1、機電一體化綜合課程設計The Format Criterionof SDJU作者姓名：專業 ：學號 ：指導教師：完成日期：上海電機學院繼續教育學院摘要本設計是完成一兩坐標步進電機驅動運動工作臺控制系統的設計；完成交流電機啟停的電氣控制系統設計。其硬件部分共包括鍵盤操作、單片機控制、輸入電路、控I/30制電路、顯示電路等五個主要組成部分。設計的總體思路是準確安全的對工作臺和電機進行控制。位置信號和按鍵信息通過傳輸線傳送給單片機和鍵盤接口芯片，數據經過處理，將按鍵信息串行方式傳送給單片機，單片機通過相應的程序，向控制回路發送控制信號，進而控制工作臺的動作，實現對硬件設備的控制。關鍵詞： 鍵盤操作，

2、單片機控制，數碼管顯示。II/30注：論文英文題目。閱后刪除此文本框。The Format Criterionof SDJUAbstractThe design is completed on January 2 coordinates stepper motor driven campaign platforms control system design。 complete AC motor COMMITMENT electrical control system design. Part of its hardware, including keyboard, microcontroll

3、er control, input circuits and control circuits, display circuit, the five main components. The overall design is an accurate idea of the table and the safety of motor control.Position signal and key information transmitted to the transmission line through the MCU and keyboard interface chip, a data

4、 processing, key information will be transmitted to the serial microprocessor, microcontroller through relevant procedures, sent to the control loop control signal and then control table action to achieve the control of the hardware equipment.Key Words： Keyboardoperation,SCM control,Digital Display。

5、III / 30目錄AbstractIII引言 11 總體方案設計 21.1 總體分析 21.2 方案框圖 22 單元模塊設計 32.1 鍵盤與顯示模塊3模塊工作原理 3芯片 CH452 介紹 4特點 4顯示驅動原理 5鍵盤掃描原理 62.2 單片機控制單元模塊電路8控制原理 8光電耦合電路 10芯片介紹 102.3 串行通信模塊 14通信協議 14串行通信電路 153 電機與電氣控制電路設計163.1 步進電機模塊 163.1.1步進電機的工作原理163.1.2步進電機的步距角與工作拍數 183.1.3步進電機的頻率特性193.2 交流電機正反轉控制原理213.3 交流電機的星 三角形啟動

6、223.4 電氣元件介紹 22結論 24參考文獻 25附錄 A 單片機控制系統電路原理圖設計26附錄 By: 電氣控制原理圖127致謝 28IV/30引言機電一體化是以機械技術和電子技術為主題，多門技術學科相互滲透、相互結合的產物，是正在發展和逐漸完善的一門新興的邊緣學科。機電一體化使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發展階段。本設計中提到的微機數控機床是利用單板或單片微機對機床運動軌跡進行數控及對機床輔助功能動作進行程序控制的一種自動化機械加工設備。采用微機數控機床進行機械加工的最大優點是能夠有

7、效地提高中、小批零件的加工生產率，保證加工質量。此外，由于微型計算機具有價格低、體積小、性能可靠和使用靈活等特點，微機數控機床的一次性投資比全功能數控機床節省得多，且又便于一般工人掌握操作和維修。因此將專用機床設計成微機數控機床已成為機床設計的發展方向之一。本設計中用到的步進電機是一種將數字信號直接轉換成角位移或線位移的控制驅動元件，具有快速起動和停止的特點。其驅動速度和指令脈沖能嚴格同步，具有較高的重復定位精度，并能實現正反轉和平滑速度調節。它的運行速度和步距不受電源電壓波動及負載的影響，因而被廣泛應用于數模轉換、速度控制和位置控制系統。本設計完成了如下要求：1）單片機控制系統電路原理圖的設

8、計2）控制系統電路印制版的繪制3）利用單片機編程實現兩坐標系統的手動、自動和回位等運動4）實現兩坐標工作臺極限移動的保護及顯示、報警5）設計交流電機的點動、正反轉控制和星-三角形啟動的電氣控制原理圖6）電氣控制電路有相應的保護電路過載、過壓、欠壓等）7）熟悉機電系統常用元器件PLC、交流電機、直流電機、步進電機）此次 “機電一體化課程設計”主要簡單設計出數控機床系統，其實離實際真正工業用數控機床還有很大的距離。經過小組討論，擬設計兩坐標步進電機驅動運動工作臺控制系統和交流電機啟停的電器控制系統，單元模塊包括：單片機控制電路，鍵盤接口電路，鍵盤電路，顯示電路，輸入電路，控制電路， PC 接口電路

