间，此时各数码管的平均驱动电流将比扫描极限为 8 时增

14、加一倍， 所以降低扫描极限可以提高数码管的显示亮度。CH452 内部具有 8 个 8 位的数据寄存器， 用于保存 8 个字数据， 分别对应 于 CH452 所驱动的 8 个数码管或者 8 组每组 8 个的发光二极管。 CH452 支持 数据寄存器中的字数据左移、右移、左循环、右循环，并且支持各数码管的独 立闪烁控制，在字数据左右移动或者左右循环移动的过程中，闪烁控制的属性 不会随数据移动。CH452 支持任意段位寻址， 可以用于独立控制 64 个发光管 LED 中的任意 一个或者数码管中的特定段（例如小数点） ，段位编址顺序与键盘编址一致，编 址从OOH到3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个

15、地址的段位置1后，该地 址对应的发光管 LED 或者数码管的段会点亮，该操作不影响任何其它 LED 或 者数码管其它段的状态。CH452支持64级的光柱译码，用64个发光管或者64级光柱表示65种状态， 加载新的光柱值后，编址小于指定光柱值的发光管会点亮，而大于或者等于指 定光柱值的发光管会熄灭。CH452 默认情况下工作于不译码方式，此时 8 个数据寄存器中字数据的位7位0分别对应8个数码管的小数点和段 G段A,对于发光二极管阵列，则 每个字数据的数据位唯一地对应一个发光二级管。当数据位为 1 时，对应的数 据管的段或者发光管就会点亮；当数据位为 0 时，则对应的数据管的段或者发 光管就会熄

16、灭。例如，第三个数据寄存器的位 0 为 1，所以对应的第三个数码管 的段 A 点亮。通过设定， CH452 还可以工作于 BCD 译码方式，该方式主要应 用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数 BCD 码，由 CH452 将其译码后直 接驱动数码管显示对应的字符。 BCD 译码方式是指对数据寄存器中字数据的位 4位0进行BCD译码，控制段驱动引脚 SEG6SEG0的输出，对应于数码管 的段G段A，同时用字数据的位7控制段驱动引脚SEG7的输出，对应于数 码管的小数点，字数据的位 6 和位 5 不影响 BCD 译码。下表为数据寄存器中字 数据的位4位0进行BCD译码后，所对应的段 G段A以及数码

17、管显示的 字符。参考下表，如果需要在数码管上显示字符 0，只要置入数据 0xx00000B 或 者00H;需要显示字符0. （0带小数点），只要置入数据1xx00000B或者80H; 类似地，数据 1xx01000B 或者 88H 对应于字符 8（. 8 带小数点）；数据 0xx10011B 或者 13H 对应于字符 =；数据 0xx11010B 或者 1AH 对应于字符 .（小数点）；数 据 0xx10000B 或者 10H 对应于字符 （空格，数码管没有显示）；数据 0xx11110B 或者 1EH 对应于自定义的特殊字符，由“自定义 BCD 码”命令定义。5 键盘扫描原理CH452的键盘

18、扫描功能支持 8X 8矩阵的64键键盘。在键盘扫描期间， DIG7DIGO引脚用于列扫描输出，SEG7SEGO引脚都带有内部下拉电阻， 用于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后， 4 线串行接口中的 DOUT 引脚的功 能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。CH452 定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。在键盘扫描期间， DIG7DIG0 引脚按照 DIG0 至 DIG7 的顺序依次输出高电平， 其余 7 个引脚输 出低电平；SEG7SEG0引脚的输出被禁止，当没有键被按下时，SEG7SEG0 都被下拉为低电平；当有键被按下时，例如连接 DIG3与SEG4的键被按下，则 当 D

