机电工程专科毕业论文

课 程 设 计 说 明 书

课程设计名称： 机电一体化综合课程设计 题 目：

学 生 姓 名： 程龙

专 业： 机电一体化

学 号：

指 导 教 师：

日期：2011/5/3

目 录

1 前言 ................................................................................................................................................... 2

2 总体方案设计................................................................................................................................... 4

2.1 总体分析 ................................................................................................................................................... 4

2.2 方案框图 ................................................................................................................................................... 4

3 单元模块设计................................................................................................................................... 5

3.1 键盘与显示模块 ....................................................................................................................................... 5

3.1.1 模块工作原理 ............................................................................................................................... 5

3.1.2 芯片CH452介绍 ........................................................................................................................... 6

3.1.2.1 特点 ........................................................................................................................................... 6

3.1.2.2 显示驱动原理 ........................................................................................................................... 7

3.2 单片机控制单元模块电路 ....................................................................................................................... 9

3.2.1 控制原理 ....................................................................................................................................... 9

3.2.2 光电耦合电路 ............................................................................................................................. 10

3.2.3 芯片介绍 ......................................................................................................................................11

3.3 串行通信模块 ......................................................................................................................................... 14

3.3.1 RS232通信协议 .......................................................................................................................... 14

3.3.2 串行通信电路 ............................................................................................................................. 15

4 电机与电气控制电路设计 ............................................................................................................ 17

4.1 步进电机模块 ......................................................................................................................................... 17

4.1.1 步进电机的工作原理 ................................................................................................................. 17

4.2.2 步进电机的步距角与工作拍数 ................................................................................................. 19

4.3.3 步进电机的频率特性 ................................................................................................................. 20

4.2 交流电机正反转控制原理 ..................................................................................................................... 22

4.3 交流电机的星—三角形启动 ................................................................................................................. 23

4.4 电气元件介绍 ......................................................................................................................................... 23

5 设计总结、致谢............................................................................................................................. 25

6 参考文献 ......................................................................................................................................... 26

附录Ⅰ：单片机控制系统电路原理图设计 .................................................................................... 27

附录Ⅱ:电气控制原理图1 ............................................................................................................... 28

附录Ⅲ:电气控制原理图2 ............................................................................................................... 29

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，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。

1 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。经过小组讨论，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：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。

2 总体方案设计

2.1 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。

2.2 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的处理。

图2.1 总体方案设计图

3 单元模块设计

3.1 键盘与显示模块

3.1.1 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。

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。

3.1.2 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

3.1.2.1 特点

（1）显示驱动

 内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。

 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8×8 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。

 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：SOP28、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。

3.1.2.2 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DIG0 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SEG6～SEG0 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DIG7～DIG0分别连接8 个数码管的阴极；CH452 也可以连接8×8矩阵的发光二级管LED阵列或者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DIG7～DIG0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DIG3～DIG0 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00H 到3FH。当用“段位寻址置1”命令将某个地址的段位置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SEG6～SEG0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。

3.1.2.2 键盘扫描原理

CH452 的键盘扫描功能支持8×8 矩阵的64 键键盘。在键盘扫描期间，DIG7～DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7～SEG0 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，DIG7～DIG0 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；SEG7～SEG0引脚的输出被禁止，当没有键被按下时，SEG7～SEG0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DIG3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；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式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。

下表是在DIG7～DIG0 与SEG7～SEG0之间8×8 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。

表3.1 CH452按键编址

3.2 单片机控制单元模块电路

3.2.1 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，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。

图3.2 单片机控制单元模块电路

3.2.2 光电耦合电路

电机的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。

3.2.3 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COMS8位单片机，如图3.5基本外围电路图所示。它片内含有8k bytes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0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。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。

图3.4 AT89C52基本外围电路图

AT89C52的内部逻辑框图如图3.6所示，其管脚功能如下： (1)电源引脚：

Vcc(40引脚)：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大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号。

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≤0.5V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，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）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

3.3 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，232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。 3.3.1 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。

图3.6 DB9连接器引脚定义

表3.3 DB9连接器信号说明

RS-232C标准的电气特性参数有带3-7KΩ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300Ω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-3V—25V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。 3.3.2 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、R1out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。

