电机低压驱动控制电路设计(附件)【字数：9424】
摘 要本课题主要针对的是超声波电机，以单片机为核心设计的电机驱动控制电路，从而实现对电机的运动控制。主要工作内容如下（1）设计硬件驱动控制电路，涵盖单片机外围电路的连接、串行接口、驱动控制电路、位置传感器电路连接等各个部分元器件。（2）设计硬件驱动控制电路，并生成对应的PCB板。（3）对驱动控制电路系统进行软件的设计。包括上位机与下位机的编程，从而控制超声波电机。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本课题研究的意义 1
1.2超声波电机的发展史 1
1.3超声波电机的特点 1
1.4超声波电机的应用 2
1.5本文研究的主要内容 3
第二章 电机低压控制电路的总体设计 4
第三章 硬件电路设计 6
3.1 单片机主控制单元 6
3.1.1单片机模块 6
3.1.2时钟电路设计 7
3.1.3复位电路设计 7
3.1.4电源电路设计 8
3.2 驱动控制电路设计 8
3.2.1几种驱动芯片的比较 8
3.2.2 L298N的介绍 10
3.3位置传感器 13
3.3.1位置传感器NSE5310 13
3.3.2位置传感器NSE5310的连接电路 13
3.4 RS232串行通信模块 14
第四章 系统软件设计 16
4.1上位机部分 16
4.1.1上位机总体框架 16
4.1.2模块功能 17
4.2下位机部分 18
4.2.1软件编译环境 18
4.2.2下位机程序设计 19
结束语 20
参考文献 21
致 谢 22
第一章 绪论
1.1本课题研究的意义
微机电技术是一门可以将引信向数字化、信息化发展的技术，提高了引信性能。超声波电机作为最新的微电机，具有无噪声、定位精度好、抗电磁干扰能力强、低速大转矩、响应灵敏等优良性能，有着传统电磁电机所缺乏的优点。现代引信正在向智能化、小型化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
、灵巧化的方向发展，在引信中使用超声波电机单元，设计用单片机做为核心的电机控制电路，可以减小引信的体积、降低了成本、减少了能量的消耗、提高了安全性、可靠性和灵敏度，符合引信的发展需求。
1.2超声波电机的发展史
超声波电机（Ultrasonic Motors，缩写USM）是从20世纪80年代开始逐步得到发展的一种新型微电机，采用了多种最新技术，慢慢地成为现代工业不可或缺的重要元器件。超声波电机的概念是空前的，压电材料产生的逆压电效应使得定子形成超声波频段的振动，定转子之间由于摩擦耦合使得转子运动输出转矩，从而驱动负载。
超声波电机不依靠电磁的相互作用传递能量，利用压电陶瓷产生的逆压电效应产生的超声波振动作为驱动，依靠振动部分和移动部分之间的摩擦力耦合转变形成移动体的直线或者旋转运动。
我国超声波电机的研宄起步较晚，20世纪90年代，清华大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、 东南大学、上海交通大学、电子21所、中科院长春光机所、西安微电机研宄所等多所高校和科研院所都陆续开展了相关研宄工作。清华大学的周铁英等人于1989年成功地申请了国内首个超声波电机发明专利。国内目前直径最小 （1mm）的超声波电机就是出自清华大学科研团队，并且有望在生物医学领域得到广泛的应用。浙江大学对大力矩纵扭复合型超声波电机进行了深入的研宄，并成功研制出了堵转力矩达10N ? m且重复定位精度达0.025度的超声波电机。南京航空航天大学精密驱动研宄所在超声波电机运行机理、结构参数优化设计、驱动控制技术和样机试验技术方面成果颇丰。虽然国内有关超声波电机的研宄取得了丰硕的成果，但超声波电机实用化、产业化方面还存有空白，更多的研宄有待深入地去进行。
1.3超声波电机的特点
超声波电机在工作原理方面相比于传统电机有着诸多许多显著的特点：
1、低速大转矩
超声波电机靠摩擦传动的机制和振动体的振动原理决定了超声波电机转速 相较于一般电机较低，但是它的转矩密度却可以达到传统电磁电机的十倍以上。当需要驱动电机能够输出低转速大转矩从而进行位置控制时，超声波电机不需利用齿轮箱来进行减速，从而有效地减小了驱动机构的空间。
2、运行无噪声
超声波电机运转时定子的振动频率处于人耳无法接受的频率范围内，因而不会产生任何噪声，相对较安静，同时超声波电机的原理是直接驱动电机的，不需要齿轮箱对其进行减速，避免了减速机构所产生的噪声问题，在医疗器械等要求低噪声的领域超声波电机具有较为明显的优势。
3、抗电磁场的干扰，也不产生电磁干扰
超声波电机不依托磁场传递能量，所以在运转时超声波电机有较强的抗干扰能力；同时其本身也不会产生电磁场，因此电磁兼容性强，适用于精密仪器和光学系统中。
4、转矩密度高
与目前的市面上常见的小型电磁电机对比，绝大多数超声波电机的转矩密度是一般磁电电机的十倍以上。
5、控制特性好
电机启停瞬态响应速度的快慢影响了系统的定位精度。该电磁电机转速较高、转动惯量较大、转矩较小，响应时间通常会在10ms以上，且随齿轮箱的增加而增加。超声波电机转子结构较为简单，转动惯量小，响应时间一般在 1ms以下。快速地响应提高了闭环系统的稳定性，使得定位调整的频率达到了1KHz,但是电磁电机仅仅达到100Hz左右。
6、定位精度高
