機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)--兩座標(biāo)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1前言</b></p><p>　　機(jī)電一體化是以機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)為主題，多門(mén)技術(shù)學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合的產(chǎn)物，是正在發(fā)展和逐漸完善的一門(mén)新興的邊緣學(xué)科。機(jī)電一體化使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中

2、提到的微機(jī)數(shù)控機(jī)床是利用單板或單片微機(jī)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)控及對(duì)機(jī)床輔助功能動(dòng)作進(jìn)行程序控制的一種自動(dòng)化機(jī)械加工設(shè)備。采用微機(jī)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行機(jī)械加工的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地提高中、小批零件的加工生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量。此外，由于微型計(jì)算機(jī)具有價(jià)格低、體積小、性能可靠和使用靈活等特點(diǎn)，微機(jī)數(shù)控機(jī)床的一次性投資比全功能數(shù)控機(jī)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(jī)床設(shè)計(jì)成微機(jī)數(shù)控機(jī)床已成為機(jī)床設(shè)計(jì)的發(fā)展方向之一。本設(shè)計(jì)中用到的步進(jìn)

3、電機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)元件，具有快速起動(dòng)和停止的特點(diǎn)。其驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步，具有較高的重復(fù)定位精度，并能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和平滑速度調(diào)節(jié)。它的運(yùn)行速度和步距不受電源電壓波動(dòng)及負(fù)載的影響，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)完成了如下要求：</p><p>　?。?）單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖的設(shè)計(jì)</p>

4、<p>　?。?）控制系統(tǒng)電路印制版的繪制</p><p>　?。?）利用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)和回位等運(yùn)動(dòng)</p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)工作臺(tái)極限移動(dòng)的保護(hù)及顯示、報(bào)警</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)交流電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)控制和星-三角形啟動(dòng)的電氣控制原理圖</p><p>　?。?）電氣控制電路有相應(yīng)的

5、保護(hù)電路（過(guò)載、過(guò)壓、欠壓等）</p><p>　　（7）熟悉機(jī)電系統(tǒng)常用元器件（PLC、交流電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)）</p><p><b>　　2 總體方案設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1 總體分析</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是一兩座標(biāo)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)控制

6、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，單片機(jī)的包括鍵盤(pán)與顯示的控制、與PC機(jī)的串口通訊、以及電機(jī)輸入輸入輸出信號(hào)的控制。電機(jī)的輸入信號(hào)包含報(bào)警監(jiān)測(cè)，在機(jī)床邊緣運(yùn)用一個(gè)接近開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)此目的。</p><p><b>　　2.2 方案框圖</b></p><p>　　單片機(jī)作為控制的核心，一方面對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)方向和位移量進(jìn)行控制，另外還將與鍵盤(pán)對(duì)應(yīng)的位移信息顯示在LE

7、D上，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信以及對(duì)報(bào)警的處理。</p><p>　　圖2.1 總體方案設(shè)</p><p><b>　　3 單元模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 鍵盤(pán)與顯示模塊</p><p>　　3.1.1 模塊工作原理</p><p>　　本單元模塊電路的功能是通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程，由芯片

8、CH452來(lái)對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描。</p><p>　　圖3.1所示為一來(lái)個(gè)八位LED動(dòng)態(tài)顯示電路。在同一時(shí)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(shí)顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用動(dòng)態(tài)顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線則處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段碼線上輸出相應(yīng)位要顯示的字符段碼。這樣，在同一時(shí)刻，8位LED中只

9、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(shí)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(shí)刻，只有選通位顯示出相應(yīng)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。</p><p>　　圖3.1 顯示單元模塊電路圖</p><p>　　3.1.2 芯片CH452介紹</p><p>

10、　　CH452是數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制芯片。CH452 內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)8 位數(shù)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(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤(pán)掃描；CH452 通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的4線串行接口或者2 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且可以對(duì)單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。</p><p>　　圖3.2 CH452工作原理圖</p><p>

