【正文】 RS232C 接口電平轉(zhuǎn)換部分和 RS232C 總線連接部分。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平與 TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)的 TXD、 RXD 分別連到 MAX232的 T2in、 R1out 端。在 RS232C 的總線連接上采用最簡(jiǎn)單的三線連接模式，即連接 DB9 的 TXD、RXD 和 GND 三端。 V+2C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5V6T 2 I N7R 2 O U T8V C C16G N D15T 1 O U T14R 1 I N13R 1 O U T12T 1 I N11T 2 O U T10R 2 I N9S?M A X 2 3 2C60 .1C70 .1C80 .1C50 .1V C C162738495J?D B 9 圖 RS232C接口電路 第 14 頁(yè) 4 電機(jī)與電氣控制電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)模塊 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。 圖 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理圖 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一，被廣泛應(yīng)用于需要精確定位、同步、行程控制等場(chǎng)合。 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)。 分述如下： A、 1 相勵(lì)磁法：在每一瞬間只有一個(gè)線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩 小，振動(dòng)較大，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走 度。若欲以 1 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 B、 2 相勵(lì)磁法：在每一瞬間會(huì)有二個(gè)線圈同時(shí)導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動(dòng)小，故為目前用最多的勵(lì)磁方式，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走 度。若以 2 相勵(lì)磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì) 第 15 頁(yè) 磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 C、 12 相勵(lì)磁法：為 1 相與 2 相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，每送一勵(lì)磁信號(hào)可走 度，故亦廣泛被采用。若以 1 相勵(lì) 磁法控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，其勵(lì)磁順序如圖所示。若勵(lì)磁信號(hào)反向傳送，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。勵(lì)磁順序： A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與速度成反比，速度愈快負(fù)載轉(zhuǎn)矩愈小，當(dāng)速度快至其極限時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即不再運(yùn)轉(zhuǎn)。所以在每走一步后，程序必須延時(shí)一段時(shí)間。 下面介紹的是國(guó)產(chǎn)20BY0型步進(jìn)電機(jī)，它使用 +5V直流電源，步距角為 18度。電機(jī)線圈由四相組成，即 A、 B、 C、D四相，驅(qū)動(dòng)方式為二相激磁方式，電機(jī)示意圖和各線圈通電順序如圖 ： 圖 步進(jìn)電機(jī)原理圖 第 16 頁(yè) 表 線圈通電順序 相順序從 0 到 1 稱為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過(guò) 18度， 0?1?2?3?4 則稱為通電一周，轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過(guò) 72 度，若循環(huán)進(jìn)行這種通電一周的操作，電機(jī)便連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，而進(jìn)行相反的通電順序如 4?3?2?1 將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢ǖ臅r(shí)間，若信號(hào)頻率過(guò)高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的步距角與工作拍數(shù) 如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為 Nr ，它的齒距角 z? 為： z? =2Π /Nr ，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 s? 可以表示如下： 2/s Nr k? ?? 公式（ ） 或 360 /s Nr k? ? 公式（ ） 其中： k是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)， Nr是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 例如：對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)而言，工作方式有三拍和六拍之分。三拍就是在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距時(shí)換相三次；六拍則是換相六次。而在三拍方式中還有單三拍和 雙三拍之分。從公式()可知：為了使步進(jìn)電機(jī)工作的步距角 s? 減小，也即：使控制精度增高，步進(jìn)電機(jī)在相數(shù)一定的情況下應(yīng)增加工作拍數(shù)。 