机电传动单向数控平台设计 姚安

机电传动单向数控

平台设计

——机械工程及自动化专业专业课程设计说明书

专 业：机械工程及其自动化

班 级：机自09-8班 学生姓名：姚 安 学 号： 03091131 指导老师：杨雪峰 2012年11月29日

目录

1设计任务

1.1 设计任务介绍及意义 1.2 设计任务明细 1.3 设计的基本要求

2总体方案设计

2.1 设计的基本依据 2.2 总体方案的确定

3机械传动系统设计

3.1机械传动装置的组成及原理3.2主要部件的结构设计计算

4电气控制系统设计

4.1 控制系统的基本组成 4.2 电器元件的选型计算 4.3 电气控制电路的设计 4.4 控制程序的设计及说明

5 结束语 6参考文献

1. 设计任务

1.1设计任务介绍及意义 ◆ 课程设计题目

机电传动单向数控平台设计

◆ 主要设计内容

(1)机械传动结构设计 (2)电气控制系统

◆ 课程设计意义：

⑴培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统(产品) 的初步设计工作。

⑵培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具

书籍以及编写技术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。 ⑶培养学生掌握机电产品设计的一般程序和方法，进行工程师基本素质的训练。

⑷树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。

1.2设计任务明细：

机电传动单向数控平台设计： 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25

电机驱动方式：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机； 机械传动方式：螺旋丝杆、滚珠丝杆、同步皮带、链传动等； 电气控制方式：单片微机控制、PLC 控制； 功能控制要求：速度控制、位置控制； 主要设计参数：

单向工作行程——1800、1500、1200 mm； 移动负载质量——100、50 kg； 负载移动阻力——100、50 N； 移动速度控制——3、6 m/min；

1.3设计的基本要求

（1）方案设计：根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，

明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。

（2）总体设计：针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，

进行总体设计，最后给出机械系统的控制原理图或主要部件图（A2图一张）。

（3）电气控制线路图：根据控制功能要求，完成电气控制设计，给处电气控制

电路原理图（A2图一张）。

（4）成果展示：课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为3000字以上，设计图纸不少于两张。 （5）绘图及说明书：用计算机绘图，打印说明书；

（6）设计选题：分组进行，每位同学采用不同方案（或参数）独立完成。

2．总体方案设计

2.1设计基本依据

直流伺服电机是用直流电信号控制的伺服电动机，它在机电一体化设备中作为执行元件，其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上的角位移或角速度输出。

直流伺服电动机具有以下特点：

1、稳定性好。直流伺服电动机具有线性下垂的机械性，能在较宽的速度范围内稳定运行。

2 、可控性好。直流伺服电动机具有线性的调节特性，能使转速正比于控制电压的大小；转向取决于控制电压的极性；控制电压为零时，转子无惯性，能立即停转。

3、响应迅速。直流伺服电动机具有较大的起动转矩和较小的转动惯量，在控制信号增加、减小或消失的瞬间，直流伺服电动机能快速起动增速、快速减速和快速减速。

4、控制功率低，损耗小。 5、堵转转矩大。

滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从

滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点： 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3

由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动, 所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下, 即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

2、高精度的保证

滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面, 对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3、微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动, 所以启动力矩极小, 不会出现滑动运动那样的爬行现象, 能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加予压, 由于予压力可使轴向间隙达到负值, 进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力, 在实际用于机械装置等时, 由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强) 。 5、高速进给可能

滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动) 。

单片机的特点

1. 高集成度，体积小，高可靠性

单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU 。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM 中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。

2. 控制功能强

为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。 低电压，低功耗，便于生产便携式产品

为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V ～3.6V ，而工作电流仅为数百微安。 3. 易扩展

片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。 4. 优异的性能价格比

单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC 流水线和DSP 等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB 的限制，有的已可达到1MB 和16MB ，片内的ROM 容量可达62MB ，RAM 容量则可达2MB 。由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。

2.2总体方案的确定 参数初设如下：

(1)电机驱动方式：直流伺服电机

⑵机械传动方式：滚珠丝杠 ⑶电气控制方式：单片机控制 ⑷功能控制要求：速度控制

⑸主要设计参数：单向最大工作行程——1500mm ；

移动负载质量——50kg ；

负载移动阻力——100N ； 移动速度控制——6m/min;

选用矩形导轨，工作台滑动摩擦系数 μ=0.15； 丝杠材料初选钢材为42CrMo ，其HRC 为58～60。丝杠两端为固定支撑（F-F ），每个支座安装两个25°的接触角推力球轴承，面对面安装，进行预拉伸。

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四 电气控制系统设计

4.1 闭环伺服系统的构成

闭环伺服系统的构成图1所示。闭环系统是负反馈控制系统。检测元件将执行部件的位移、转角、速度等量变换成电信号，反馈到系统的输入端并与指令迸行比较, 得出误差信号的大小，然后按照减小误差大小的方向控制驱动电路，直到误差减小到零为止。反馈检测元件一般精度比较高，系统传动链的误差、闭环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了系统的跟随精度和定位精度。闭环系统的定位精度可达±0. 001~±0. 003. 根据检测元件的安装位置，闭环系统分为全闭环和半闭环两种。位置检测元件直接安装在最后的移动部件上，形成全闭环系统。

