机电一体化综合课程设计-两坐标步进电机驱动运动工作台控制系统的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

目 录 第一章 前言 . 3 第二章 总体方案设计 . 4 体分析 . 4 案框图 . 4 第三章 单元模块设计 . 4 盘与显示模块 . 4 块工作原理 . 4 片 . 5 片机控制单元模块电路 . 9 制原理 . 9 电耦合电路 . 10 片介绍 . 11 行通信模块 . 14 . 15 行通信电路 . 16 第四章 电机与电气控制电路设计 . 17 进电机模块 . 17 进电机的工作原理 . 17 进电机的步距角与工作拍数 . 19 进电机的频率特性 . 20 流电机正反转控制原理 . 22 流电机的星 三角形启动 . 23 气元件介绍 . 23 第五章 设计 总结、致谢 . 24 参考文献 . 26 附录电气控制原理图 1 . 27 附录二：电气控制原理图 1 . 28 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1附录三：电气控制原理图 2 . 29 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3第一章 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。 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 （ 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（ 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，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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4第二章 总体方案设计 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 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。 案框图 图 体方案设计图 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 ，并实现与 第三章 单元模块设计 盘与显示模块 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 芯片 对键盘进行扫描 。 三相交流 单片机 H D 727 9 A 4*8 键盘 8L E D 显示 串行通信 光电隔离 光电隔离 功率接口 功率接口 步进电机 X 步进电机 Y 行程开关 工作台 至上位即 继电器控制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5图 同一时刻，如果各位位选线都处于选通状态的话， 8位 要各位 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 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。 S E G 015S E G 116S E G 217S E G 318S E G 419S E G 520S E G 621S E G 722D I G 01D I G 12D I G 23D I G 34D I G 45D I G 56D I G 67D I G 78V C D L 214G N 4 52R 6620 01V C 1N 40 018 2 显示单元模块电路图 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 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。 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。 片 绍 以动态驱动 8 位数码管或者 64位 有 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； 线串行接口或者 2线串行接口与单 片机等交换买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。 图 （ 1）显示驱动 内置电流驱动级，段电流不小于 15电流不小于 80 动态显示扫描控制，直接驱动 8位数码管、 64位发光管 4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 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 64级光柱译码，通过 64个 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 。 3、外部接口 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 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 2容 4 线串行接口： 约引脚。 2 线串行接口：支持两个 2 线串行接口：时钟速度从 50000容两线 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： 脚与 经过授权采用了 1项专利技术，低成本，简便易用。 序为 其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。 以直接驱动 英寸的共阴数码管，段驱动引脚 段 A，段驱动引脚 驱动引脚 个数码管的阴极； 8矩阵的发光二级管 4个独立发光管或者 64级光柱； 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。 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 而等同于静态驱动；当扫描极限设定为 8时， 8个数码管 ；当扫描极限设定为 4时 ， 4个数码管，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。 个 8位的数据寄存器，用于保存 8个字数据，分别对应于 个数码管或者 8组每组 8个的发光二极管。 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。 以用于独立控制 64个发光管 如小数点），段位编址顺序与键盘编址一致，编址从 00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 者数码管的段会点亮，该买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8操作不影响任何其它 者数码管其它段的状态。 4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。 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 过设定， 方式主要应用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数 位 0进行 制段驱动引脚应于数码管的段 G段 A，同时用字数据的位 7控制段驱动引脚 应于数码管的小数点，字数据的位 6和位 5不影响 表为数据寄存器中字数据的位 4位 0 进行 对应的段 G段 考下表，如果需要在数码管上显示字符 0，只要置入数据 0者 00H；需要显示字符 0.（ 0带小数点），只要置入数据 10H；类似地，数据 18.（ 8带小数点）；数据 0者 13于字符 =；数据 0数点）；数据00格，数码管没有显示）；数据 0应于自定义的特殊字符，由“自定义 ”命令定义。 8 矩阵的 64键键盘。在键盘扫描期间， 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 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 。 键盘扫描期间， 脚按照 顺序依次输出高电平，其余 7个引脚输出低电平； 没有键被按下时， 有键被按下时，例如连接 当 了防止因为按键抖动或者外界干扰而产生误码， 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 则记录下该按键代码，并通过 4线串行接口中的 线串行接口中的 脚产生低电平有效的键盘中断，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， 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9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。 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）。单片机可以在任何时候读取按键代码，但一般在 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 8矩阵的顺序编址，既是按键编址，也是数码管段位、发光管 于按键代码是 7位，键按下时位 6总是 1，所以当键按下时， 0H，也就是说，此时的按键代码应该在 40 表 片机控制单元模块电路 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， 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 列完全兼容的片机， 小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 P 101P 112X T A L 24X T A L 15P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0732P 0633P 0534P 0435P 0336P 0237P 0138P 0039P 2728P 2627P 2526P 2425P 2324P 2223P 2122P 2021A L E T 012I N T 113 T 8 9C 5 1V C S 03. 3 51 2 3 4 5 6 7 8I N P U r iv e 12223242526272120 0R 3220 0R 3320 0R 3420 0R 3520 0R 3620 0R 3720 0P 07P 06P 05P 04P 03P 02P 01V C 片机控制单元模块电路 89 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 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。 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 示。