步進(jìn)電機(jī)的頻率特性 對(duì)于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在其繞組中通電的相序不同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和步進(jìn)精度有所不同。步進(jìn)電機(jī)對(duì)繞組的通電頻率有一定的要求。如果通電頻率過(guò)高，超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的最大步進(jìn)速度，就會(huì)產(chǎn)生失步。一般步進(jìn)電機(jī)的通電頻率，即起動(dòng)頻率為 ?50步／秒到 2020步／秒。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線，是步進(jìn)電機(jī)的工作頻 率及其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩所作出的曲線，典型的步進(jìn)電機(jī)頻率特性曲線如圖 2所示。步進(jìn)電機(jī)的頻率特性曲線和很多因素有關(guān)，這些因素包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子鐵心有效長(zhǎng)、 .控制線路的電壓、齒數(shù)、齒形、齒槽比、步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的磁路、繞組的繞線方式、定轉(zhuǎn)子間的氣隙、轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的拍數(shù)等。在使 第 17 頁(yè) 用中會(huì)影響到步進(jìn)電機(jī)頻率特性而又能由用戶確定的因素有：控制拍數(shù)、控制線路的電壓、線路時(shí)間常數(shù)等。 下面分析這幾種因素對(duì)步進(jìn)電機(jī)頻率特性的影響。 (1)工作方式對(duì)頻率特性的影響 在步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用中，它的工作方式是以一個(gè)齒距所用的拍數(shù)來(lái)表示的 。拍數(shù)本質(zhì)上也就是轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距所需的電源電壓換相次數(shù)，值得指出的是換相是指對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而電源電壓是單極性的固定的。一般而言反應(yīng)式電機(jī)拍數(shù)越多矩頻特性就越好。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇多拍的控制方式。 (2)線路時(shí)間常數(shù)對(duì)頻率特性的影響 步進(jìn)電機(jī)的每相繞組供電都是通過(guò)功率開關(guān)電路進(jìn)行的。步進(jìn)電機(jī)一相繞組的開關(guān)電路如圖 。其中 L為步進(jìn)電機(jī)繞組電感； RL為繞組電阻； Rc為晶體管 T的集電極電阻； D是續(xù)流二極管，它為繞組放電提供回路；晶體管 T是大功率開關(guān)管。 Rc也是個(gè)外接的功率電阻，它是一個(gè)消耗性負(fù)載， 一一般為數(shù)歐姆。這時(shí)線路的時(shí)間常數(shù) Tj 為： ? ?/ LCTj L R R?? 公式 () 其中： L單位為亨， Rc、 RL單位為歐姆， Tj 單位為秒。 圖 步進(jìn)電機(jī)一線繞組的開關(guān)回路 開關(guān)回路時(shí)間常數(shù) Tj 對(duì)注入電機(jī)繞組的電流 達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間有極大關(guān)系，它影響到步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。并且有： Tj 越小，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間小，相應(yīng)電機(jī)工作頻率高；反之， Tj 越大，電流達(dá)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)工作頻率低。 從式 ()可知：要減少 Tj ，可以采用增大 Rc的辦法。但是，增大 Rc時(shí)，又會(huì)使穩(wěn)態(tài)電流值減小，從而影響電機(jī)的力矩。為了減少 Tj ，而不使穩(wěn)態(tài)電流減 小，可采用在增大 Rc的同時(shí)， 第 18 頁(yè) 也提高供電電壓的辦法。 在高頻應(yīng)用中，要盡量減小 以改善步進(jìn)的特性，所以常在開關(guān)回路中采用較大的 Rc，同時(shí)也提高回路的電源電壓 U。但這樣也會(huì)使效率降低，在低頻段工作時(shí)也會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的振蕩加劇。在實(shí)際中，可根據(jù)客觀情況來(lái)考察選擇恰當(dāng)?shù)耐獠侩娮?Rc，使步進(jìn)電機(jī)處于合適的工作頻率狀態(tài)。 (3)開關(guān)回路電壓對(duì)頻率的影響 開關(guān)回路加到繞組的是矩形脈沖電壓，故電流也是脈沖。在步進(jìn)電機(jī)中要設(shè)法增大起動(dòng)電流，以提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即提高其工作頻率。由于步進(jìn)電機(jī)是感性負(fù)載，所以進(jìn)入繞組的電流脈沖 是以指數(shù)形式上升，即這時(shí)電流脈沖 i為： 1/(1 )TjHi I e??? 公式 () 其中： i是電流脈沖瞬時(shí)值； HI 是在開關(guān)回路電壓為 u時(shí)的電流穩(wěn)態(tài)值； Tj 是開關(guān)回路的時(shí)間常數(shù)， ? ?/ LCTj L R R?? 綜上所述，本設(shè)計(jì)選用三相步進(jìn)反應(yīng)式電機(jī)，采用運(yùn)行 中根據(jù)工作頻率對(duì)電源電壓升壓補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā? 交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理 本設(shè)計(jì)對(duì)交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制的電氣原理圖如下所示： 第 19 頁(yè) 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 1