图1 闭环伺服控制系统的构成

4.2 闭环伺服系统设计 (1)伺服元件的选择

根据伺服系统的实际情况，选择电磁式直流伺服电机。 (2)检测元件的选择

闭环伺服系统通常是位置环、速度环、电流环3环联合的反馈系统. 因此，选择检测元件就是选择位置传感器和速度传感器。常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅尺、礠尺等。如被测量为直线位移，则

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应选直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。在位置伺服系统中，为了获得良好的性能，往往还要对执行元件的速度进行反馈控制，因而还要选用速度传感器。交直流伺服电机常用的速度传感器为测速发电机。 4.3 伺服电机转速控制

采用硬件电路实现对直流电机的转速控制已在实践中应用多年，其硬件组成复杂，速度调整困难，缺乏控制的灵活性。本文采用XX 单片机，利用PWM 信号发生器实现了对直流伺服电机转速的实时检测和控制。

4.3.1 PWM直流调速原理

直流电动机直流脉宽调速系统PWM 简介：为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

脉宽调制的基本原理：脉宽调制（Pulse Width Modulation ），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR ）、功率MOSFET 、IGBT 等。

通常PWM 变换器是用定频调宽来达到调压的目的。

PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。 4.4 AT89C51简介

1) 51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系

列单片机的始祖是Intel 的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL 公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。主要特性：

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a) 与MCS-51 兼容

b) 4K 字节可编程闪烁存储器 c) 寿命：1000写/擦循环 d) 数据保留时间：10年 e) 全静态工作：0Hz-24MHz f) 三级程序存储器锁定 g) 128×8位内部RAM h) 32可编程I/O线 i) 两个16位定时器/计数器 j) 5个中断源 k) 可编程串行通道 l) 低功耗的闲置和掉电模式 m) 片内振荡器和时钟电路

2) AT89C51引脚图:

3) 管脚说明： VCC ：供电电压。 GND ：接地。

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P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

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ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时， ALE 只有在执行MOVX ，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH ），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET ；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP ）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4.5 二极管的应用 1) 整流二极管

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

2) 开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3) 限幅元件

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V ，锗管为0.2V ）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4) 继流二极管

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

4.6 电路组成 4.6.1晶振电路

图2晶振电路图，由两个电容和一个晶振组成，晶振频率为12MHz 。

图2

4.6.2 复位电路

图3为复位电路图，由直流电源，电容和电阻组成，其主要功能是对单片机进行复位功能。

图3

4.6.3 单相桥式整流电路

图4是单相桥式整流电路图，由4个场效应管IGBT 和四个二极管组成，其功能是将交流电转化成直流电。其负载为伺服直流电机，通过门控信号的改变可以调节电机的转速和转向

图4

4.6.4 调制电路

图5是调制电路图，由两个与门和一个非门组成，其功能主要是产生PWM 脉冲来控制IGBT 。

图5

4.7 仿真结果图

下图是系统的仿真图，图中左下方是三个控制开关，分别控制直流伺服电动机的正反转，加减速。开关按下时，是高电平信号，开关开时，是低电平信号（信号为高电平时有效）。开关右侧的单片机AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控

制信号。系统图的最右侧是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式PWM 逆变电路。以电动机作为负载，工作时Q1,Q3的通断状态互补，Q2,Q4的通断状态也互补。PWM 逆变电路下方是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至4个IGBT 的门极，对其控制。

图7

4.8 程序设计 4.8.1 程序流程图

由以下流程图可知，系统先检测开关K1的信号，如果是0信号，电机启动，若为1信号，电机不转；再检测开关K2（正反转开关）的信号。如果是0信号（开的状态），则发出正转信号，电动机正转，反之电动机反转。检测完开关K2，接下来检测开关K3（加速开关），若信号为1（关的状态），发出加速的信号，电动机加速，若信号为0（开的状态），速度保持不变。再检测开关K4（减速开关），若信号为1（关的状态），发出减速的信号，电动机减速，若信号为0（开的状态），速度保持不变。系统一直对四个开关信号循环检测，循环的执行程序。

4.7.2 汇编语言设计

K1 BIT P1.0 ；启停键 K2 BIT P1.1 ；正反转键 K3 BIT P1.3 ；加速键 K4 BIT P1.4 ；减速键 CLK BIT P0.0 ；速度控制信号 ZF BIT P0.1 ；正反控制信号 PWMH EQU 30H ；调宽值，定时器所赋值 PWML EQU 31H