9、等。由于時間倉促和自己知識水平有限，在設計中難免會有些許瑕疵，懇請老師指正。1/30總體方案設計1.1 總體分析本次設計實現的是一兩座標步進電機驅動運動工作臺控制系統的設計。設計采用單片機對系統進行控制，單片機的包括鍵盤與顯示的控制、與 PC 機的串口通訊、以及電機輸入輸入輸出信號的控制。電機的輸入信號包含報警監測，在機床邊緣運用一個接近開關即可實現此目的。1.2 方案框圖單片機作為控制的核心，一方面對機床的運動方向和位移量進行控制，另外還將與鍵盤對應的位移信息顯示在 LED 上，并實現與 PC機的通信以及對報警的處理。三相交流繼電器控制4*8 鍵盤光電隔離功率接口步進電機 XHD7279A8

10、LED 顯示單片機功率接口工作臺光電隔離步進電機 Y串行通信至 上 位即行程開關圖 1.1 總體方案設計圖單元模塊設計2.1 鍵盤與顯示模塊模塊工作原理本單元模塊電路的功能是通過對單片機編程，使當前按鍵信息在8 個 LED 上顯示出來，由芯片 CH452 來對數碼管進行驅動，并對鍵盤進行掃描。圖 3.1 所示為一來個八位 LED 動態顯示電路。在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態的話， 8 位 LED 將顯示相同的字符。若要各位 LED 能夠同時顯示出與本位2/30相應的顯示字符，就必須采用動態顯示方式，即在某一時刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態，而其他各位的位選線則處于關閉狀態，同時，

11、段碼線上輸出相應位要顯示的字符段碼。這樣，在同一時刻，8 位 LED 中只有選通的那一位顯示出字符，而另一位則是熄滅的。同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態，在段碼線上輸出將要顯示字符的段碼，則同一時刻，只有選通位顯示出相應的字符，而其他各位則是熄滅的。如此循環下去，就可以使兩位分別顯示出將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現的，而在同一時刻，只有一位顯示，其他各位熄滅，但由于 LED 顯示器的余輝和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔時間足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果。VCC23VCCSEG015R662516ADDRSEG117SEG2C2C118

12、SEG319SEG42200.11420H3L2SEG5921GNDSEG61022GNDSEG7200CH4 528 1N40112RST1DIG02DIG1243INTDIG24DIG35DIG4276SCLDIG5267SDADIG68DIG78 2KK8K0圖 2.1 顯示單元模塊電路圖鍵盤的掃描原理與數碼管的掃描顯示原理類似，依次將矩陣鍵盤的某行或某列置一，再逐個判斷改行或該列上是否有信號為高，有則說明兩座標相交處的按鍵按下了。芯片 CH452介紹CH452是數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片。 CH452 內置時鐘振蕩電路，可以動態驅動 8 位數碼管或者 64 位 LED，具有 BC

13、D譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能；同時還可以進行 64 鍵的鍵盤掃描； CH452 通過可以級聯的 4 線串行接口或者 2 線串行接口與單片機等交換數據；并且可以對單片機提供上電復位信號。3/30圖 2.2 CH452 工作原理圖特點1、顯示驅動內置電流驅動級，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。動態顯示掃描控制，直接驅動8 位數碼管、 64 位發光管 LED 或者 64 級光柱。可選數碼管的段與數據位相對應的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。BCD 譯碼支持一個自定義的BCD 碼，用于顯示一個特殊字符。數碼管的字數據左移、右移、左循環、右循環。各數碼管的數字獨立閃爍控制，可

