機電一體化液壓伺服系統(tǒng)設計.doc

1、西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文液壓伺服系統(tǒng)設計專業(yè)：機電一體化技術年級：學生姓名：指導教師：西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文摘 要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(fā)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(yè)的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化 使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了以“機電一體化”為特征的發(fā)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(yōu)點是能夠有效地提高中、小批零件的加工生產

2、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(jié)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(fā)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(jié)。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(tǒng)。西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文目錄摘要 .錯誤！未定義書簽。第 1 章 總體方案設計 .1

3、1.1總體分析 .11.2方案框圖 .1第 2 章 單元模塊設計 .12.1鍵盤與顯示模塊 .12.1.1模塊工作原理 .32.1.2芯片 CH452介紹 .22.1.3芯片 CH452特點 .42.1.4顯示驅動原理 .52.1.5鍵盤掃描原理 .52.2單片機控制單元 .62.2.1控制原理 .62.2.2光電耦合電路 .72.2.3芯片介紹 .82.3串行通信模塊 .122.3.1 RS232通信協(xié)議 .112.3.2串行通信電路 .12第 3 章 電機與電氣控制電路設計 .143.1步進電機模塊 .143.1.1步進電機的工作原理 .143.1.2步進電機的頻率特性 .163.2交流電

4、機正反轉控制原理 .163.3交流電機的星三角形啟動.173.4電氣元件介紹 .20總 結.2 錯誤！未定義書簽。致 謝.錯誤！未定義書簽。參考文獻.19西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文第 1 章 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(tǒng)的設計。設計采用單片機對系統(tǒng)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(jiān)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 P

5、C機的通信。第 2 章 單元模塊設計2.1 鍵盤與顯示模塊隨著電子及計算機技術的飛速發(fā)展，涌現出了許多的智能型芯片，、和等公司都推出了一系列滿足不同行業(yè)多種需求的單片機芯片，的價格也從年代初的成百元降至如今最便宜的芯片只有數元，而一些功能單一的外圍接口芯片，越來越多地被功能強大、靈活方便的智能型芯片所代替。我們使用公司生產的設計出了鍵盤顯示模塊，功能上比傳統(tǒng)的鍵盤顯示接口芯片強，而成本僅有后者的。簡介 , 屬于家族，它同大家熟悉的單片機相比，口減少到個，其它配置和性能不減，指令完全兼容，片內具有字節(jié)的存貯器，電擦寫編程次數可達到次，數據可保存年。其中的、口第二功能可以作串行口使用，口可直接驅動

6、顯示器，其中、可以當作比較器的輸入端。 模塊原理 模塊原理圖見圖。鍵盤顯示模塊可外接鍵，位顯示器（可以擴展至位） ，它通過串行口同主控設備進行數據通信。下面分別加以介紹。1西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文2.1.1 模塊工作原理本單元模塊電路的功能是通過對片機編程 , 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(tài)顯示電路。在同一時刻，如果各位位選線都處于選通狀態(tài)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相應的顯示字符，就必須采用動態(tài)顯示方式；即在某一時刻；只讓某一位

7、的位選線處于選通狀態(tài)；而其他各位的位選線則處于關閉狀態(tài)；同時，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(tài)，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(huán)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。鍵盤的掃描原理與數碼管的

8、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。2.1.2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(tài)驅動 8 位數碼管或者 64 位 LED，具有 BCD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(lián)的4 線串行接口或者22西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文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。圖 3.2 CH452 工作原理2.1.3芯片 CH452特點1、顯示驅動內置

9、電流驅動級段電流不小于15mA,字電流不小于 80mA。動態(tài)顯示掃描控制直接驅動8 位數碼管、 64 位發(fā)光管 LED或者 64 級光柱?？蛇x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(huán)、右循環(huán)。各數碼管的數字獨立閃爍控制可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

10、盤控制內置 64 鍵鍵盤控制器，基于88 矩陣鍵盤掃描。內置按鍵狀態(tài)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(jié)電狀態(tài)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2 線串行接口。3西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文4 線串行接口支持多個芯片，級聯(lián)時鐘速度從0 到 2MHz兼容 CH451 芯片。4 線串行接口DIN 和 DCLK信號線可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。2 線串行接口支持兩個 CH452芯片并聯(lián)，由 ADDR引腳電平設定各自地址。2 線

11、串行接口時鐘速度從 500Hz 到 200KHz兼容兩線 I2C 總線，節(jié)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(jié)約電能，可以被按鍵喚醒或者被命令操作喚醒?？蛇x兩種封裝， SOP28、 DIP24S引腳與 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。2.1.4 顯示驅動原理CH452對數碼管和發(fā)光管采用動態(tài)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

