篇一：机电一体化论文4000字大专

　　机电一体化专业毕业论文

　　题

　　目专

　　业指

　　导

　　教

　　师作

　　者完

　　成

　　日

　　期

　　机电一体化综合课程设计

　　机电一体化

　　目

　　录

　　一、前言.............................................................................................................................................4二、总体方案设计..........................................................................................................................6（一）

　　总体分析

　　....................................................................................................................................6（二）

　　方案框图

　　....................................................................................................................................6三、单元模块设计..........................................................................................................................（一）

　　键盘与显示模块

　　....................................................................................................................71模块工作原理..............................................................................................................................72芯片CH452介绍

　　.......................................................................................................................83特点

　　....................................................................................................................................................94显示驱动原理............................................................................................................................115键盘扫描原理............................................................................................................................13（二）

　　单片机控制单元模块电路

　　.............................................................................................151控制原理

　　.......................................................................................................................................152光电耦合电路............................................................................................................................163芯片介绍

　　.......................................................................................................................................17（三）

　　串行通信模块.......................................................................................................................211RS232通信协议

　　.........................................................................................................................212串行通信电路............................................................................................................................23四、电机与电气控制电路设计

　　................................................................................................24（一）

　　步进电机模块.......................................................................................................................241步进电机的工作原理.............................................................................................................242步进电机的步距角与工作拍数.......................................................................................273步进电机的频率特性.............................................................................................................28（二）

　　交流电机正反转控制原理

　　.............................................................................................30（三）

　　交流电机的星—三角形启动.......................................................................................32（四）

　　电气元件介绍.......................................................................................................................32五、设计总结、致谢..................................................................................................................35六、参考文献................................................................................................................................3附录Ⅰ：单片机控制系统电路原理图设计........................................................................3附录Ⅱ:电气控制原理图1.........................................................................................................3附录Ⅲ:电气控制原理图2.........................................................................................................4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。

　　一、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。

　　二、总体方案设计

　　（一）

　　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。

　　（二）

　　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。

　　三相交流

　　继电器控制

　　4*8键盘

　　HD7279A

　　单片机

　　光电隔离

　　功率接口

　　步进电机X8LED显示

　　光电隔离

　　功率接口

　　步进电机Y

　　工作台

　　串行通信

　　至上位即

　　行程开关

　　图2.1总体方案设计图

　　三、单元模块设计

　　（一）

　　键盘与显示模块

　　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。

　　VCC2325C2220C10.114910H3L2GNDGNDVCCADDRSEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG71516171819202122R66200CH45212RSTDIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG78×1N400124INT2726SCLSDA123456788×2KK8K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。

　　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3.2CH452工作原理图

　　3特点

　　（1）显示驱动

　　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。

　　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。

　　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3.1CH452按键编址

　　（二）

　　单片机控制单元模块电路

　　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。

　　12345678101112131415430PC330PC4P10P11P12P13P14P15P16P17RXDTXDINT0INT1T0AT89C51T1XTAL2P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27ALE5319VCCR252K3.3KR10R91K241K653VCCPFIMRGNDRESTWDIWDOPFO7685R262KP06U6R36200R272KP07U7R37200P05U5R35200PSENXTAL1RDEAWRRST3938373635343332212223242526272830291716R242KP04U4R3420012345678DriverINPUTVCCR212KP01U1R31200U2P02R32200U3P03R33200R222KY112MR232K1234567OUTPUTU1A1P127407U2A1P137407U3A1P147407U4A1P157407U5A1P167407U6A1P177407222222R411KR421KR431KR441KR451KR461K12345678VCC

　　图3.2单片机控制单元模块电路

　　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。

　　+5VR1R2274AHC1G14474041A2HONGWAI

　　图3.3光电耦合电路

　　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8kbytes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。

　　图3.4AT89C52基本外围电路图

　　AT89C52的内部逻辑框图如图3.4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。

　　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3.2P3口的第二功能

　　（三）

　　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。

　　1RS232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。

　　DCDDSRRXDRTSTXDCTSDTRRIGND162738495DB图3.6DB9连接器引脚定义

　　表3.3DB9连接器信号说明

　　引脚号

　　符号缩写

　　方向

　　说明

　　12345678DCDRXDTXDDTRGNDDSRRTSCTS输入

　　数据载波检出

　　输入

　　接受数据

　　输出

　　发送数据

　　输出

　　数据终端准备好

　　信号地

　　输入

　　数据准备就绪

　　输出

　　请求发送

　　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3-7KΩ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。

　　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。

　　VCCC50.10.1C6S?21V+C1+VCCGNDT1OUTC1-R1INC2+R1OUT56780.1C2-V-T2INR2OUTMAX232T1INR2INT2OUT161514131211910162738495J?DB9340.1C7C图3.7RS-232C接口电路

　　四、电机与电气控制电路设计

　　（一）

　　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

　　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。

　　（1）、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。

　　（2）、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，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。