14、選快慢兩種閃爍速度。任意段位尋址，獨立控制各個LED 或者各數碼管的各個段的亮與滅。64 級光柱譯碼，通過64 個 LED 組成的光柱顯示光柱值。掃描極限控制，支持1 到 8 個數碼管，只為有效數碼管分配掃描時間。可以選擇字驅動輸出極性，便于外部擴展驅動電壓和電流。2、鍵盤控制內置 64 鍵鍵盤控制器，基于8 8 矩陣鍵盤掃描。內置按鍵狀態輸入的下拉電阻，內置去抖動電路。鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放。支持按鍵喚醒，處于低功耗節電狀態中的CH452 可以被部分按鍵喚醒。3、外部接口同一芯片，可選高速的4 線串行接口或者經濟的2 線

15、串行接口。4 線串行接口：支持多個芯片級聯，時鐘速度從0 到 2MHz ，兼容CH451 芯片。4/304 線串行接口： DIN 和 DCLK 信號線可以與其它接口電路共用，節約引腳。2 線串行接口：支持兩個CH452 芯片并聯 由 ADDR 引腳電平設定各自地址）。2 線串行接口：時鐘速度從500Hz 到 200KHz ，兼容兩線 I2C 總線，節約引腳。內置上電復位，可以為單片機提供高電平有效和低電平有效復位輸出。4、其它內置時鐘振蕩電路，不需要外部提供時鐘或者外接振蕩元器件，更抗干擾。支持低功耗睡眠，節約電能，可以被按鍵喚醒或者被命令操作喚醒。可選兩種封裝： SOP28、DIP24S，引

16、腳與 CH451 芯片兼容。經過授權采用了1 項專利技術，低成本，簡便易用。顯示驅動原理CH452 對數碼管和發光管采用動態掃描驅動，順序為 DIG0 至 DIG7 ，當其中一個引腳吸入電流時，其它引腳則不吸入電流。 CH452 內部具有電流驅動級，可以直接驅動 0.5 英寸至 1 英寸的共陰數碼管，段驅動引腳 SEG6SEG0 分別對應數碼管的段G段 A ，段驅動引腳 SEG7 對應數碼管的小數點，字驅動引腳 DIG7 DIG0 分別連接 8 個數碼管的陰極； CH452 也可以連接 88 矩陣的發光二級管 LED 陣列或者 64 個獨立發光管或者 64 級光柱； CH452 可以改變字驅動

17、輸出極性以便直接驅動共陽數碼管 不譯碼方式），或者通過外接反相驅動器支持共陽數碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數碼管。CH452 支持掃描極限控制，并且只為有效數碼管分配掃描時間。當掃描極限設定為 1 時，唯一的數碼管 DIG0 將得到所有的動態驅動時間，從而等同于靜態驅動；當掃描極限設定為 8 時， 8 個數碼管 DIG7 DIG0 各得到 1/8 的動態驅動時間；當掃描極限設定為 4 時， 4 個數碼管 DIG3 DIG0 各得到 1/4 的動態驅動時間，此時各數碼管的平均驅動電流將比掃描極限為 8 時增加一倍，所以降低掃描極限可以提高數碼管的顯示亮度。CH452 內部具有8 個 8 位

18、的數據寄存器，用于保存8 個字數據，分別對應于CH452 所驅動的 8 個數碼管或者 8 組每組 8 個的發光二極管。 CH452 支持數據寄存器中的字數據左移、右移、左循環、右循環，并且支持各數碼管的獨立閃爍控制，在字數據左右移動或者左右循環移動的過程中，閃爍控制的屬性不會隨數據移動。CH452 支持任意段位尋址，可以用于獨立控制64 個發光管 LED 中的任意一個或者數碼管中的特定段例如小數點），段位編址順序與鍵盤編址一致，編址從00H 到3FH。當用“段位尋址置 1”命令將某個地址的段位置 1 后，該地址對應的發光管 LED 或者數碼管的段會點亮，該操作不影響任何其它 LED 或者數碼管

19、其它段的狀態。5/30CH452 支持 64 級的光柱譯碼，用64 個發光管或者64 級光柱表示65 種狀態，加載新的光柱值后，編址小于指定光柱值的發光管會點亮，而大于或者等于指定光柱值的發光管會熄滅。CH452 默認情況下工作于不譯碼方式，此時 8 個數據寄存器中字數據的位 7位 0 分別對應 8 個數碼管的小數點和段 G段 A ，對于發光二極管陣列，則每個字數據的數據位唯一地對應一個發光二級管。當數據位為1 時，對應的數據管的段或者發光管就會點亮；當數據位為0 時，則對應的數據管的段或者發光管就會熄滅。例如，第三個數據寄存器的位0 為 1，所以對應的第三個數碼管的段A 點亮。通過設定， C