19、IG3 输出高电平时 SEG4 检测到高电平；为了防止因为按键抖动或者外界干 扰而产生误码， CH452 实行两次扫描，只有当两次键盘扫描的结果相同时，按 键才会被确认有效。如果 CH452 检测到有效的按键，则记录下该按键代码，并 通过4线串行接口中的DOUT引脚或者2线串行接口中的INT#引脚产生低电 平有效的键盘中断（当 INTM 为 1 时输出低电平脉冲中断，参考 5.5 节和 5.6 节中的说明），此时单片机可以通过串行接口读取按键代码；在没有检测到新的 有效按键之前， CH452 不再产生任何键盘中断。 CH452 不支持组合键，也就是 说，同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下；

20、如果多个键同时按下，那么按键代码较小的按键优先CH452所提供的按键代码为7位，位2位0是列扫描码，位5位3是 行扫描码，位6是状态码（键按下为1,键释放为0）。例如，连接DIG3与SEG4 的键被按下，则按键代码是1100011B或者63H，键被释放后，按键代码通常是 0100011B或者23H （也可能是其它值，但是肯定小于 40H），其中，对应 DIG3 的列扫描码为011B，对应SEG4的行扫描码为100B。单片机可以在任何时候读 取按键代码，但一般在CH452检测到有效按键而产生键盘中断时读取按键代码， 此时按键代码的位6总是1,另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通 过查询方

21、式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。下表是在DIG7DIG0与SEG7SEG0之间8X 8矩阵的顺序编址，既是 按键编址，也是数码管段位、发光管 LED阵列以及光柱的编址。由于按键代码 是7位，键按下时位6总是1,所以当键按下时，CH452所提供的实际按键代 码是表中的按键编址加上 40H,也就是说，此时的按键代码应该在 40H到7FH 之间。编址DIG7DIG6DIG5DIG4DIG3DIG2OldDI GOSEG007H06H05H04H03H02H01HOOHSEG10FH0EH0DHQCHOBHOAH09HOSHSEG217H16H15H14H13H12H11H10HSEG31

22、FH1EH1DHr ich1BH1AH19H18HSEG427H26H25H24H23H22IH21H20HSEG52FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28HSEG637H36HP 35HP 34H33H32H 131H30HSEG73FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H表3.1CH452按键编址（二）单片机控制单元模块电路1控制原理本次设计是以单片机为核心进行设计的。在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统最关键的器件。本系统中选用 与MCS-51系列完全兼容的AT89C52单片机，AT89C52可构成真正的单片机最 小应用系统，缩小系统体积，

23、提高系统可靠性，降低系统成本。89C52的P2 口输出的矩形脉冲信号直接控制步进电机的正反转，两台电机 需4个控制信号，一根信号线备用。工作台上行程开关的检测信号经光电隔离 器件后送到单片机，这样可以实现单片机与电机工作电路的隔离，起到了抗干 扰和保护的作用，也有3个备用。工作台工作时的指示灯则由 P14-P17和T0、 T1控制，分别用于提示操作人员工作台是在哪个坐标上朝哪个方向运动。R41P16P17VCCOUTPUTP12P13P14P15127407U5A7407U6A1740721KR421KR43f1KR441KR451KR461K图3.2单片机控制单元模块电路2光电耦合电路电机的

24、那个输入信号先经光电耦合器后送至单片机处理，这是由于步进电 机的大功率、高电平会对单片机产生较严重的干扰，不能直接把单片机产生的 控制信号直接连在步进电机上，需要进行强弱电隔离。在实际运用中，对于强 弱电隔离一般采用电子开关方法或光电隔离的方法，在这里我们采用光电隔离 的方法，如图3.3所示。光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件 （如光敏三极管）集成在一起，通过光线实现耦合构成电-光和光-电的转换器件。图3.3光电耦合电路3芯片介绍设计所使用的单片机 AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能 C0MS8位单片机，如图3.5基本外围电路图所示。它片内含有 8k byt

25、es的可反 复檫写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存储数据存储（RAM）， 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性技术生产，与标准MCS-51指令系统 及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元， 功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM， 32个I/O 口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工 川行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式