12、至 1 英寸的共陰數碼管段，驅動引腳SEG6 SEG0，分別對應數碼管的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 分別連段 8 個數。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(tài)驅動時間，從而等同于靜態(tài)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(tài)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(tài)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

13、可以提高數碼管的顯示亮度。CH452內部具有 8 個 8 位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(fā)光二極管。 CH452支持數據寄存器中的字數據左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)，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(huán)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(fā)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(fā)光管LED或者數碼管的段會

14、點亮。該操作不影響任何其它LED 或者數碼管其它段的狀態(tài)。4西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文CH452支持 64 級的光柱譯碼用 64 個發(fā)光管或者 64 級光柱表示 65 種狀態(tài)，加載新的光柱值后，編址小于指定光柱值的發(fā)光管會點亮，而大于或者等于指定光柱值的發(fā)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(fā)光二極管陣列， 則每個字數據的數據位唯一地對應一個發(fā)光二級管。當數據位為1 時，對應的數據管的段或者發(fā)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(fā)光管就會熄滅。例如，第三個數據寄存器的

15、位 0 為 1，所以對應的第三個數碼管的段A 點亮。通過設定， CH452 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

16、下表，如果需要在數碼管上顯示字符 0，只要置入數據 0xx00000B或者 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 0xx10011B 或者 13H，對應于字符 = 數據 0xx11010B 或者 1AH 對應于字符 . 小數點，數據 0xx10000B 或者 10H對應于字符，空格數碼管沒有顯示。數據 0xx11110B 或者 1EH，對應于自定義的特殊字符，由“自定義BCD 碼”命令定義。2.1.5鍵盤掃描原理CH452 的鍵盤掃描功能支持8 8 矩陣的 64 鍵鍵

17、盤。在鍵盤掃描期間，DIG7DIG0 引腳用于列掃描輸出SEG7SEG0 ，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?yōu)殒I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，SEG7 SEG0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

18、止因為按鍵抖動或者外界干擾而產生誤碼，CH452實行兩次掃描只5西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文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(jié)和 5.6 節(jié)中的說明此時單片機可以通過串行接口讀取按鍵代碼，在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

19、鍵優(yōu)先。CH452 所提供的按鍵代碼為7 位，位 2、 位 0 是列掃描碼，位 5、 位 3 是行掃描碼。位 6 是狀態(tài)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，也可能是其它值，但是肯定小于 40H其中，對應 DIG3 的列掃描碼為 011B，對應 SEG4的行掃描碼為 100B。單片機可以在任何時候讀取按鍵代碼，但一般在 CH452檢測到有效按鍵而產生鍵盤中斷時讀取按鍵代碼，此時按鍵代碼的位6 總是 1 另外，如果需要了解按鍵何時釋放，單片機可以通過查詢方式

20、定期讀取按鍵代碼，直到按鍵代碼的位6為0。下表是在 DIG7、 DIG0與 SEG7、 SEG0之間 8 8 矩陣的順序編址，既是按鍵編址，也是數碼管段位、發(fā)光管LED 陣列以及光柱的編址。由于按鍵代碼是7 位鍵，按下時位 6 總是 1，所以當鍵按下時，CH452所提供的實際按鍵代碼是表中的按鍵編址加上40H，也就是說，此時的按鍵代碼應該在40H 到 7FH之間。2.2 單片機控制單元單片機是微控制器，他是需要獨立工作的 51 單片機的工作電壓是 5V（ TTL 電平）或 CMOS電平工作電流不能太大，要求高的還需要穩(wěn)壓單片機 , 具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)

21、點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。2.2.1控制原理本次設計是以單片機為核心進行設計的，在整個單片機控制系統(tǒng)中，CPU既是運算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)最關鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS-51系列完6西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文全兼容的 AT89C52單片機，AT89C52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。89C52的 P2 口輸出的矩形

22、脈沖信號直接控制步進電機的正反轉，兩臺電機需4 個控制信號，一根信號線備用。工作臺上行程開關的檢測信號經光電隔離器件后送到單片機，這樣可以實現單片機與電機工作電路的隔離，起到了抗干擾和保護的作用，也有 3 個備用。工作臺工作時的指示燈則由 P14-P17 和 T0、T1 控制，分別用于提示操作人員工作臺是在哪個坐標上朝哪個方向運動2.2.2光電耦合電路電機的那個輸入信號先經光電耦合器后送至單片機處理，這是由于步進電機的大7西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文功率、高電平會對單片機產生較嚴重的干擾，不能直接把單片機產生的控制信號直接連在步進電機上 ; 需要進行強弱電隔離。在實際運用中，對于強弱電隔離一般