20、H452還可以工作于BCD 譯碼方式，該方式主要應用于數碼管驅動，單片機只要給出二進制數 BCD 碼，由 CH452 將其譯碼后直接驅動數碼管顯示對應的字符。BCD 譯碼方式是指對數據寄存器中字數據的位4位 0 進行 BCD 譯碼，控制段驅動引腳SEG6 SEG0的輸出，對應于數碼管的段G段 A ，同時用字數據的位7 控制段驅動引腳SEG7 的輸出，對應于數碼管的小數點，字數據的位6 和位 5 不影響 BCD 譯碼。下表為數據寄存器中字數據的位4位 0 進行 BCD 譯碼后，所對應的段G段 A 以及數碼管顯示的字符。參考下表，如果需要在數碼管上顯示字符0，只要置入數據0 xx00000B 或者

21、00H；需要顯示字符 0.0 帶小數點），只要置入數據 1xx00000B 或者 80H；類似地，數據 1xx01000B 或者 88H 對應于字符 8.8 帶小數點）；數據 0 xx10011B 或者 13H 對應于字符 =；數據 0 xx11010B 或者 1AH 對應于字符 .小數點）；數據 0 xx10000B 或者 10H 對應于字符 空格，數碼管沒有顯示）；數據 0 xx11110B 或者 1EH 對應于自定義的特殊字符，由“自定義 BCD 碼”命令定義。鍵盤掃描原理CH452 的鍵盤掃描功能支持 8 8 矩陣的 64 鍵鍵盤。在鍵盤掃描期間， DIG7 DIG0 引腳用于列掃描輸

22、出， SEG7 SEG0 引腳都帶有內部下拉電阻，用于行掃描輸入。當啟用鍵盤掃描功能后， 4 線串行接口中的 DOUT 引腳的功能由串行接口的數據輸出變為鍵盤中斷輸出以及按鍵數據輸出。CH452 定期在顯示驅動掃描過程中插入鍵盤掃描。在鍵盤掃描期間，DIG7 DIG0引腳按照DIG0 至 DIG7 的順序依次輸出高電平，其余7 個引腳輸出低電平； SEG7SEG0 引腳的輸出被禁止，當沒有鍵被按下時， SEG7SEG0 都被下拉為低電平；當有鍵被按下時，例如連接 DIG3 與 SEG4 的鍵被按下，則當 DIG3 輸出高電平時 SEG4 檢測到高電平；為了防止因為按鍵抖動或者外界干擾而產生誤碼

23、，CH452 實行兩次掃描，只有當兩次鍵盤掃描的結果相同時，按鍵才會被確認有效。如果CH452 檢測到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代碼，并通過 4 線串行接口中的 DOUT 引腳或者 2 線串行接口中的 INT# 引腳產生低電平有效的鍵盤中斷 當 INTM 為 1 時輸出低電平脈沖中斷，參考 5.5 節和 5.6 節中的說明），此時單片機可以通過串行接口讀取按鍵代碼；在6/30沒有檢測到新的有效按鍵之前，CH452 不再產生任何鍵盤中斷。CH452 不支持組合鍵，也就是說，同一時刻，不能有兩個或者更多的鍵被按下；如果多個鍵同時按下，那么按鍵代碼較小的按鍵優先。CH452 所提供的按鍵代碼為 7

24、位，位 2位 0 是列掃描碼，位 5位 3 是行掃描碼，位 6 是狀態碼 鍵按下為 1，鍵釋放為 0）。例如，連接 DIG3 與 SEG4 的鍵被按下，則按鍵代碼是 1100011B 或者 63H，鍵被釋放后，按鍵代碼通常是 0100011B 或者23H和光敏器件 (如光敏三極管 集成在一起，通過光線實現耦合構成電 -光和光 -電的轉換器件。+5VR1R274AHC1G1424HONGWAI740 412A圖 3.3 光電耦合電路芯片介紹設計所使用的單片機AT89C52 是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能COMS8 位單片機，如圖3.5 基本外圍電路圖所示。它片內含有8k bytes 的