26、。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。K24 :rpiuapurrF12 p巧 F14P15P17U1 iLTSSCS?383?3S34033221222325药2723hUUF01FO2FO4FO5 PO百FOTF20F21rnn£ WMF23F24F25F26F2?EA/VPRXDTKD ALE/PPSSN31ITIT30图3.4 AT89C52基本外围电路图AT89C52的内部逻辑框图如图3.4所示，其管脚功能如下：（1）电源引脚：Vcc（40引脚

27、）：接+5V电源。Vss（20引脚）：接地。（2）时钟引脚：2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反向放大器构成了一个晶 体振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。两个引脚也可以外接独立的晶体 振荡器。XTAL1（ 19引脚）：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器 的输入端，这个反向放大器构成了片内振荡器。XTAL1 （18引脚）：接外部晶体的另一端，在该引脚的内部接至内部反向放图3.5 AT89C52的内部逻辑框图（3）控制引脚：此类引脚提供控制信号，有的引脚还有复用功能。RST/VPD（9引脚）：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单 片机运行时，在此

28、引脚上加上持续时间大于两个机器周期的高电平时，就可以 完成复位工作。在单片机正常工作时，此引脚应为W0.5V低电平。VPD为本引 脚的第二功能，即备用电源输入端ALE/PROG （30引脚）：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作以后， ALE 引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE 输出信号的负跳沿用于单片机发出的低 8 位地址经外部锁存器锁存的锁存 控制信号。PROG为本引脚的第二功能，为低电平有效。在对片内EPROM型单 片机编程写入，此引脚作为编程脉冲输入端。PSEN（29 引脚）：程序存储器允许输出控制端，为低电平有效。在单片机 访问外部程序存储器时

29、，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通 信号。EA/VPP（31引脚）：EA功能为内外程序存储器选择控制端，为低电平有效。EA 为高电平时， 单片机访问片内程序存储器， 反之则选择片外程序存储器。 VPP 为本引脚的第二功能。在对Flash闪速存储器编程时，该引脚加上+12V或是+5V 的编程允许电源。（4）I/O 口引脚：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 复用口，可驱动 8个 LS 型 TTL 负载。P1 口：8 位准双向 I/O 口，可驱动 4个 LS 型 TTL 负载。P2 口：8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位）

30、复用，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。P3 口：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。除此之外，P3 口还有第二功能，如表3.2所示：表3.2 P3 口的第二功能端口引脚笫一功能P3.0RKD串行辎入口）P3.1他Z串行输出口）P3.2nm （外中断口）P3.3nm （外中断1）P3.4ro定时用救器0）P3.5n定时/计数畫1）P5.6WR 外部数据有储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器写选通（三）串行通信模块串行通信有很多种，目前较常用的有RS232、RS422和RS485,根据本设计 的实际情况，RS232串行通信可以满足要求，23

31、2电平与TTL电平的转换使用 已广泛使用且效果良好的 MAX232芯片。1 RS232通信协议（1）RS-232C标准介绍串行通信接口标准中，RS-232C是目前最常用的一种串行通信接口。RS-232C标准的全称是EIA-RS-232C标准，该标准对串行通信的连接电缆和机 械、电气特性、信号功能以及传输过程都进行了明确的规定，适合于数据传输 速率在0-20kb/s范围内的通信。RS-232C的推荐最大电缆长度为15m，实际通信中可以以降低通信速率为 代价适当延长通信距离。如果要实现长距离的传输（数百米），需要使用专门的 长线驱动器来延长RS-232C的通信距离。(2) RS232C中的引脚定义

32、和电气特性RS-232C中定义了 20根信号线，使用25芯D型连接器DB25实现，后来为了简化串口的线路连接，出现了 9芯D型连接器DB9，DB9引脚的分布和信 号说明分别如图3.6和表3.3所示。DCD 1DSR 厂RXD 2qRTS 7nTXD 3CTS 8qODTR 4qRI9GND 5DB9图3.6 DB9连接器引脚定义表3.3 DB9连接器信号说明引脚号符号缩写方向说明1DCD输入数据载波检出2RXD输入接受数据3TXD输出发送数据4DTR输出数据终端准备好5GND信号地6DSR输入数据准备就绪7RTS输出请求发送8CTS输入允许发送9RI输入振铃提示RS-232C标准的电气特性参数