超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米，甚至纳米数量级。在直 接反馈系统中，位置分辨率较高，容易实现对微米、亚微米级、纳米级的微位移步 进定位精度。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本课题研究的意义 1
1.2超声波电机的发展史 1
1.3超声波电机的特点 1
1.4超声波电机的应用 2
1.5本文研究的主要内容 3
第二章 电机低压控制电路的总体设计 4
第三章 硬件电路设计 6
3.1 单片机主控制单元 6
3.1.1单片机模块 6
3.1.2时钟电路设计 7
3.1.3复位电路设计 7
3.1.4电源电路设计 8
3.2 驱动控制电路设计 8
3.2.1几种驱动芯片的比较 8
3.2.2 L298N的介绍 10
3.3位置传感器 13
3.3.1位置传感器NSE5310 13
3.3.2位置传感器NSE5310的连接电路 13
3.4 RS232串行通信模块 14
第四章 系统软件设计 16
4.1上位机部分 16
4.1.1上位机总体框架 16
4.1.2模块功能 17
4.2下位机部分 18
4.2.1软件编译环境 18
4.2.2下位机程序设计 19
结束语 20
参考文献 21
致 谢 22
第一章 绪论
1.1本课题研究的意义
微机电技术是一门可以将引信向数字化、信息化发展的技术，提高了引信性能。超声波电机作为最新的微电机，具有无噪声、定位精度好、抗电磁干扰能力强、低速大转矩、响应灵敏等优良性能，有着传统电磁电机所缺乏的优点。现代引信正在向智能化、小型化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
、灵巧化的方向发展，在引信中使用超声波电机单元，设计用单片机做为核心的电机控制电路，可以减小引信的体积、降低了成本、减少了能量的消耗、提高了安全性、可靠性和灵敏度，符合引信的发展需求。
1.2超声波电机的发展史
超声波电机（Ultrasonic Motors，缩写USM）是从20世纪80年代开始逐步得到发展的一种新型微电机，采用了多种最新技术，慢慢地成为现代工业不可或缺的重要元器件。超声波电机的概念是空前的，压电材料产生的逆压电效应使得定子形成超声波频段的振动，定转子之间由于摩擦耦合使得转子运动输出转矩，从而驱动负载。
超声波电机不依靠电磁的相互作用传递能量，利用压电陶瓷产生的逆压电效应产生的超声波振动作为驱动，依靠振动部分和移动部分之间的摩擦力耦合转变形成移动体的直线或者旋转运动。
我国超声波电机的研宄起步较晚，20世纪90年代，清华大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、 东南大学、上海交通大学、电子21所、中科院长春光机所、西安微电机研宄所等多所高校和科研院所都陆续开展了相关研宄工作。清华大学的周铁英等人于1989年成功地申请了国内首个超声波电机发明专利。国内目前直径最小 （1mm）的超声波电机就是出自清华大学科研团队，并且有望在生物医学领域得到广泛的应用。浙江大学对大力矩纵扭复合型超声波电机进行了深入的研宄，并成功研制出了堵转力矩达10N ? m且重复定位精度达0.025度的超声波电机。南京航空航天大学精密驱动研宄所在超声波电机运行机理、结构参数优化设计、驱动控制技术和样机试验技术方面成果颇丰。虽然国内有关超声波电机的研宄取得了丰硕的成果，但超声波电机实用化、产业化方面还存有空白，更多的研宄有待深入地去进行。
1.3超声波电机的特点
超声波电机在工作原理方面相比于传统电机有着诸多许多显著的特点：
1、低速大转矩
超声波电机靠摩擦传动的机制和振动体的振动原理决定了超声波电机转速 相较于一般电机较低，但是它的转矩密度却可以达到传统电磁电机的十倍以上。当需要驱动电机能够输出低转速大转矩从而进行位置控制时，超声波电机不需利用齿轮箱来进行减速，从而有效地减小了驱动机构的空间。
2、运行无噪声
超声波电机运转时定子的振动频率处于人耳无法接受的频率范围内，因而不会产生任何噪声，相对较安静，同时超声波电机的原理是直接驱动电机的，不需要齿轮箱对其进行减速，避免了减速机构所产生的噪声问题，在医疗器械等要求低噪声的领域超声波电机具有较为明显的优势。
3、抗电磁场的干扰，也不产生电磁干扰
超声波电机不依托磁场传递能量，所以在运转时超声波电机有较强的抗干扰能力；同时其本身也不会产生电磁场，因此电磁兼容性强，适用于精密仪器和光学系统中。
4、转矩密度高
与目前的市面上常见的小型电磁电机对比，绝大多数超声波电机的转矩密度是一般磁电电机的十倍以上。
5、控制特性好
电机启停瞬态响应速度的快慢影响了系统的定位精度。该电磁电机转速较高、转动惯量较大、转矩较小，响应时间通常会在10ms以上，且随齿轮箱的增加而增加。超声波电机转子结构较为简单，转动惯量小，响应时间一般在 1ms以下。快速地响应提高了闭环系统的稳定性，使得定位调整的频率达到了1KHz,但是电磁电机仅仅达到100Hz左右。
6、定位精度高
超声波电机振动体的表面振幅一般为微米、亚微米，甚至纳米数量级。在直 接反馈系统中，位置分辨率较高，容易实现对微米、亚微米级、纳米级的微位移步 进定位精度。
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