步进电机驱动运动工作台控制系统-设计本科学位论文.doc

成人高等教育毕业作业题 目：步进电机驱动运动工作台控制系统设计 学院(函授站）： 年级专业： 层 次： 专科 学 号： 姓 名： 李晓光 指导教师： 起止时间： 年 月 日 月 日 目 录1 前言12 总体方案设计22.1 总体分析22.2 方案框图23 单元模块设计33.1 键盘与显示模块33.1.1 模块工作原理33.1.2 芯片CH452介绍43.1.2.1 特点43.1.2.2 显示驱动原理53.2 单片机控制单元模块电路73.2.1 控制原理73.2.2 光电耦合电路83.2.3 芯片参数93.3 串行通信模块123.3.1 RS232通信协议123.3.2 串行通信电路134 电机与电气控制电路设计154.1 步进电机模块154.1.1 步进电机的工作原理154.2.2 步进电机的步距角与工作拍数174.3.3 步进电机的频率特性184.2 交流电机正反转控制原理204.3 交流电机的星三角形启动214.4 电气元件介绍215 致谢236 参考文献24附录：单片机控制系统电路原理图设计25附录:电气控制原理图126附录:电气控制原理图227机电一体化综合课程设计摘 要：本设计是完成步进电机驱动运动工作台控制系统的设计，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、显示电路等组成部分。设计的思路是精确稳定地对电机及工作台进行控制。 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，数码管显示，单片机控制。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”设计出数控机床系统，离真正数控机床有很大差距。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：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。设计有不足，请指正。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为八位LED电路。同一时刻，如各位选线处于选通，8位LED将显示相同字符。若要各位LED能同时显示与本位相应的字符，必须动态显示，即某一时刻，某一位的位选线处于选通，其他位选线处于关闭，同时，段码线上输出相应位要显示的段码。同时刻，8位LED中选通那一位显示出字符，另一位则熄灭。在下一时刻使下一位位选线处于选通，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，就可使两位分别显示将显示的字符。这些字符是不同时刻出现的，在同一时刻，只有一位显示，其他熄灭，因人眼视觉作用，只要显示间隔短，就可造成同时亮的现象。图3.1 显示单元模块电路图3.1.2 芯片CH452介绍CH452是数码管显示驱动和键盘控制芯片。CH452内置振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、段位寻址等功能；还可进行64键扫描；CH452通过4线串行或2线串行与单片机交换数据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l 内置电流驱动级，段电流不小于15mA，字电流不小于80mA。l 动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管、64位发光管LED或64级光柱。l 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。l BCD译码支持自定义BCD码，用于显示一个特殊字符。l 数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。l 各数码管的数字独立闪烁控制，可选快慢两种闪烁速度。2、键盘控制l 内置64键控制器，基于8×8矩阵键盘扫描。l 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。l 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。l 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。l 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l 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。l 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。l 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。l 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。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。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，DIG7DIG0 引脚用于列扫描输出，SEG7SEG0 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。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）。 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DIG7DIG0 与SEG7SEG0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。图3.3 光电耦合电路3.2.3 芯片参数本次使用的单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产COMS8位单片机，如图3.5基本外围电路图所示。参数如下：8k Flash闪速，256字节RAM，32个I/O，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双通信口，并有省电模式。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。(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。（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有带3-7K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300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。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。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： AABBBCCCDDDAA3、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，0à1à2à3à4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4à3à2à1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如果它的转子的齿数为，它的齿距角为：=2/，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可以表示如下： 公式（4.1）或 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 为： 公式(4.3)其中：L单位为亨，Rc、RL单位为欧姆，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：越小，电流达稳定时间小，相应电机工作频率高；反之，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，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 ，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： 公式(4.4)其中：i是电流脉冲瞬时值；是在开关回路电压为u时的电流稳态值；是开关回路的时间常数，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如图4.4所示：假如接触器KM1闭合时电动机正转，则当KM1断开，KM2闭合时，电动机就会反转。从图可看出：要改变三相交流电机的旋转方向，只要交换其中两相即可。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 交流电机的星三角启动对于正常运行时定子绕组接成三角形的异步电动机，启动时，为了保护电机，一般采用Y/降压方法来限制启动电流。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成星形，即KMY闭合。此时电机每相承受的电压为额定的、启动电流为三角形接法时启动电流的1/3。KMY闭合时定时器开始定时，定时时间到，KMY断开，KM闭合。电动机绕组为三角形接法，进入正常运行阶段。4.4 电气元件介绍 继电器继电器是根据输入信号来接通或断开的小型控制电路，是实现远距离控制和保护的自动控制电器。 接触器接触器是用来接通或分断电动机主电路的控制电器。可以实现远距离控制。 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。 行程开关行程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、行程大小的一种器件。5 致谢在此感谢我的指导老师周鲁光老师，同时要感谢我班的几位同学，正是有了你们的指导和帮助，我的设计才能顺利完成。6 参考文献【1】王贵华 运动控制系统 清华大学出版社 2002【2】章红剑 自动检测技术与装置 化学工业出版社【3】熊永盘 电子线路CAD实用教程. 西安电子科技大学出版社【4】王为东 单片机原理与应用技术 西安电子科大出版社 2007【5】张一钢 MCS51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】邓兴中 机电传动控制 华中理工大学出版社 附录：单片机控制系统电路原理图设计 第 - 24 - 页 附录:电气控制原理图1附录:电气控制原理图2