33、有带3-7K Q时驱动器的输出电平、输出开路时接受器的输出逻辑、输入经300Q接地时接收器的输出逻辑和驱动器转换速率 等。不同于传统的TTL等数字电路的逻辑电平，RS-232C的逻辑电平以公共地 为对称，其逻辑“0”电平规定在+3V-+25V之间，逻辑“ 1”电平规定在-3V25V 之间，因此需要使用正负极性的双电源供电。由于其与TTL等数字电路的逻辑 电平不兼容，因此二者之间的连接必须使用电平转换。一般使用中，只需要连接好TXD、RXD、DSR、RTS、GND5根线即可正常通信。如果去掉握手信号， 最少使用3根线即可实现正常的串口通信。本设计采用MAX232芯片实现单片机和上位机之间电平的转

34、换，而且该芯 片本身对电流具有一定的泵升的作用，因此广泛应用于串行通信中。2串行通信电路RS-232C接口电路包括 RS-232C接口电平转换部分和 RS-232C总线连接部 分。RS-232C标准的逻辑电平与TTL电平之间的转换用 MAX232芯片实现，单 片机的TXD、RXD分别连到 MAX232的T2in、Rlout端。在RS-232C的总线 连接上采用最简单的三线连接模式，即连接 DB9的TXD、RXD和GND三端。VCC图3.7 RS-232C接口电路 四、电机与电气控制电路设计（一）步进电机模块步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机，它 的运行需要专门的驱动电

35、源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号控制。每一个 脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数 量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了电动机旋转的速度，改变绕组的通 电顺序可以改变电机旋转的方向。在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动 机，也可以用作伺服电动机。它在工业过程控制中得到广泛的应用，尤其在智 能仪表和需要精确定位的场合应用更为广泛。图4.1三相反应式步进电机工作原理图1步进电机的工作原理步进电机是机电一体化的关键部件之一，被广泛应用于需要精确定位、同步、行程控制等场合。（1）、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若

36、每旋转一圈以 200个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进18度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。（2）、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，其中全步励磁 又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称 1-2相励磁。图为步进电动机 的控制等效电路，适应控制 A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机 的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉 冲信号，即可步进电动机连续转动。分述如下：A、1相励磁法：在每一瞬间只有一个线圈导通。消耗电力小，精确度良好, 但转矩小，振动较大，每送一励磁信号可走1.8度。若欲以1相励磁法控制步进电动机正转

37、，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反 转。励磁顺序:A EDASTEPABcD11000201003001040001B、2相励磁法：在每一瞬间会有二个线圈同时导通。 因其转矩大，振动小,故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动 机反转。励磁顺序：ABfB JCD 一 DA ->ABSTEPABCD1110001103001141001相励磁法：为1相与2相轮流交替导通。因分辨率提高，且运转平滑，每送一励磁信号可走0.9度，故亦广泛被米用。若以1相励磁法控制步进电动机正转

38、，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。励磁顺序："ABr> B BO C CD> “ D2ASTEPABCD1100021I00301004011050010600117000181001(3) 、步进电动机的负载转矩与速度成反比，速度愈快负载转矩愈小，当 速度快至其极限时，步进电动机即不再运转。所以在每走一步后，程序必须延 时一段时间。下面介绍的是国产20BY-0型步进电机，它使用+5V直流电源,步距角为18度。电机线圈由四相组成，即 A、B、C、D四相，驱动方式为二相 激磁方式，电机示意图和各线圈通电顺序如图4.2和表4.1所示：图4.2步进电机

39、原理图表4.1线圈通电顺序r相顺序;AB|CD01100101102001131P 00P 1相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，0 1 2 3 4则称为通电 一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动 起来，而进行相反的通电顺序如4321将使电机同速反转。通电一周的周期 越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快， 因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至 只在原步颤动。2步进电机的步距角与工作拍数对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为 Nr，它的齿距角z为：z=2n /Nr，而步进电机运行k拍可使转子转