ORG 0000H LJMP MAIN

ORG 000BH ；中断1控制周期

LJMP TIMER1

ORG 001BH ；中断3控制脉宽 LJMP TIMER2 ORG 0030H

MAIN: MOV PWMH,#00H MOV PWML,#0FH

MOV TMOD,#11H

MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV TH1,PWMH

MOV TL1,PWML

SETB EA SETB ET0 SETB ET1 SETB TR0 CLR CLK

LOOP: JB K1,LOOP1 LOOPK1: JB K2,LOOPZF CLR ZF LJMP LOOPK3 LOOPZF: SETB ZF

LOOPK3: JB K3,LOOPK2 LCALL DELAY MOV A,PWML

ADD A,#1 MOV PWML,A MOV A,PWMH

ADDC A,#0 MOV PWMH,A

JNC LOOPK2 ；两个定时器都工作在方式1 ；65.536mm 定时

；脉宽 CPU 允许中断 T0中断 T1中断 T0计数 ；电机开关

；高电平逆时针转， ；低电平顺时针转 ；K3按下加速 ；调宽值低4位加1 ；调宽值高4位加1 ；最大值时

； ；允许定时器 ；允许定时器 ；定时器

MOV PWMH,#0FFH

LOOPK4: JB K4,OVER ；K4按下减速 LCALL DELAY MOV A,PWML CLR C

SUBB A,#1 ；调宽值低4位减1 MOV PWML,A MOV A,PWMH

SUBB A,#0 MOV PWMH,A JNC OVER

MOV PWMH,#00H OVER: LJMP LOOP TIMER1: CLR TR1 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H

MOV TH1,PWMH MOV TL1,PWML SETB TR1 CLR CLK RETI TIMER2: CLR TR1 SETB CLK RETI

DELAY: MOV R4,#10H D1: DJNZ R4,D1 RET END ；调宽值高4位减1 ；赋调宽值 ；最小值时

5. 结束语

本次课程设计是个人首次进行机械系统与电气控制系统的综合设计，从开始到结束自己学会了很多平时没有掌握的知识和能力，为以后的毕业设计打下了一定的基础。

通过本次课程设计的锻炼，我不仅深刻理解了单片机的工作原理，各个管脚的作用。而且在巩固单片机的基础知识和定时中断的知识之外，还在此学习了电机学和电力电子技术这两门学科，让自己的知识面更广了，更重要的是做到了各个学科之间的联系和应用以及理论和实践的联系。

本次电气控制系统设计的中心思想就是结合各门课程的知识，来完成一个综合的设计。通过单片机产生PWM 脉冲，来控制单相桥式整流电路，从而实现了对直流伺服电动机的调速控制。

在今后的学习中，我不但要将理论知识学好，还要将其应用到实践，并且将各科知识联系起来应用。

参考文献

[1] Designing DSP based digital control DC motor system ，Taiqiang Cao (Sch. of Electr. Eng., Southwest Jiaotong Univ., Chengdu, China); Jianping Xu; Shungang Xu Source: 2008 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), p 4 pp., 2008

[2] Microcontroller performance for DC motor speed control system ，Ali, Y .S.E. (Dept. of Electr. & Electron. Eng., Univ. Putra Malaysia, Selangor, Malaysia); Noor, S.B.M.; Bashi, S.M.; Hassan, M.K. Source: National Power Engineering Conference (IEEE Cat. No. 03EX770), p 104-9, 2003

[3] S.J.Bailey.“Step Motion Control 1985：Digital Incremental with Servo-like Performance”.Control Engineering ，Aug1985：49～52

[4] S.J.Bailey.“Lessening the Gap Between Increment al and Continuous motion Control ”.Control Engineering，Feb/19+87：72～76

[5] Panda and Amaratunge.“Comparison of Two Techniques for Closed～loop Drive of VR step Motors without Direct Rotor Position Sensing”.IEEE Transactions on Industry Tlectronics，V ol.38 No.2，April 1991：95～101

[6] Servo control of micro-cylindrical ultrasonic motor using single/dual mode control ，Wu, X. (Dept. of Electr. & Comput. Eng., Nat. Univ. of Singapore, Singapore); Panda, S.K.; Leong, T.C. Source: IECON 2005. Thirty-First Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IEEE Cat. No.05CH37699), p 6 pp., 2005

[7] 王立红，基于单片机的步进电动机升降速控制，微电机，2009.5 [8] 王赞，基于单片机的步进电动机控制系统的设计，科技信息，2009.5 [9] 叶佩青等. 数控技术的现状及发展策略. 机械科学与技术，1997年03期 [10] 苏静，数控机床中步进电动机的选用，数字技术与机械加工工艺装备，2008.3 [11] 郭宏. 伺服电动机的闭环控制系统. 微电机，1993年01期：20～25

[12] 连香娇，X - Y 工作台的机电一体化系统设计，北京建筑工程学院学报，2009,1 [13] 周彬，基于Proteus 的单片机PWM 直流调速系统设计，重庆大学学报，2010.5 [14] 郓为民等. 步进电机微步驱动位置闭环控制的研究. 微电机,1993年03期

[15] 李伟，基于单片机的无刷电机控制系统设计, 仪表技术与传感器, 2011年11期 [16] 基于AT89S51控制的直流电机调速与测速系统设计与实现, 科学技术与工程, 2011年33期

[17] 蔡春源，机械设计手册电子版2008，机械工程出版社出版社 [18] 现代机械传动手册, 机械工业出版社，第二版 [19] 程志红，机械设计，东南大学出版社 [20] 程志红等，机械设计