25、可反復檫寫的只讀程序存儲器PEROM）和256 bytes 的隨機存儲數據存儲RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性技術生產，與標準MCS-51 指令系統及8052 產品引腳兼容，片內置通用8 位中央處理器 電源引腳：Vcc(40 引腳 ：接 +5V 電源。Vss(20 引腳 ：接地。(2時鐘引腳：2 個時鐘引腳 XTAL1 、XTAL2 外接晶體與片內的反向放大器構成了一個晶體振蕩器，它為單片機提供了時鐘控制信號。兩個引腳也可以外接獨立的晶體振蕩器。XTAL119 引腳）：接外部晶體的一個引腳。該引腳內部是一個反向放大器的輸入端，這個反向放大器構成了片內振蕩器。XTAL1控制

26、引腳：此類引腳提供控制信號，有的引腳還有復用功能。RST/VPD(9 引腳 ： RSTRESET）是復位信號輸入端，高電平有效。當單片機運行時，在此引腳上加上持續時間大于兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位工作。在單片機正常工作時，此引腳應為0.5V 低電平。 VPD 為本引腳的第二功能，即備用電源輸入端。ALE/PROG30 引腳）： ALE 引腳輸出為地址鎖存允許信號，當單片機上電正常工作以后， ALE 引腳不斷輸出正脈沖信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE 輸出信號的負跳沿用于單片機發出的低8 位地址經外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。PROG為本引腳的第二功能，為低電平有效。在對片內E

27、PROM 型單片機編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。11/30PSEN29 引腳）：程序存儲器允許輸出控制端，為低電平有效。在單片機訪問外部程序存儲器時，此引腳輸出脈沖負跳沿作為讀外部程序存儲器的選通信號。EA/VPPI/O 口引腳：P0 口：雙向 8 位三態 I/O 口，此口為地址總線 低 8 位）及數據總線分時復用口，可驅動 8 個 LS 型 TTL 負載。P1 口： 8 位準雙向 I/O 口，可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。P2 口： 8 位準雙向 I/O 口，與地址總線 高 8 位）復用，可驅動4 個 LS 型 TTL 負載。P3 口： 8 位準雙向 I/O 口，雙功能復用口

28、，可驅動4 個LS型TTL負載。除此之外， P3 口還有第二功能，如表3.2 所示：表 3.2 P3 口的第二功能2.3 串行通信模塊串行通信有很多種，目前較常用的有 RS232、 RS422 和 RS485，根據本設計的實際情況， RS232 串行通信可以滿足要求， 232 電平與 TTL 電平的轉換使用已廣泛使用且效果良好的 MAX232 芯片。通信協議1） RS-232C 標準介紹12/30串行通信接口標準中， RS-232C 是目前最常用的一種串行通信接口。 RS-232C 標準的全稱是 EIA-RS-232C 標準，該標準對串行通信的連接電纜和機械、電氣特性、信號功能以及傳輸過程都進

29、行了明確的規定，適合于數據傳輸速率在0-20kb/s 范圍內的通信。RS-232C 的推薦最大電纜長度為 15m，實際通信中可以以降低通信速率為代價適當延長通信距離。如果要實現長距離的傳輸 數百 M ），需要使用專門的長線驅動器來延長 RS-232C 的通信距離。2） RS232C中的引腳定義和電氣特性RS-232C 中定義了 20 根信號線，使用 25 芯 D 型連接器 DB25 實現，后來為了簡化串口的線路連接，出現了 9 芯 D 型連接器 DB9 ，DB9 引腳的分布和信號說明分別如圖 3.6 和表 3.3 所示。DCD1DSR6RXD2RTS7TXD3CTS8DTR4RI9GND5DB

30、9圖 3.6 DB9 連接器引腳定義表 3.3 DB9 連接器信號說明引腳號符號縮寫方向說明1DCD輸入數據載波檢出2RXD輸入接受數據3TXD輸出發送數據4DTR輸出數據終端準備好5GND信號地6DSR輸入數據準備就緒7RTS輸出請求發送8CTS輸入允許發送9RI輸入振鈴提示RS-232C 標準的電氣特性參數有帶 3-7K 時驅動器的輸出電平、輸出開路時接受器的輸出邏輯、輸入經 300接地時接收器的輸出邏輯和驅動器轉換速率等。不同于傳統的 TTL 等數字電路的邏輯電平，RS-232C 的邏輯電平以公共地為對稱，其邏輯“0”電平規定在 +3V-+25V 之間，邏輯“ 1”電平規定在 -3V 2