　　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?/Nrk公式（4.1）

　　或

　　?s?360/Nrk

　　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?s减小，也即：

　　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。

　　（二）

　　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：

　　FUS1K1U?(2/1)K2(2/3)常闭开关_1U?常闭开关_1_1FR1(2/1)U?07-13-01U?U?U?07-02-03U?07-13-01U?U?07-13-01U?U?07-13-01U?07-02-033U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?～

　　M三相电机_1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

　　（三）

　　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。

　　（四）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

　　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。

　　五、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Protel99SE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Protel99SE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。

　　六、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

　　INPUT附录Ⅰ：单片机控制系统电路原理图设计

　　VCC1234567812345678R212KR31200R222KR32200R232KR33200R242KP04U4R34200R252KP05U5R35200R262KP06U6R36200R272KP07U7R37200P03U3P02U2P01U1P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332U1A1P127407U2A1P137407U3A1P147407U4A1P157407U5A1P167407U6A1P177407222222R411KR421K10111213141512345678DriverRXDTXDINT0INT1T0AT89C51T1430PC3XTAL2P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728R431KY112MALE3030PC45PSEN29R441KXTAL131RD17EA9WR16RSTR451KVCCR461K3.3K2VCCREST7R104PFIWDI61R91KK65MRWDO83GNDPFO51234567VCC8×1N4001C52V+C1+T1OUTC1-R1INC2+R1OUT5C2-R2INT2OUT109T1IN11121314GND15VCC116J?DB90.10.1340.1C7C6S?8×2KK0C80.1MAX232678V-T2INR2OUT162738495OUTPUTVCCVCC2325R66VCCADDRC2C12200.114910H3L2GNDGNDSEG0SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG71516171819202122200CH45212RST24INT2726SCLSDADIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG712345678KL1SWFUS2FUS1FUS3A?_1关开相三

　　K1(2/1)(2/3)K207-15-21_1U?A?04-03-01U?_1关开相三附录Ⅱ:电气控制原理图1FR1(2/1)_1_1机电相三U?3～MA?_1关开相三M3U?～_1机电相三

　　U?常闭开关_1U?常闭开关_1U?常闭开关_1_1U?07-07-02U?07-13-01U?常闭开关_1_1U?07-13-01U?U?U?07-02-03U?07-13-01U?U?07-13-01U?U?07-13-01U?07-02-03U?07-02-03U?07-02-03附录Ⅲ:电气控制原理图2U?07-05-0707-13-01U?U?07-05-02U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-01U?07-15-08U?07-15-01U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?U?

篇二：机电一体化论文4000字大专

　　机电一体化技术在低压电器元件产品的应用分析

　　摘要：

　　阐述机电一体化技术在低压电器元件产品中的应用现状,介绍了几种低压电器元件产品的应用情况并就存在问题进行对比总结,给出了未来发展的方向。

　　1引

　　言

　　机电一体化技术又称机械电子技术,是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术,是机械技术与微电子技术的有机结合。

　　随着科学技术的发展,科研人员一直试图将微电子技术应用于各种低压电器元件产品,希望这些产品的某些机械部件功能被取代的同时,具有智能化和双向通信的功能,即所谓的智能型低压电器元件产品。智能型低压电器元件产品的发展目前还处于较低阶段,国内市场上能看到的智能型产品类型相对较少,部分所谓的智能型产品也仅是将部分功能采用微电子技术代替和完善。

　　2低压电器元件几种类型应用介绍

　　低压电器元件是电器工业的重要组成部分,是机械行业中的基础配套元件,主要对主电路进行分断、保护、控制、检测等,在工业自动化系统中,低压电器元件主要构成各种控制屏、控制台、控制器,在配电系统中,低压成套开关设备主要用到接触器、继电器、断路器、信号灯、互感器等。目前市场上常见的智能型低压电器元件产品主要有智能型接触器、固态继电器、智能化

　　电子式

　　电动机控制／保护器、万能式断路器、起动器等。

　　交流接触器产品功能相对单一,主要用于接通或分断主电路,根据产品功能、使用范围及可靠性要求,智能型交流接触器的主要特征是装有智能型电磁系统,其控制回路包括电压检测电路、吸合信号发生电路和保持信号发生电路。它通过电压检测电路检测线圈电压,当控制电源电压达到设定要求时,向线圈发出吸合信号,使产品吸合,当控制电源电压低于设定值时,则不发出吸合信号,接触器不能吸合。智能型交流接触器通常采用高电压吸合低电压保持吸合的设计思想来达到节能的目的。

　　为了满足各种个性化或特殊环境的要求,目前一般采取传统产品与电子线路相结合的办法来实现。

　　无涌流电容接触器使用环境是在低压无功功率补偿设备中通断电容器组,为了提高产品使用可靠性,减小在通断电容器组瞬间产生的涌流对接触器产品主触点的影响,则往往通过在产品上组装电容器切换头,达到当无功补偿控制仪发出控制信号时,产品的切换头对电压进行检测,切换头在电压过零时接通电容器,然后切换头接通接触器的线圈,接触器闭合,电容器由接触器保持正常接通状态。

