哈尔滨理工大学学士学位论文

第3章 硬件电路设计

3.1 硬件设计思路

步进电机控制系统共分为三个模块：按键控制模块、数码显示模块、步进电机驱动模块。

键盘控制模块包括启动键、停止键、点动控制键、速度控制键、方向控制键和步进电机通电方式改变的控制。其中启动键接于PLC的X0端口；键接于PLC的X1端口；点动控制键接于PLC的X2端口，实现对步进电机的点动控制；而速度控制键分为4个不同的速度等级，有小到大分别接于PLC的X3、X4、X5和X6端口，实现对步进电机在不同转速下运行的控制要求；方向控制键接于PLC的X7端口，实现对步进电机正反转的控制；通电方式改变按钮接于PLC的X8端口，实现对步进电机通电方式改变的控制。

数码显示模块采用共阳极数码管来动态显示步进电机的实际转动速度。利用三极管为数码管的com端提供高电平。PLC的Y3-Y6端口提供数码管的段选信号，PLC的Y7-Y10端口控制数码管的位选信号。

步进电机驱动模块采用恒频斩波细分驱动电路，通过接收PLC发出的脉冲信号来控制步进电机完成各种操作。由于本设计中采用三相反应式步进电机，因此需要采用三支完全相同的驱动电路分别控制电机两相绕组的电流，而由PLC的Y0、Y1和Y3端口分别提供控制两相绕组的脉冲信号。

3.2 总设计图框

总设计图如图2-1所示。

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图3-1总体设计框图

说明如下：

1.PLC接受键盘信息，改变系统内部变量值。 2.PLC输出脉冲信号，控制步进电机转动。

3.PLC根据步进电机实际转动值，控制数码管显示。 3.3 外围电路设计及分析

键盘在单片机应用系统中能实现向PLC输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质是一组按键开关的集合。键盘所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。

机械开关应接到PLC的开关量输入接口进行开关控制，PLC的开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同可分为直流输入单元和交流输入单元，如图2-5、图2-6所示。

图3-2直流输入单元

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图3-3 交流输入单元

从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中输入口的电源部分都画在了输入口外（虚线框外），这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中，输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源 。

本设计中采用的是直流输入单元，即如图2-8所示。

一个电压信号在机械触点的断开、闭合过程中，都会产生抖动，一般为5—10ms；两次抖动之间为稳定的闭合状态，时间由按键动作所决定；第一次抖动前和第二次抖动后为断开状态。

按键的闭合与否，反映在输出电压上就是呈现出高电平或低电平。通过对输出电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。在本设计中，高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合状体。并且，为了能直观形象的表示按键闭合与否，还为每个按键相应增加了发光二极管，按键断开时，发光二极管灭，当有键闭合时，

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相应的发光二极管变亮。

为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动通常采用硬件、软件两种方法。由于硬件消抖电路设计复杂，本设计中没有采用，在此不再详细叙述；软件消抖适合按键较多的情况，方便简单。其原理是在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms的子程序后在确认该键电平是否仍 图3-4 按键接线图 保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。因此本设计中采用了这种方式来消除抖动，其原理将在下一章软件设计中体现出来，其硬件原理图如图2-7所示：

其中SB0是启动按钮，SB1为关闭按钮，SB2为低速点动控制按钮，SB3为低速持续运转控制按钮，SB4为中速持续运转控制按钮，SB5为高速运转控制按钮，SB6为超高速运转控制按钮.SB7为正反转切换按钮，SB8

为控制步进电机通电方式在三相单拍、三相单双拍和三相三拍之间切换。

步进电动机驱动电路。步进电机的功率放大电路的种类很多。按照电流流过的方向是单向还是双向的，可以把功率放大电路分为双极性驱动电路和单极性驱动电路两类。单极性驱动电路适用于反应式步进电机，而双极性驱动电路适用于永磁式步进电动机和混合式步进电动机。

驱动电路的功率器件可以选用功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）或IGBT，还可以选用集成功率驱动模块。 ⑴单电压驱动

但电压驱动是指电动机绕组在工作时，只用一个电压电源对绕组供电。单电压驱动如图2-8所示

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