31、5V 之間，因此需要使用正負極性的雙電源供電。由于其與 TTL 等數字電路的邏輯電平不兼容，因此二者之間的連13/30接必須使用電平轉換。一般使用中，只需要連接好TXD 、 RXD 、 DSR、 RTS、GND5根線即可正常通信。如果去掉握手信號，最少使用3 根線即可實現正常的串口通信。本設計采用MAX232 芯片實現單片機和上位機之間電平的轉換，而且該芯片本身對電流具有一定的泵升的作用，因此廣泛應用于串行通信中。串行通信電路RS-232C 接口電路包括RS-232C 接口電平轉換部分和RS-232C 總線連接部分。RS-232C 標準的邏輯電平與TTL 電平之間的轉換用MAX232 芯片實現

32、，單片機的TXD 、RXD 分別連到 MAX232 的 T2in、 R1out 端。在 RS-232C 的總線連接上采用最簡單的三線連接模式，即連接DB9 的 TXD 、 RXD 和 GND 三端。VCCC5S?162V+VCCJ?0.1 1C1+GND15DB90.1C6T1OUT143C1-R1IN13146C2+0.1R1OUT1227C7115C2-T1IN386V-R2IN9479T2INC88105R2OUTT2OUT0.1MAX232圖 3.7 RS-232C接口電路電機與電氣控制電路設計3.1 步進電機模塊步進電動機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機，它的運行需

33、要專門的驅動電源，驅動電源的輸出受外部的脈沖信號控制。每一個脈沖信號可使步進電機旋轉一個固定的角度，這個角度稱為步距角。脈沖的數量決定了旋轉的總角度，脈沖的頻率決定了電動機旋轉的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機旋轉的方向。在數字控制系統中，它既可以用作驅動電動機，也可以用作伺服電動機。它在工業過程控制中得到廣泛的應用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場合應用更為廣泛。14/30圖 3.1 三相反應式步進電機工作原理圖步進電機的工作原理步進電機是機電一體化的關鍵部件之一，被廣泛應用于需要精確定位、同步、行程控制等場合。一、步進電動機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電

34、流來驅動。若每旋轉一圈以 200 個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進 18 度，其旋轉角度與脈沖數成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。二、步進電動機的勵磁方式可分為全部勵磁及半步勵磁，其中全步勵磁又有1 相勵磁及2 相勵磁之分，而半步勵磁又稱1-2 相勵磁。圖為步進電動機的控制等效電路，適應控制A 、B、/A 、/B 的勵磁信號，即可控制步進電動機的轉動。每輸出一個脈沖信號，步進電動機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可步進電動機連續轉動。分述如下：A 、1 相勵磁法：在每一瞬間只有一個線圈導通。消耗電力小，精確度良好，但轉矩小，振動較大，每送一勵磁信號可走1.8 度。若欲以1 相勵磁

35、法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。B、2 相勵磁法：在每一瞬間會有二個線圈同時導通。因其轉矩大，振動小，故為目前用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走1.8 度。若以 2 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。15/30C、1-2 相勵磁法：為 1 相與 2 相輪流交替導通。因分辨率提高，且運轉平滑，每送一勵磁信號可走 0.9 度，故亦廣泛被采用。若以 1 相勵磁法控制步進電動機正轉，其勵磁順序如圖所示。若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉。勵磁順序： A AB B BC C CD D DAA3、步進電

36、動機的負載轉矩與速度成反比，速度愈快負載轉矩愈小，當速度快至其極限時，步進電動機即不再運轉。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間。下面介紹的是國產 20BY-0 型步進電機，它使用 +5V 直流電源，步距角為 18 度。電機線圈由四相組成，即 A 、B 、 C、 D 四相，驅動方式為二相激磁方式，電機示意圖和各線圈通電順序如圖 4.2 和表 4.1 所示：圖 4.2步進電機原理圖表 4.1 線圈通電順序16/30相順序從 0 到 1 稱為一步，電機軸將轉過 18 度， 0 1 2 3 4 則稱為通電一周，轉軸將轉過 72 度，若循環進行這種通電一周的操作，電機便連續的轉動起來，而進行相反的通

