基于串口通信的步进电机调速系统设计(编辑修改稿)

基于串口通信的步进电机调速系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用 30pF177。 10pF，而如果使用陶瓷谐振器建议选择 40pF177。 10pF。 用户还可以采用外部时钟，采用外部时钟如图 所示。 在这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，既内部时钟发生器的输入端， XTAL2 悬空。 图 内部震荡电路 X2X1GNDC2C112HZ内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 光电隔离器 光电耦合器是把发光器件 (如发光二极管 )和光敏器件 (如光敏三极管 )组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。 图 所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。 当电信号送人光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流 图 而发光，光敏元件受到光 照后产生电流， CE 导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止， CE 不通。 对于数字量，当输人为低电子 0时，光敏三极管截止，输出为高电平 1；当输人为高电平 1时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平 0。 若基极有 出线则可满足温度补偿、检测调制要求。 这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。 光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种 噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因 ： (1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为 105～106。 据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管 发光，从而被抑制掉了。 (2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 (3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。 因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 (4)光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有 10μs左右，适于对响应速度要求很高的场合。 发光二极管正极负极集电极发射极光敏三极管内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 MAX232 的介绍 MAX232 是电压转换芯片，将 ttl 电平转换成可以和电脑串口匹配的电压 MAX232芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的接口电路 ,使用 +5v 单电源供电。 在传输方面 ， MAX232 内部将 +5V的电平提升为 10V~+10V，然后接受 TTL/ CMOS 的+5V 电平，并转化成  10V信号送到线路上。 在接受方面， MAX232 从线路上接受  10V信号，经过内部电路转换成 +5V 电平。 实际上 MAX232 只是一个电平转换器，但是只需要 +5V电源与 4~5 个小电容（ 10uf 即可）就可以同时提供双向电平调整。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。 由 6 脚和 4 只电容构成。 功能是产生 +12v和 12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转 换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS232 数据从 T1OUT、 T2OUT 送到电脑DP9 插头； DP9 插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从R1OUT、 R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 DNG、 16 脚 VCC（ +5v）。 PCB 板的生成 此硬件部分是建立在 protel99 的环境下工作的。 PCB 基本设计流程如下：前期准备 PCB 结构设计 PCB 布局 布线优化和丝印 制版。 第一：前期准备。 这包括准备元件库和原理图。 要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。 在进行 PCB 设计之前，首先要准备好原理图 SCH 的元件库和 PCB 的元件库。 元件库可以用 Peotel 自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。 原则上先做 PCB 的元件库，再做 SCH 的元件库。 PCB 的元件库要求较高，它直接影响板子的安装； SCH 的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与 PCB 元件的对应关系就行。 PS：注意标准库中的隐藏管脚。 之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做 PCB 设计了。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 第二： PCB 结构设计。 这一步根据已经确定的电路板尺寸和各项机械定位，在 PCB 设计环境下绘制 PCB 板面，并按定位要求放置所需的接插件、按键 /开关、螺丝孔、装配孔等等。 并充分考虑和确定布线区域和非布线区域（如螺丝孔周围多大范围属于非布线区域）。 第三： PCB 布局。 布局说白了就是在板子上放器件。 这时如果前面讲到的准备工作都做好的话，就可以在原理图上生成网络表 （ DesignCreate Netlist），之后在 PCB 图上导入网络表（ DesignLoad Nets）。 就看见器件 杂乱无章 的全堆上去了，各管脚之间还有飞线提示连接。 然后就可以对器件布局了。 第 四 ：布线优化和丝印。 优化布线 后，如果什么 需要修改之后，就可以铺铜了（ Placepolygon Plane）。 铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离），多层板时还可能需要铺电源。 时对于丝印，要注意不能被器件 挡住或被过孔和焊盘去掉。 同时，设计时正视元件面，底层的字应做镜像处理，以免混淆层面。 第 五 ：制版。 PCB 布局及布线和生成的 PCB 板模型如附录 B。 