图3.7 RS-232C接口电路

4 电机与电气控制电路设计

4.1 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

4.1.1 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。

一、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。二、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，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。

B、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。

C、1-2 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，故亦广泛被采用。若以1 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： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A

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 步进电机原理图

表4.1 线圈通电顺序

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4321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。 4.2.2 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=2Π/Nr，而步进电机运行k拍可使转子转动一个齿距位置。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/Nrk

公式（4.1）

4.2）



k 公或 s360/Nr

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。 4.3.3 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/RL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，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，采用运行中根据工作频率对电源电压升压补偿的控制方法。

4.2 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 元器件作用列表

4.3 交流电机的星—三角形启动

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1/3，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，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。

4.4 电气元件介绍

⑴ 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。

⑵ 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。 ⑶ 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。它具有结构简单、体积小、使用维护方便、分断能力较高、限流性能良好等特点，以内功用十分广泛。

熔断器在结构上主要由熔断管(或盖、或座) 、熔体及导电部件等部分组成。其中熔体是主要部分，它既是感测元件又是执行元件。熔断管的作用是便于安装熔体和有利于熔体熔断时熄灭电弧。

⑷ 行程开关

行程开光又称限位开关，是一种利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制命令的主令电器。用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。

行程开关广泛应用于各类机床、起重机械以及轻工机械的行程控制。当生产机械运动到某一预定位置时，行程开关通过机械可动部分的动作，将机械信号转换为电信号，以实现对生产机械的控制，限制它们的动作和位置，借此对生产机械给以必要的保护。

5 设计总结、致谢

本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，它跨越了机械和电气两大领域。在做设计时，我们第一步是按照设计要求来确定该题目可能需要的元器件，再慢慢根据个电子元件的功能及题目的要求一一进行筛选，最终确定用那些元件。第二步是设计方案并确定。最开始我们选择了两个方案，但经过方案的比较及论证后去掉不合理的一个，最终用那个最好的方案来设计。方案确定后便开始设计实际电路，我们是在Protel 99 SE软件上设计原理图的，实际电路图设计好之后，便开始写设计报告。

这次课程设计是我又一次亲自动手设计东西，收获很多，体会也很深刻。在这次设计中我也学会了很多新的东西，例如Protel 99 SE软件使用、WORD软件的一些细节地方的应用、以及一些常用的文本处理方法。当然最重要的是学到了基于单片机的机床设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握，比如单片机AT89S52、通讯接口芯片MAX232、键盘扫描显示芯片CH452等元器件，除了这些具体的东西，我觉得在这次设计的过程中学到的另外的更重要东西是一种精神，一种同学与同学之间的团队与合作精神，很多时候一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都会，我觉得人与人之间的相互帮助很有必要，这样不仅能帮助大家很快的解决问题，还能提高我们每个人的实际水平，也培养了我们的团队合作精神，这些能力对于我们今后的学习和工作都很有帮助。

通过这次课程设计我深刻的感到了理论和实践之间的巨大差距极其之间的联系。平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不会的操作，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能相互促进、相互提高。另外，理论与实践也存着必然的联系，在指导老师的帮助下才能使课程设计最终成功。

在此特别感谢我的指导老师XX老师和XX老师，感谢XX学院给我们提供这次设计的机会和器材，同时要感谢我班的几位同学，正是因为有了你们的指导和帮助，我的设计才能进行和顺利结束。

6 参考文献

【1】尔桂花. 运动控制系统 清华大学出版社 2002

【2】张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置 化学工业出版社 【3】潘永雄. 电子线路CAD实用教程. 西安电子科技大学出版社 【4】黄惟公 单片机原理与应用技术 西安电子科大出版社 2007 【5】张毅刚 MCS—51单片机应用设计 哈尔滨工业大学大学出版社 【6】张万忠 电器与PLC控制技术 化学工业出版社2004 【7】邓星钟 机电传动控制 华中理工大学出版社

附录Ⅰ：单片机控制系统电路原理图设计

附录Ⅱ:电气控制原理图1

附录Ⅲ:电气控制原理图2