40、动一个齿距位置。实际上步进电机每一拍 就执行一次步进，所以步进电机的步距角s可以表示如下：s 2 /Nrk公式（4.1）或s 360 /Nr咔公式（4.2）其中：k是步进电机工作拍数，Nr是转子的齿数。例如：对于三相反应式步进电机而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是 在转动一个齿距时换相三次；六拍则是换相六次。而在三拍方式中还有单三拍 和双三拍之分。从公式（4.2）可知：为了使步进电机工作的步距角s减小，也即： 使控制精度增高，步进电机在相数一定的情况下应增加工作拍数。3 步进电机的频率特性对于反应式步进电机，在其绕组中通电的相序不同时，步进电机的旋转方 向和步进精度有所不同。步进电机对绕

41、组的通电频率有一定的要求。如果通电 频率过高，超过步进电机的最大步进速度，就会产生失步。一般步进电机的通 电频率，即起动频率为 ?50 步秒到 2000 步秒。步进电机的频率特性曲线， 是步进电机的工作频率及其对应转动力矩所作出的曲线，典型的步进电机频率 特性曲线如图 2 所示。步进电机的频率特性曲线和很多因素有关，这些因素包 括步进电机的转子直径、转子铁心有效长、 .控制线路的电压、齿数、齿形、齿 槽比、步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、转动一个齿 距所需的拍数等。在使用中会影响到步进电机频率特性而又能由用户确定的因 素有：控制拍数、控制线路的电压、线路时间常数等。下面分析

42、这几种因素对步进电机频率特性的影响。(1) 工作方式对频率特性的影响 在步进电机应用中，它的工作方式是以一个齿距所用的拍数来表示的。拍数本 质上也就是转动一个齿距所需的电源电压换相次数，值得指出的是换相是指对 步进电机各相绕组进行转换，而电源电压是单极性的固定的。一般而言反应式 电机拍数越多矩频特性就越好。因此设计中应选择多拍的控制方式。(2) 线路时间常数对频率特性的影响 步进电机的每相绕组供电都是通过功率开关电路进行的。步进电机一相绕组的 开关电路如图3.2所示。其中L为步进电机绕组电感；RL为绕组电阻；Rc为晶体管T的集电极电阻；D是续流二极管，它为绕组放电提供回路；晶体管 T是大功率开

43、关管。Rc也是个外接的功率电阻，它是一个消耗性负载，一一般为数 欧姆。这时线路的时间常数Tj为：Tj L/ R Rc公式(4.3)其中：L单位为亨，Rc、RL单位为欧姆，Tj单位为秒。图4.3步进电机一线绕组的开关回路开关回路时间常数Tj对注入电机绕组的电流达到稳定值的时间有极大关 系，它影响到步进电机的工作频率。并且有：Tj越小，电流达稳定时间小，相应电机工作频率高；反之，Tj越大，电流达稳定时间长，电机工作频率低。从式(4.3)可知：要减少Tj，可以采用增大Rc的办法。但是，增大Rc时, 又会使稳态电流值减小，从而影响电机的力矩。为了减少 Tj，而不使稳态电流 减小，可采用在增大Rc的同时

44、，也提高供电电压的办法。在高频应用中，要尽量减小 以改善步进的特性，所以常在开关回路中采用 较大的Rc，同时也提高回路的电源电压 U。但这样也会使效率降低，在低频段 工作时也会使步进电机的振荡加剧。在实际中，可根据客观情况来考察选择恰当的外部电阻Rc,使步进电机处于合适的工作频率状态。(3) 开关回路电压对频率的影响在一般应用中，开关电路的脉宽和流人绕组的电流的最大值，必定会随开关电 路换相频率的提高而相应减小。开关电路产生的控制电压是以矩形波方式加在 绕组上的。随着换相频率的提高，矩形脉冲电压波频率相应提高，这样，矩形 脉冲电压的宽度和周期也就会变小，当矩形脉冲电压窄到一定程度，流入电机 绕