步进电机的结构特点 步进电动机的结构分为定子和转子两大部分。 定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来的电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁。 转子用硅钢片叠成或用 软磁性材料 做成凸极结构；转子本身没有励磁绕组的叫做“反应式步进电动机” ；用永久磁铁做转子的叫做“永磁式步进电动机”。 步进电动机的结构形式很多，但其工作原理都大同小异， 本设计 用的就 是 三相反应式步进电动机。 反应式 步进电机的结构 如图 所示 是一个三相反应式步进电机的结构图。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 图 从图中可以看出，它分成转子和定子两个部分。 定子由硅钢片叠成。 定子上有六个磁极（大极），每两个相对的磁极（ N、 S 极）组成一对，共 3对。 每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样 3 对磁极有 3对绕组，形成 3相。 可以得出，四相步进电机有 4对磁极、 4 对绕组， 5相步进电机有 5对磁极、 5对绕组 „„ 以此类 推。 每个磁极内表面都分布着很多小齿，它们大小相同 间距相同。 转子式由软磁材料制作成的，其外表也均匀分布着小齿，这些小齿与定子上的小齿齿距相同，形状相似。 由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，其齿距角都可以计算如下： 2/z z （ ） 式中： Z—— 转子的齿数。 例如，如果转子的齿数为 40. 则 齿距角为： 2 / 40 9z （ ） 反应式 步进电机的工作原理 反应式步进电机的步进原理 如 图 所示是三相反应式步进电动机的工作原理图。 图 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 步进电动机由转子和定子组成。 定子上有 A、 B、 C 三对绕组磁极，分别称为 A 相、B 相、 C 相。 转子是硅钢片等软磁材料迭合成的带齿廓形状的铁心。 如果在定子的三对绕组中通直流电流，就会产生磁场。 当 A、 B、 C三对磁极的绕组依次轮流通电，则 A、 B、C 三对磁极依次产生磁 场吸引转子转动。 (1)当 A相通电， B相和 C 相不通电时，电动机铁心的 AA/ 方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子 3齿与 A相磁极对齐。 4两齿与 B、 C两磁极相对错开 30。 (2)当 B相通电、 C相和 A 相断电时，电动机铁心的 BB/方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向旋转 30 ， 4 齿与 B 相磁极对齐。 3 两齿与 C、 A 两磁极相对错开 30。 (3)当 C相通电， A相和 B 相断电时，电动机铁心的 CC/方向产生磁通，在磁拉力的作用下，转子沿逆时针方向又旋转 30 ， 3 齿与 C 相磁极对齐。 4 两齿与 A、 B 两磁极相对错开 30。 综上所述，可以得到如下结论： (1)步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个确定的角度，即步距角  ； (2)改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变； (3)步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越 高，转子的转速越高。 反应式 步进电机的 步进方式 反应式步进电机的步进方式可以有三种：单三拍、双三拍、六拍。 (1)单三拍工作方式 三相步进电机若按 A→ B→ C„通电相序连续通电，则步进电动机就连续地沿逆时针方向旋动，每换接一次通电相序，步进电动机沿逆时针方向转过 30 ，即步距角为 30。 如果步进电动机定子磁极通电相序按 A→ C→ B„进行，则转子沿顺时针方向旋转。 上述通电方式称为三相单三拍通电方式。 所谓“单”是指每次只有一相绕组通电的意思。 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，每一拍转子转动一个步距角，故所谓“三拍”是指通电换接三次后完成一个通电周期。 (2)双三拍工作方式 三相步进电机的各相除了采用单三拍方式通电工作外，还可以有其他通电方式。 双内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 三拍就是其中之一。 双三拍的工作方式是：每次对两相同时通电，即所谓的“双”；磁场旋转一周需要换相三次，即所谓“三拍”，转子转动一个齿距角，这与但三拍是一样的。 在双三拍工作方式中，步进电 机正向通电的顺序为： AB→ BC→ CA；反转的通电顺序为： BA→ AC→ CB。 (3)六拍工作方式 六拍工作方式也是步进电机的另一种通电方式。 这是单三拍与双三拍交替使用的一种方法，也称为单双六拍或 1→ 2相励磁法。 步进电机的正转通电顺序为： A→ AB→ B→ BC→ C→ CA；反转通电顺序为： A→ AC→ C→ CB→ B→ BA。 可见，磁场旋转一周，通电需要换相 6 次（即六拍），转子才转动一个齿距角。 这是与单三拍和双三拍最大的区别。 由于转子转动一个齿距角需要六拍，所以，六拍工作时，步距角要比单三拍和双三拍的步距角小一半，即步进 电机的精度提高了一倍。 步进电动机的主要性能指标 1. 步矩角 步矩角是指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过角度的理论值，它是步进电机的主要性能指标之一。 不同的应用场合，对步矩角大小的要求不同。 它的大小直接影响步进电机的起动和运行频率。 因此，在选择步进电机的步矩角 θb 时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步矩角应满足 θbiθmin （ ） 式中： i 为 传动比； θmin 为负载轴要求的最小位移增量（或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。 2. 转矩 1）保持转矩（或定位转矩）是指绕组不通电时电磁转矩的最大值或转角不超过一定值时的转矩值。 通常反应式步进电机的保持转矩为零，而若干类型的永磁式步进电机具有一定的保持转矩。 2）静转矩 是指不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。 它是绕组内的电流及失调角的函数。 当绕组内的电流值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。 负载转矩 TL 与最大静转矩的关系为 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 TL=（ ~） Tsmax （ ） 为保证步进电机在系统中正常工作，还必须满足 : TstTLmax （ ） 式中： Tst为步进电机起动转矩； TLmax为步进电机最大静负载转矩。