23、采用電子開關方法或光電隔離的方法，在這里我們采用光電隔離的方法，如圖 3.3 所示，光電耦合器件是把發(fā)光器件 ( 如發(fā)光二極管 ) 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2.2.3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 的可反復檫寫的只讀程序存儲器， PEROM和 256bytes 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(tǒng)及 8052 產品引腳

24、兼容，片內置通用 8 位中央處理器 CPU和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C52單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。AT89C52提供以下標準功能8k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 256 字節(jié)內部 RAM、 32 個I/O 口線， 3 個 16 位定時 / 計數器，一個 6 向量兩級中斷結構，一個全雙工川行通信口片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52可降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許 RAM定時 / 計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一

25、個硬件復位。8西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文AT89C52的內部邏輯框圖如圖3.6 所示其管腳功能如下 :(1) 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。XTAL1、19 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、8 引腳，接外部晶體的另一端，在該引腳的內部接至內部反向放大器的輸出端。若采用外部時鐘振蕩器時看該引腳接收時鐘振蕩器的信

26、號。9西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文(3) 控制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(xù)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/PROG、30 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(fā)出的低 8 位地址經外部鎖存器鎖存的鎖存控制信號。 PROG為

27、本引腳的第二功能，為低電平有效。在對片內 EPROM型單片機編程寫入，此引腳作為編程脈沖輸入端。PSEN29 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。10西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文EA/VPP31 引腳EA功能為內外程序存儲器選擇控制端，為低電平有效。EA為高電平時，單片機訪問片內程序存儲器，反之則選擇片外程序存儲器。VPP為本引腳的第二功能。在對Flash 閃速存儲器編程時，該引腳加上+12V或是 +5V 的編程允許電源。(4)I/O口引腳P0口雙向 8 位三態(tài) I/O 口，此口為地址總線，低 8 位及

28、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， 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2.3 串行通信模塊2.3.1 RS232通信協(xié)議1 RS-232C標準介紹 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

29、及傳輸過程都進行了明確的規(guī)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米，需要使用專門的長線驅動器來延長RS-232C的通信距離。11西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文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。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、

30、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(tǒng)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(guī)定在 +3V-+25V 之間，邏輯“ 1”電平規(guī)定在 -3V25V 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。2.3.2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-232

31、C 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，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。第 3 章電機與電氣控制電路設計3.1 步進電機模塊12西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文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

32、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(tǒng)中，它既可以用作驅動電動機，也可以用作伺服電動機。圖 4.1 三相反應式步進電機工作原理圖3.1.1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-

33、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(xù)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。13西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文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

34、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。C、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AAB B BCCCD D DAA3、步進電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、

35、 B、 C、 D 四相，驅動方式為二相激磁方式，如下圖所示：步進機順序從 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(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉動起來，而進行相反的通電順序如 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。對于一個步進電機， 如果它的轉子的齒數為 Nr 它的齒距角 z 為 z=2/Nr ，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

36、一拍就執(zhí)行一次步進14西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文所以步進電機的步距角s。例如 : 對于三相反應式步進電機而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉動一個齒距時換相三次，六拍則是換相六次。而在三拍方式中還有單三拍和雙三拍之分。從公式可知，為了使步進電機工作的步距角 s 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。3.1.2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

37、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。(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

38、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(xù)流二極管 , 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 Tj ，其中 L 單位為亨 Rc、RL 單位為歐

39、姆 Tj 單位為秒。15西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文3.2交流電機正反轉控制原理步進電機一線繞組的開關回路，開關回路時間常數Tj 對注入電機繞組的電流達到穩(wěn)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Tj 越小，電流達穩(wěn)定時間小，相應電機工作頻率高， 反之 Tj 越大，電流達穩(wěn)定時間長， 電機工作頻率低。從公式可知，要減少Tj ，可以采用增大Rc 的辦法。但是增大Rc 時，又會使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機的力矩。為了減少Tj，而不使穩(wěn)態(tài)電流減小，可采用在增大Rc 的同時，也提高供電電壓的辦法。(1) 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，

40、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(tài)。(2) 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，流入電機繞組的電流就無法達到穩(wěn)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

41、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16西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文載，所以進入繞組的電流脈沖是以指數形式上升。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3.3 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17西北大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)論文如圖 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3/1 啟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