45、组的电流就无法达到稳定值 I ，步进电机就难以步进工作了。为了保证在矩 形脉冲电压相当窄时，也即频率足够高时，步进电机仍能正常步进工作，可以 提高开关回路的电压。开关回路加到绕组的是矩形脉冲电压，故电流也是脉冲。在步进电机中要 设法增大起动电流，以提高步进电机转动力矩，即提高其工作频率。由于步进 电机是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉 冲 i 为：i IH(1 e 1/Tj) 公式(4.4)其中：i是电流脉冲瞬时值；IH 是在开关回路电压为 u 时的电流稳态值；Tj 是开关回路的时间常数， Tj L/ RL RC综上所述，本设计选用三相步进反应式电机，采用运行中根

46、据工作频率对电源 电压升压补偿的控制方法。(二) 交流电机正反转控制原理在生产实践过程中，常要求用一台电动机的正反转控制方向相反的两个运 动，如小车的左行、右行；机械手的上升、下降等。本设计对交流电机的正反转控制的电气原理图如下所示：图4.4交流电机正反转控制的电气原理图要实现三相鼠笼型异步电动机的正反转控制，只要把三相线当中的任意两 相调换一下位置就可以了。如图4.4所示：假如接触器KM1闭合时电动机正转， 则当接触器KM1断开，接触器KM2闭合时，电动机就会反转。从图中我们可 以看出：要改变三相交流电机的旋转方向，只需要任意交换其中两相就可以达 到目的。图中各元器件的作用如表所示：表4.2

47、元器件作用列表崖接的外部设备Q功能说明门SBl停止命令丄电机正转命令pSB*电机反转命令pFR常开门电动机过载保护存掛N电机正转壮控电机反转门（二）交流电机的星一二角形启动对于正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼型异步电动机，在启动时，为 了保护电动机，一般采用 Y/ 降压启动方法来达到限制启动电流的目的。Y/ 降压启动的原理如图1所示：在启动过程中将电动机定子绕组接成星形，即接 触器KMY闭合。此时电动机每相绕组承受的电压为额定电压的 1八3，启动电 流为三角形接法时启动电流的1/3。接触器KMY闭合的同时定时器开始定时， 定时时间到，接触器KMY断开，接触器KM 闭合。电动机绕组为三角形接法

48、， 进入正常运行阶段。控制电路要有自锁、互锁、定时等常用电路，要求合上启动（正转或反转） 按钮后，电机先作星型连接启动，经延时 6秒后自动换接到三角形连接运转。 按下停止，电机停转。按下反转按钮后，进行反转的Y/ 启动。要求正反转互锁、Y/互锁。（四）电气元件介绍继电器继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现远距离控制和保护的自动控制电器。其输入量可以是电流、电压等电量。也可以的温度、 时间、速度、压力等非电量，而输出则是触头的动作或者是电路参数的变化。继电器的种类很多 ,按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。按工作原理

49、分为：电磁 式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器、电子式继电器等。按输 出形式分为：有触点和无触点两类。本设计主要用电磁继电器、时间继电器、 热继电器等。 接触器接触器是用来接通或分断电动机主电路或其他负载电路的控制电器。用它 可以实现频繁的远距离自动控制，接触器最主要的用途是控制电动机的启动、 反转、制动和调速等。因此它是电力拖动控制系统中最重要的控制电器之一。 它具有低电压释放保护功能。它具有比工作电流大数倍乃至十几倍的接通和分 断能力，但不能分断短路电流。它是一种执行电器，即使在先进是可编程控制 器应用系统中 .它一般也不能被取代。接触器种类很多，按驱动力不同分为电磁式、气动式、和液压式，以电磁 式应用最广泛。 熔断器熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬动 特性，用于电路的短路保护和严重过载保护。它具有结