光电耦合器件是把发光器件 (如1 2U 171 2U 271 2U 371 2U 471 2U 571 2U 67R 4112131415161 3 4 5 6 7 8O U T P U 2P 13P 14P 15P 17P 16买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 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 2H O N G W A 7 4A H C 1 G 141 20 4+ 5电耦合电路 片介绍 设计所使用的单片机 美国 性能 单片机，如图 片内含有 8k 256随机存储数据存储（ 器件采用 司的高密度、非易失性技术生产，与 标准 令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（ 储单元，功能强大 供以下标准功能： 8k 字节 速存储器， 256 字节内部 32 个 I/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， 降至 0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 工作，但允许 时 /计数器，串行通信口及中断 系统继续工作。掉电方式保存 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 图 管脚功能如下： (1)电源引脚： 0引脚 )：接 +5 0引脚 )：接地。 (2)时钟引脚： 2个时钟引脚 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。 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。 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 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。 引脚 )： 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 电平。 备用电源输入端。 30引脚）： 单片机上电正常工作以后，脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时， 位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。 低电平有效。在对片内 引脚作为编程脉冲输入端。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 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。 31引脚）： 能为内外程序存储器选择控制端，为低电平有效。 片机访问片内程序存储器，反之则选择片外程序存储器。 对 引脚加上 +125V 的编程允许电源。 (4)I/ 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 8位准双向 I/O 口，可驱动 4个 载。 8位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8位）复用，可驱动 4个 8位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4个 此之外， 表 示： 表 行通信模块 串行通信有很多种，目前较常用的有 据本设计的实际情况，行通信可以满足要求， 232 电平与 平的转换使用已广泛使用且效果良好的 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 信协议 （ 1） 串行通信接口标准中， 准的全称是 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 5m，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 （ 2） 定义了 20 根信号线，使用 25 芯 D 型连接器 现，后来为了简化串口的线路连接，出现了 9芯 表 162738495表 引脚号 符号缩写 方向 说明 1 入 数据载波检出 2 入 接受数据 3 出 发送数据 4 出 数据终端准备好 5 信号地 6 入 数据准备就绪 7 出 请求发送 8 入 允许发送 9 入 振铃提示 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 准的电气特性参数有带 3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 数字电路的逻辑电平， 逻辑电平以公共地为对称，其逻辑“ 0”电平规定在 +35辑“ 1”电平规定在 25V 之间，因此需要使用正负极性的双电源供电。由于其与 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 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 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。 行通信电路 片机的 到 2 总线连接上采用最简单的三线连接模式，即连接 V+2C 1+1C 1+4C 2I O U O U I O U I O U I A X 23 21111V C B 9图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 第四章 电机与电气控制电路设计 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 相反应式步进电机工作原理图 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，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 振动较大，每送一励磁信号可走 。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 。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 ，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 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20使用 +5距角为 18度。电机线圈由四相组成，即 A、 B、 C、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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 图 步进电机原理图 表 圈通电顺序 相顺序从 0到 1称为一步，电机轴将转 过 18度， 01234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。 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 它的齿距角 z 为： z =2 /而步进电机运行 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： 2/s N r k 公式（ 或 3 6 0 /s N r k 公式（ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 其中： 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(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。 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、 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 中 的集电极电阻； 为绕组放电提供回路；晶体管 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： /j L R R公式 (其中： 位为秒。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 图 进电机一线绕组的开关回路 开关回路时间常数 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： 小，电流达稳定时间小，相应电机工作频率高；反之， 大，电流达稳定时间长，电机工作频率低。 从式 (知：要减少 可以采用增大 是，增大 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 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 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 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 1/(1 ) e 公式 (买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 其中： 开关回路的时间常数， / j L R R 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。 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： U?07 - 0 2- 0 3U?07 - 0 2- 0 3U?U?U?U?U?07 - 1 3- 0 1 U?07 - 1 3- 0 1U?07 - 1 3- 0 1U?07 - 1 3- 0 1U?07 - 1 5- 0 1U?07 - 1 5- 0 1U?07 - 1 5- 0 1U?07 - 1 5- 0 1U?常闭开关 _1U?常闭开关 _1_1( 2 / 1 )2 / 3 ) S 1F R 1( 2 / 1 )M3U?三相电机 _1图 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 示：假如接触器 合时电动机正转，则当接触器 开，接触器 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： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 23 表 器件作用列表 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 合。此时电动机每相绕组承受的电压为额定电压的 3/1 ，启动电流为三角形接法时启动电流的 1/3。接触器 合的同时定时器开始定时，定时时间到，接触器 触器 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。 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。按工作原理分为：电磁式继电器、感应式继电器、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 24 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