37、電順序如 4 3 2 1 將使電機同速反轉。通電一周的周期越短，即驅動頻率越高，則電機轉速越快，但步進電機的轉速也不可能太快，因為它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，可能導致電機失步，甚至只在原步顫動。步進電機的步距角與工作拍數對于一個步進電機，如果它的轉子的齒數為，它的齒距角為：=2，而步進電機運行 k 拍可使轉子轉動一個齒距位置。實際上步進電機每一拍就執行一次步進，所以步進電機的步距角可以表示如下：公式 4.1）或公式 可知：為了使步進電機工作的步距角減小，也即：使控制精度增高，步進電機在相數一定的情況下應增加工作拍數。步進電機的頻率特性對于反應式步進電機，在其繞組中通電的相序不同時

38、，步進電機的旋轉方向和步進精度有所不同。步進電機對繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過高，超過步進電機的最大步進速度，就會產生失步。一般步進電機的通電頻率，即起動頻率為 ? 50 步秒到 2000 步秒。步進電機的頻率特性曲線，是步進電機的工作頻率及其對應轉動力矩所作出的曲線，典型的步進電機頻率特性曲線如圖2 所示。步進電機的頻率特性曲線和很多因素有關，這些因素包括步進電機的轉子直徑、轉子鐵心有效長、 .控制線路的電壓、齒數、齒形、齒槽比、步進電機內部的磁路、繞組的繞線方式、定轉子間的氣隙、轉動一個齒距所需的拍數等。在使用中會影響到步進電機頻率特性而又能由用戶確定的因素有：控制拍數、控制

39、線路的電壓、線路時間常數等。下面分析這幾種因素對步進電機頻率特性的影響。17/30(1工作方式對頻率特性的影響在步進電機應用中，它的工作方式是以一個齒距所用的拍數來表示的。拍數本質上也就是轉動一個齒距所需的電源電壓換相次數，值得指出的是換相是指對步進電機各相繞組進行轉換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應式電機拍數越多矩頻特性就越好。因此設計中應選擇多拍的控制方式。(2線路時間常數對頻率特性的影響步進電機的每相繞組供電都是通過功率開關電路進行的。步進電機一相繞組的開關電路如圖 3.2 所示。其中 L 為步進電機繞組電感； RL 為繞組電阻； Rc 為晶體管 T 的集電極電阻； D 是續流

40、二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管 T 是大功率開關管。 Rc 也是個外接的功率電阻，它是一個消耗性負載，一一般為數歐姆。這時線路的時間常數為：公式 (4.3其中： L 單位為亨， Rc、RL 單位為歐姆，單位為秒。圖 4.3 步進電機一線繞組的開關回路開關回路時間常數對注入電機繞組的電流達到穩定值的時間有極大關系，它影響到步進電機的工作頻率。并且有：越小，電流達穩定時間小，相應電機工作頻率高；反之，越大，電流達穩定時間長，電機工作頻率低。從式 (4.3可知：要減少，可以采用增大Rc 的辦法。但是，增大Rc 時，又會使穩態電流值減小，從而影響電機的力矩。為了減少，而不使穩態電流減小，可采用在

41、增大 Rc 的同時，也提高供電電壓的辦法。在高頻應用中，要盡量減小以改善步進的特性，所以常在開關回路中采用較大的Rc，同時也提高回路的電源電壓U。但這樣也會使效率降低，在低頻段工作時也會使步進電機的振蕩加劇。在實際中，可根據客觀情況來考察選擇恰當的外部電阻Rc，使步進電機處于合適的工作頻率狀態。18/30(3開關回路電壓對頻率的影響在一般應用中，開關電路的脈寬和流人繞組的電流的最大值，必定會隨開關電路換相頻率的提高而相應減小。開關電路產生的控制電壓是以矩形波方式加在繞組上的。隨著換相頻率的提高，矩形脈沖電壓波頻率相應提高，這樣，矩形脈沖電壓的寬度和周期也就會變小，當矩形脈沖電壓窄到一定程度，流