　　大电流继电器通流能力要求相对不是很高,结合我国可控硅制造工艺的不断提高,以可控硅为主要功能元件的固态继电器发展尤为迅猛,除过必要的支撑架构和接线端子,它颠覆了传统的电磁系统、触头系统和弹簧等组成结构,完全由电子线路板与各种电子元器件组成,不但工作可靠,电寿命水平高,而且随着焊接自动化工艺的实现,产品一致性,批量供货能力都能得到有效保障,故障率将远远低于由多种结构件组成的传统产品。目前该产品已可作为一种封装器件实现批量供货。

　　电动机控制／保护器是工业以及民用动力系统中使用最为广泛的设备之一。从大型水电、火电系统到空调机、电冰箱等家用电器的使用都离不开电动机,为了相关设备能正常运行,必须电动机进行保护,尽量提早发现、预防电动机故障,从而减少电动机停工造成的不良影响。传统的电动机保护器有热过载继电器和小型电动机保护器,其感测元件为热一电磁系统,利用双金属片受热弯曲的特性和电流的热效应感知电流的大小,达到对电动机进行过载、短路、三相不平衡、短路等保护目的。智能型电动机保护器则通过环形电流互感器、零序电流互感器,产生采样电流信号,通过滤波调制电路形成适于单片机模拟采样的电压信号,送单片机采样,由程序判断处理,对运行状态进行记忆和分析,对显示器发出数据显示,运行状态提示,对输出继电器做出故障保护提示和动作,进而通过提示和保护动作来控制电动机,达到检测和保护电动机并按人们预定要求运转的目的,具有更多的功能特点,是集保护、遥测、通讯、遥控与一体的电动机保护装置。

　　断路器用来接通和分断正常的负载电流、电动机的工作电流和过载电流,也可以用来接通和分断短路电流。它在电路中起短路和过载保护作用,还可以起欠电压保护和远距离分断电路的作用。目前的智能型万能式断路器带有各种保护功能脱扣器,包括智能化脱扣器,可实现计算机网络通信,具有分断能力高,附件齐全,结构模块化的特点。

　　3机电一体化技术在低压元件产品应用中存在的问题

　　由以上应用类型可以看出,机电一体化技术已较广泛的使用于低压元件产品中,而且发展趋势愈加迅猛。但通过近几年的研发、使用表明,低压元件产品的机电一体化进程还只是处于较低阶段。目前主要存在以下问题。

　　1电磁干扰

　　由于微电子器件要求的工作电压一般较小,如单片机一般为5V,整流器件一般为12V,极小的电磁干扰都会使这些元器件工作电压发生大的偏差,从而影响整个产品的工作性能。而这些产品的基本使用环境却是380V电网。因此,为了达到满足电磁兼容性能的目的,这些产品上的电子线路不得不增加相当的抗干扰措施,从而使整个电子线路变得相当繁冗,电子元器件数量相对较多,线路板的检测、焊接工艺要求高、难度相对较大。

　　2电子元器件发热

　　由于电子元器件一般为标准封装器件,为了满足绝缘以及相当的抗老化要求,封装材料散热性能相对较差,而电子元器件发热不仅会降低产品使用寿命,极端情况下还会发生烧毁、爆炸,从而降低整个系统的使用安全系数。为了解决这个问题,含有功率器件的产品必须要采取增加散热片等散热措施,结果增加了产品体积,就要拿固态接触器来说,产品的体积并不比传统接触器小,其主要原因是散热片占到近1／2的体积。

　　3环境污染问题RolS指令规定了禁用或限制使用铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚,而在电子产品中,铅被广泛用于焊锡,印刷电路板上含有铅和镉,平板显示器

　　液晶显示器

　　也含有汞,当这些产品达到使用期限时,将产生一定的电子垃圾。处理不当,将会对人体产生不可逆转的危害。目前我国的正规电子垃圾的处理企业相对较少,相关的法律法规实施有待加强。

　　4总

　　结

　　目前智能化低压电器元件产品的开发仍处于较低阶段,仍然有许多问题需要进一步探讨、解决。由于机电一体化技术在低压电器元件产品的应用能有效集成产品功能,解决产品与整个工业系统的双向通信问题,满足网络对机电一体化设备进行远程控制的要求,具有更高的自动化特性,可以使人在更舒适的环境中工作,因而将机电一体化技术广泛应用于低压电器元件中,使产品具有智能化、模块化是是必然的发展方向。随着中华人民共和国国务院令第551号废弃电器电子产品回收处理管理条例的实施及我国工业化进

　　程的发展,废弃电器电子产品的处理和电子元器件品质都将得到有效保障,这些都将为国产低压电器元件产品机电一体化的发展奠定良好的基础。

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