机电一体化液压伺服系统设计

西北大学继续教育学院毕业论文 液压伺服系统设计 专 业 机电一体化技术 年 级 学生姓名 指导教师 西北大学继续教育学院毕业论文 摘 要 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 西北大学继续教育学院毕业论文 目 录 摘要 1 第 1 章 总体方案设计 2 1 1 总体分析 2 1 2 方案框图 2 第 2 章 单元模块设计 2 2 1 键盘与显示模块 2 2 1 1 模块工作原理 3 2 1 2 芯片 CH452 介绍 3 2 1 3 芯片 CH452 特点 4 2 1 4 显示驱动原理 5 2 1 5 键盘扫描原理 6 2 2 单片机控制单元 7 2 2 1 控制原理 7 2 2 2 光电耦合电路 8 2 2 3 芯片介绍 9 2 3 串行通信模块 12 2 3 1 RS232 通信协议 12 2 3 2 串行通信电路 13 第 3 章 电机与电气控制电路设计 14 3 1 步进电机模块 14 3 1 1 步进电机的工作原理 14 3 1 2 步进电机的频率特性 16 3 2 交流电机正反转控制原理 17 3 3 交流电机的星 三角形启动 19 3 4 电气元件介绍 20 总 结 22 致 谢 23 参考文献 24 西北大学继续教育学院毕业论文 1 第 1 章 总体方案设计 1 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 1 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 第 2 章 单元模块设计 2 1 键盘与显示模块 随着电子及计算机技术的飞速发展 涌现出了许多的智能型芯片 和 等公司都推出了一系列满足不同行业多种需求的单片机芯片 的价格也从 年代初的成百元降至如今最便宜的芯片只有数元 而一些功能单一的外围接口芯片 越来越多地被功能强大 灵活方便的智能型芯片所代替 我们使用 公司生 产的 设计出了键盘 显示模块 功能上比传统的键盘显示接口芯 片 强 而成本仅有后者的 简介 属于 家族 它同大家熟悉的 单片机相比 口减少到 个 其它配置和性能不减 指令完全兼容 片内具有 字节的 存贮器 电擦写编程次数可达到 次 数据可保存 年 其中的 口第二功能可以作串行口使用 口可直接驱动 显示器 其中 可以当作比较器的输入端 模块原理 模块原理图见 图 键盘显示模块可外接 键 位 显示器 可以扩展至 位 它通过串行口同主控设备进行数据通信 下面分别加以介绍 西北大学继续教育学院毕业论文 2 2 1 1 模块工作原理 本单元模块电路的功能是通过对片机编程 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 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 2 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 西北大学继续教育学院毕业论文 3 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 2 1 3 芯片 CH452 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 西北大学继续教育学院毕业论文 4 同一芯片 可选高速的 4 线串行接口或者经济 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 2 1 4 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 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 分别连段 8 个数 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 西北大学继续教育学院毕业论文 5 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 0 xx00000B 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 0 xx10011B 或者 13H 对应于字符 数据 0 xx11010B 或者 1AH 对应于字符 小数点 数据 0 xx10000B 或者 10H 对应于字符 空 格数码管没有显示 数据 0 xx11110B 或者 1EH 对应于自定义的特殊字符 由 自定 义 BCD 码 命令定义 2 1 5 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 西北大学继续教育学院毕业论文 6 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 B 或者 63H 键被释放后按键代码通常是 B 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 2 2 单片机控制单元 单片机是微控制器 他是需要独立工作的 51 单片机的工作电压是 5V TTL 电 平 或 CMOS 电平工作电流不能太大 要求高的还需要稳压单片机 具有体积小 功耗 低 控制功能强 扩展灵活 微型化和使用方便等优点 广泛应用于仪器仪表中 结 合不同类型的传感器 可实现诸如电压 电流 功率 频率 湿度 温度 流量 速 度 厚度 角度 长度 硬度 元素 压力等物理量的测量 采用单片机控制使得仪 器仪表数字化 智能化 微型化 且功能比起采用电子或数字电路更加强大 2 2 1 控制原理 西北大学继续教育学院毕业论文 7 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 西北大学继续教育学院毕业论文 8 2 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 2 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 256bytes 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 西北大学继续教育学院毕业论文 9 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 8 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看该引脚接收时钟振荡器的信号 西北大学继续教育学院毕业论文 10 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 西北大学继续教育学院毕业论文 11 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 2 3 串行通信模块 2 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 西北大学继续教育学院毕业论文 12 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 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 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 2 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 第 3 章电机与电气控制电路设计 西北大学继续教育学院毕业论文 13 3 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 图 4 1 三相反应式步进电机工作原理图 3 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 西北大学继续教育学院毕业论文 14 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 如下图所示 步进机顺序从 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 西北大学继续教育学院毕业论文 15 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 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 2 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 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 3 1 2 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 西北大学继续教育学院毕业论文 16 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 其中 L 单位为亨 Rc RL 单位为欧姆 Tj 单位为秒 3 2 交流电机正反转控制原理 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 从公式可知 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 1 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 2 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 西北大学继续教育学院毕业论文 17 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 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 3 3 交流电机的星 三角形启动 西北大学继续教育学院毕业论文 18 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 3 1 启