42、入電機繞組的電流就無法達到穩定值 I ，步進電機就難以步進工作了。為了保證在矩形脈沖電壓相當窄時，也即頻率足夠高時，步進電機仍能正常步進工作，可以提高開關回路的電壓。開關回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進電機中要設法增大起動電流，以提高步進電機轉動力矩，即提高其工作頻率。由于步進電機是感性負載，所以進入繞組的電流脈沖是以指數形式上升，即這時電流脈沖i 為：公式 (4.4其中： i 是電流脈沖瞬時值；是在開關回路電壓為u 時的電流穩態值；是開關回路的時間常數，綜上所述，本設計選用三相步進反應式電機，采用運行中根據工作頻率對電源電壓升壓補償的控制方法。3.2 交流電機正反轉控制原

43、理在生產實踐過程中，常要求用一臺電動機的正反轉控制方向相反的兩個運動，如小車的左行、右行；機械手的上升、下降等。本設計對交流電機的正反轉控制的電氣原理圖如下所示：19/30FUS1K1K2(2/1)(2/3)U?常閉開關_1U?常閉開關_1_1FR1(2/1)U?U?07-13-01U?U?U?07-13-01U?U?07-13-01U?U?U?07-13-01M07-02-0307-02-03U?U?U?U?307-15-0107-15-0107-15-0107-15-01U?三相電機_1圖 4.4交流電機正反轉控制的電氣原理圖要實現三相鼠籠型異步電動機的正反轉控制，只要把三相線當中的任意兩

44、相調換一下位置就可以了。如圖 4.4 所示：假如接觸器 KM1 閉合時電動機正轉，則當接觸器 KM1 斷開，接觸器 KM2 閉合時，電動機就會反轉。從圖中我們可以看出：要改變三相交流電機的旋轉方向，只需要任意交換其中兩相就可以達到目的。圖中各元器件的作用如表所示：表 4.2 元器件作用列表20/303.3 交流電機的星三角形啟動對于正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動機，在啟動時，為了保護電動機，一般采用Y/ 降壓啟動方法來達到限制啟動電流的目的。Y/ 降壓啟動的原理如圖 1 所示：在啟動過程中將電動機定子繞組接成星形，即接觸器KMY 閉合。此時電動機每相繞組承受的電壓為額定電壓的，啟

45、動電流為三角形接法時啟動電流的1/3。接觸器KMY 閉合的同時定時器開始定時，定時時間到，接觸器KMY 斷開，接觸器 KM 閉合。電動機繞組為三角形接法，進入正常運行階段。控制電路要有自鎖、互鎖、定時等常用電路，要求合上啟動 、熔體及導電部件等部分組成。其中熔體是主要部分，它既是感測元件又是執行元件。熔斷管的作用是便于安裝熔體和有利于熔體熔斷時熄滅電弧。 行程開關行程開光又稱限位開關，是一種利用生產機械某些運動部件的碰撞來發出控制命令的主令電器。用于控制生產機械的運動方向、速度、行程大小或位置的一種自動控制器件。行程開關廣泛應用于各類機床、起重機械以及輕工機械的行程控制。當生產機械運動到某一預

46、定位置時，行程開關通過機械可動部分的動作，將機械信號轉換為電信號，以實現對生產機械的控制，限制它們的動作和位置，借此對生產機械給以必要的保護。結論本次課程設計是我所做的最綜合的一個題目，它跨越了機械和電氣兩大領域。在做設計時，我們第一步是按照設計要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據個電子元件的功能及題目的要求一一進行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設計方案并確定。最開始我們選擇了兩個方案，但經過方案的比較及論證后去掉不合理的一個，最終用那個最好的方案來設計。方案確定后便開始設計實際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設計原理圖的，實際電路圖設計好之后，便開始寫設計報告。這次課程設計是我又一次親自動手設計東西，收獲很多，體會也很深刻。在這次設計中我也學會了很多新的東西，例如 Protel 99 SE 軟件使用、 WORD 軟件的一些細節地方的應用、以及一些常用的文本處理方法。當然最重要的是學到了基于單片機的機床設計的一些基本方法，同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握，比如單片機AT89S52、通訊接口芯片MAX232 、鍵盤掃描顯示芯片CH452 等元器件，除了這些具體的東西，我覺得在這次設計的過程中學到的另外的更重要東西是一種精神，一種同學與同學之間的團隊與合作精神，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不