第六章 设计硬件电路
6.1 硬件电路总体分析
步进电机控制系统共分为两个模块：按键控制模块、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；停止键接于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。
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，因此需要采用四支完全相同的驱动电路分别控制电机四相绕组的电流，而由PLC的Y0、Y1、Y2和Y3端口分别提供控制四相绕组的脉冲信号。
6.2总体设计分析图
图6-1 硬件电路分析图
图形说明：
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。
按键控制模块 PLC 电机驱动模块 6.3电路总体设计
键盘在单片机应用系统中能实现向PLC输入数据、传送命令等重要功能，是人工干预单片机的重要手段。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
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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6-1、图6-2所示。
图6-1直流输入单元
图6-2 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6—1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，便可确认按键是否按下。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，相应的发光二极管变亮。
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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方法或软件方法。由于硬件电路设计复杂，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6-3所示。
其中SB0是启动/停止按钮，SB1为0.5s低速持续运转控制按钮，SB2为0.1s中速持续运转控制按钮，SB3为0.3s高速持续运转控制按钮， SB4为正反转切换按钮，SB5为通电方式切换按钮。
6.4步进电机的驱动电路
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。
步进电机是采用电脉冲电源供电的。这种驱动电源一般应包括脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲功率放大电路几部分。驱动电路就是脉冲功率放大电路。功率放大器的输出直接直接驱动电动机绕组。因此功率放大电路的性能对步进电机的运行状态有很大
影响。目前国内步进电机的驱动电路主要有以下几种。
⑴单电压驱动
单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6-4所示 图6-3键盘硬件接线图
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图6-4 单电压驱动电路
功率晶体管T用作开头，L是电机一相绕组的电感，电源电压一般选择在10V-100V左右。限流电阻R1决定了时间常数，R1在工作中要消耗一定的能量，所以这个电路损耗大、放率低，一般只用于小功率步进电动机的驱动。
⑵双电压驱动
用提高电压的方法可以使绕组中的电流上升波形变陡，这样就产生了双电压驱动。双电压驱动有两种方式：双电压法和高低压法
①双电压法
双电压法的基本思路是：在低频段使用较低的电压驱动，在高频段使用较高的电压驱动。其电路原理如图6-5所示。
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图6-5 双电压驱动电路
当电动机工作在低频时，给T1低电平，使T1关断。这时，电动机的绕组由低电压VL供电，控制脉冲通过T2使绕组得到低压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给T1高电平，使T1打开。压脉冲电源。当电动机工作在高频时，给T1高电平，使T1打开。这时二极管D2反响截止，切断低电压电源VL，电动机绕组由高电压VH供电，使控制脉冲通过T2使绕组得到高压脉冲电源。
这种驱动方法保证了低频段仍然具有单电压驱动的特点，在高频段具有良好的高频性能，但仍没摆脱单压驱动的弱点，在限流电阻R上仍然会产生损耗和发热。
②高低压法
高低压法的基本思路是：不论电动机工作的频率如何，在绕组通电的开始用高压供电，使绕组中电流迅速上升，而后用低压来维持绕组中的电流。
高低压驱动电路的原理如图6-6所示，尽管看起来与双电压 法电路非常相似，但它们的原理有很大差别。
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