11、;<b>　　3.1.3 特點(diǎn)</b></p><p><b>　?。?）顯示驅(qū)動(dòng)</b></p><p>　　內(nèi)置電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，段電流不小于15mA，字電流不小于80mA。</p><p>　　動(dòng)態(tài)顯示掃描控制，直接驅(qū)動(dòng)8 位數(shù)碼管、64 位發(fā)光管LED 或者64 級(jí)光柱。</p><p>　　可選

12、數(shù)碼管的段與數(shù)據(jù)位相對(duì)應(yīng)的不譯碼方式或者BCD 譯碼方式。</p><p>　　BCD 譯碼支持一個(gè)自定義的BCD 碼，用于顯示一個(gè)特殊字符。</p><p>　　數(shù)碼管的字?jǐn)?shù)據(jù)左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)。</p><p>　　各數(shù)碼管的數(shù)字獨(dú)立閃爍控制，可選快慢兩種閃爍速度。</p><p>　　任意段位尋址，獨(dú)立控制各個(gè)LED 或者各數(shù)碼

13、管的各個(gè)段的亮與滅。</p><p>　　64 級(jí)光柱譯碼，通過(guò)64 個(gè)LED 組成的光柱顯示光柱值。</p><p>　　掃描極限控制，支持1 到8 個(gè)數(shù)碼管，只為有效數(shù)碼管分配掃描時(shí)間。</p><p>　　可以選擇字驅(qū)動(dòng)輸出極性，便于外部擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電壓和電流。</p><p><b>　　（2）鍵盤(pán)控制</b><

14、;/p><p>　　內(nèi)置64 鍵鍵盤(pán)控制器，基于8×8 矩陣鍵盤(pán)掃描。</p><p>　　內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻，內(nèi)置去抖動(dòng)電路。</p><p>　　鍵盤(pán)中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出。</p><p>　　提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。</p><p>　　支持按鍵喚醒，處

15、于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452 可以被部分按鍵喚醒。</p><p><b>　　3、外部接口</b></p><p>　　同一芯片，可選高速的4 線串行接口或者經(jīng)濟(jì)的2 線串行接口。</p><p>　　4 線串行接口：支持多個(gè)芯片級(jí)聯(lián)，時(shí)鐘速度從0 到2MHz，兼容CH451 芯片。</p><p>　　4 線串行接

16、口：DIN 和DCLK 信號(hào)線可以與其它接口電路共用，節(jié)約引腳。</p><p>　　2 線串行接口：支持兩個(gè)CH452 芯片并聯(lián)（由ADDR 引腳電平設(shè)定各自地址）。</p><p>　　2 線串行接口：時(shí)鐘速度從500Hz 到200KHz，兼容兩線I2C 總線，節(jié)約引腳。</p><p>　　內(nèi)置上電復(fù)位，可以為單片機(jī)提供高電平有效和低電平有效復(fù)位輸出。<

17、/p><p>　　3.1.4 顯示驅(qū)動(dòng)原理</p><p>　　CH452對(duì)數(shù)碼管和發(fā)光管采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，順序?yàn)镈IG0 至DIG7，當(dāng)其中一個(gè)引腳吸入電流時(shí)，其它引腳則不吸入電流。CH452內(nèi)部具有電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng)0.5英寸至1 英寸的共陰數(shù)碼管，段驅(qū)動(dòng)引腳SEG6～SEG0 分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的段G～段A，段驅(qū)動(dòng)引腳SEG7 對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)，字驅(qū)動(dòng)引腳DIG7～DIG0分別連接8

18、 個(gè)數(shù)碼管的陰極；CH452 也可以連接8×8矩陣的發(fā)光二級(jí)管LED陣列或者64 個(gè)獨(dú)立發(fā)光管或者64級(jí)光柱；CH452可以改變字驅(qū)動(dòng)輸出極性以便直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)數(shù)碼管（不譯碼方式），或者通過(guò)外接反相驅(qū)動(dòng)器支持共陽(yáng)數(shù)碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數(shù)碼管。</p><p>　　CH452 的鍵盤(pán)掃描功能支持8×8 矩陣的64 鍵鍵盤(pán)。在鍵盤(pán)掃描期間，DIG7～DIG0 引腳用于列掃描輸出，SEG

19、7～SEG0 引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入。當(dāng)啟用鍵盤(pán)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(shù)據(jù)輸出變?yōu)殒I盤(pán)中斷輸出以及按鍵數(shù)據(jù)輸出。</p><p>　　表3.1 CH452按鍵編址</p><p>　　3.2 單片機(jī)控制單元模塊電路</p><p>　　3.2.1 控制原理</p><p>　　本次設(shè)計(jì)是

20、以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU既是運(yùn)算處理中心，又是控制中心，是控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS-51系列完全兼容的AT89C52單片機(jī)，AT89C52可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)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。</p><p>　　3.2.2 光電耦合電路</p><p>　　電機(jī)的那個(gè)輸入信號(hào)先經(jīng)光電耦合器后送至單片機(jī)處理，這是由于步

21、進(jìn)電機(jī)的大功率、高電平會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較嚴(yán)重的干擾，不能直接把單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)直接連在步進(jìn)電機(jī)上，需要進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于強(qiáng)弱電隔離一般采用電子開(kāi)關(guān)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(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電--光和光--電的轉(zhuǎn)換器件。</p><p>　　圖3.2 單片機(jī)控制單元模塊電路&

22、lt;/p><p>　　圖3.3 光電耦合電路</p><p>　　3.3 串行通信模塊</p><p>　　串行通信有很多種，目前較常用的有RS232、RS422和RS485，根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，RS232串行通信可以滿足要求，232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換使用已廣泛使用且效果良好的MAX232芯片。</p><p>　　3.3.1 RS232

23、通信協(xié)議</p><p>　?。?）RS-232C標(biāo)準(zhǔn)介紹</p><p>　　串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)中，RS-232C是目前最常用的一種串行通信接口。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信的連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能以及傳輸過(guò)程都進(jìn)行了明確的規(guī)定，適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0-20kb/s范圍內(nèi)的通信。</p><p>　?。?）RS2

24、32C中的引腳定義和電氣特性</p><p>　　RS-232C中定義了20根信號(hào)線，使用25芯D型連接器DB25實(shí)現(xiàn)，后來(lái)為了簡(jiǎn)化串口的線路連接，出現(xiàn)了9芯D型連接器DB9，DB9引腳的分布和信號(hào)說(shuō)明分別如圖3.6和表3.3所示。</p><p>　　表3.3 DB9連接器信號(hào)說(shuō)明</p><p>　　4 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì)</p><p&

25、gt;　　4.1 步進(jìn)電機(jī)模塊</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，它的運(yùn)行需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源的輸出受外部的脈沖信號(hào)控制。每一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，這個(gè)角度稱為步距角。脈沖的數(shù)量決定了旋轉(zhuǎn)的總角度，脈沖的頻率決定了電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，改變繞組的通電順序可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，它既可以用作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以用作伺服電動(dòng)機(jī)。它

26、在工業(yè)過(guò)程控制中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在智能儀表和需要精確定位的場(chǎng)合應(yīng)用更為廣泛。</p><p>　　圖4.1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖</p><p>　　4.1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理</p><p>　　一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(lái)驅(qū)動(dòng)。若每旋轉(zhuǎn)一圈以200 個(gè)勵(lì)磁信號(hào)來(lái)計(jì)算，則每個(gè)勵(lì)磁信號(hào)前進(jìn)18 度，

27、其旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉(zhuǎn)可由脈沖順序來(lái)控制。二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可分為全部勵(lì)磁及半步勵(lì)磁，其中全步勵(lì)磁又有1相勵(lì)磁及2 相勵(lì)磁之分，而半步勵(lì)磁又稱1-2 相勵(lì)磁。圖為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制等效電路，適應(yīng)控制A、B、/A、/B 的勵(lì)磁信號(hào)，即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號(hào)，即可步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　4.1.2 步進(jìn)電機(jī)的步距角與

28、工作拍數(shù)</p><p>　　對(duì)于一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為，它的齒距角為：=2Π/，而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行k拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距位置。實(shí)際上步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角可以表示如下：</p><p><b>　　公式（4.1）</b></p><p>　　或

29、 公式（4.2）</p><p>　　其中：k是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，Nr是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。</p><p>　　4.2 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理</p><p>　　在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，常要求用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制方向相反的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，如小車的左行、右行；機(jī)械手的上升、下降等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制

30、的電氣原理圖如下所示：</p><p>　　圖4.4 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，只要把三相線當(dāng)中的任意兩相調(diào)換一下位置就可以了。如圖4.4所示：假如接觸器KM1閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，則當(dāng)接觸器KM1斷開(kāi)，接觸器KM2閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。從圖中我們可以看出：要改變?nèi)嘟涣麟姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，只需要任意交換其中兩相就可以達(dá)到目的

31、。圖中各元器件的作用如表所示： </p><p>　　表4.2 元器件作用列表</p><p>　　4.3 交流電機(jī)的星—三角形啟動(dòng)</p><p>　　對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，在啟動(dòng)時(shí)，為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)，一般采用Y/△降壓?jiǎn)?dòng)方法來(lái)達(dá)到限制啟動(dòng)電流的目的。Y/△降壓?jiǎn)?dòng)的原理如圖1所示：在啟動(dòng)

32、過(guò)程中將電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形，即接觸器KMY閉合。此時(shí)電動(dòng)機(jī)每相繞組承受的電壓為額定電壓的，啟動(dòng)電流為三角形接法時(shí)啟動(dòng)電流的1/3。接觸器KMY閉合的同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，接觸器KMY斷開(kāi)，接觸器KM△閉合。電動(dòng)機(jī)繞組為三角形接法，進(jìn)入正常運(yùn)行階段。</p><p><b>　　5 設(shè)計(jì)總結(jié)、致謝</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是我所做的最綜合的

33、一個(gè)題目，它跨越了機(jī)械和電氣兩大領(lǐng)域。在做設(shè)計(jì)時(shí)，我們第一步是按照設(shè)計(jì)要求來(lái)確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個(gè)電子元件的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設(shè)計(jì)方案并確定。。方案確定后便開(kāi)始設(shè)計(jì)實(shí)際電路，我們是在Protel 99 SE軟件上設(shè)計(jì)原理圖的，實(shí)際電路圖設(shè)計(jì)好之后，便開(kāi)始寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我深刻的感到了理論和實(shí)踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。

34、平時(shí)理論知識(shí)學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會(huì)遇到很多不會(huì)的操作，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成多個(gè)同學(xué)的知識(shí)，多個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成一個(gè)同學(xué)的知識(shí)，這樣才能相互促進(jìn)、相互提高。另外，理論與實(shí)踐也存著必然的聯(lián)系，在指導(dǎo)老師的幫助下才能使課程設(shè)計(jì)最終成功。</p><p>　　在此特別感謝我的指導(dǎo)老師，感謝學(xué)院給我們提供這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)和器材，同時(shí)要感謝我班的幾位同學(xué)，正是因?yàn)橛辛四銈兊闹笇?dǎo)和幫助，我

35、的設(shè)計(jì)才能進(jìn)行和順利結(jié)束。</p><p><b>　　六 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李建勇.機(jī)電一體化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[2] 李運(yùn)華.機(jī)電控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.</p><p>　　[3] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[