机电控制及可编程序控制器技术课程设计.pdf

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1、 机电控制及可编程序控制器技术课程设计 1 西安广播电视大学开放教育 机械设计制造及其自动化专业 机电控制与可编程控制器课程设计说明 题目：基于单片机控制的简易数控装置 专业层次：级 别：学 号：姓 名：分校（工作站）：指导教师：年 月 日 -1-开放教育专业课程设计任务书 编号：试点专业：办学单位：设计题目 学生姓名 课程设计内容：1课程设计技术要求和主要内容 2课程设计进度安排 2013.1.10-2013.2.5 安排毕业设计任务，了解电大设计要求和规定 2013.2.6-2013.1.25 初步确定总体方案以及总体思路，检查第一稿 2013.2.26-2013.3.9 进一步完善总体方

2、案，对相关内容进行初步计算 2013.3.10-2013.3.31 具体细节规划设计与计算，检查第二稿 2013.4.1-2013.4.24 在第三稿的基础上继续进行设计与计算，检查第三稿 2013.4.25-2013.5.5 检查所有论文资料，检查最终稿 指导教师签字 试点分校、教学班意见：教学班负责人签字、试点分校盖章 -2-年 月 日 中文摘要 摘要：随着科学技术的发展，由于普通机床效率差、性能落后，世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使机械加工业跨入一个新的“现代化”的历史发展阶段，从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。目前的单片机数控装置，大多采用 MCS-51

3、系列单片机。本系统是一个典型的经济型数控装置。系统采用 8031 单片机、高低压驱动大功率电力电子器件,光电传感器构成半闭环数控系统，实现数控机床的位置控制。使用变频调速系统控制主轴电机的运行。本系统具有巡检速度快、精确、方便、可靠性能高、抗干扰能力强等诸多优点，在工商业领域应用地越来越多。关键词：单片机；数控机床；变频器；步进电机；键盘/显示 -3-目 录 第 1 章 绪论.-0-1.1 设计背景.-0-1.2 工作要求.-0-1.3 设计的目的及意义.-0-第 2 章 系统总体方案的确定.-1-2.1 主要技术要求.-1-2.2 系统方案.-1-2.2.1 任务分析.-1-2.2.2 系统

4、总体框图.-1-第 3 章 系统硬件电路的设计.-3-3.1 CPU（单片机）与总线部分的选择.-3-3.1.1 CPU（单片机）的概述.-3-3.1.2 总线.-6-3.2 单片机存储器的扩展电路.-7-3.2.1 单片机外部存储器的扩展芯片.-8-3.2.2 单片机外部存储器的扩展.-10-3.3 主轴电机的驱动电路.-12-3.3.1 D/A 转换电路的选择.-13-3.3.2 主轴电机变频调速系统的设计.-14-3.3.3 主轴电机控制电路.-20-3.4 半闭环进给系统的设计.-22-3.4.1 位置控制单元的设计.-22-3.5 键盘显示电路的设计.-27-4-3.5.1 8155

5、 接口芯片简介.-27-3.5.2 8155 与 8031 的接口。.-28-3.5.3 键盘/显示接口电路的设计.-29-3.6 电源模块的设计.-31-3.6.1 +12V、-12V、+5V 电源的设计.-31-3.6.2 +80V 电源的设计.-32-3.7 系统的改进.-33-第 4 章 系统软件的设计.-34-4.1 主程序流程图.-34-4.2 键盘子程序流程图.-35-4.3 显示子程序流程图.-35-4.4 中断子程序流程图.-37-4.5 PID 控制算法子程序.-37-4.6 转速检测子程序流程图.-38-小结.-40-致 谢.-41-5-0-第 1 章 绪论 1.1 设计

6、背景 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。我国是一个机床大国，数控技术和产业经过 40 多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。有四百多万台普通机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。经济型数控车床的特点是价格低廉、编程简单、操作方便，具有数控机床的基本功能。经济型数控系统主要用于旧机床的改造和机械设备升级换代。1.2 工作要求 采用 8031 单片机、高低压驱动大功率电力电子器件等设计

7、简易数控装置，以驱动步进电动机构成半闭环数控系统，实现数控机床的位置控制。（1）步进电机停/起、加/减速控制；（2）硬件电路设计；（3）驱动电源设计；（4）软件流程设计；1.3 设计的目的及意义 数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计与制造等技术的最新成果，具有动作顺序的程序自动控制，位移和相对位置坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能。由单片机控制、步进电动机驱动的经济型半闭环数控装置，具有结构简单、控制容易、成本低、维修方便，能迅速加减速和全数字化等优点，因此，可广泛用于速度与精度要求不高的经济型数控机床和旧设备的改造中。-1-第 2 章 系统总体

8、方案的确定 2.1 主要技术要求（1）步进电动机：75BF001 相数：3 部距角：1.5/3 相电流：3A空载转矩：1750HZ 运行频率：1500HZ 工工作方式：3 相单 3 拍（2）分辨率10 um（3）进给速度10m/min 2.2 系统方案 2.2.1 任务分析 系统要求是由单片机控制、步进电动机驱动的经济型开环数控装置，为了使系统得到更高的精度，我们给系统加了一个位置检测装置，其主要作用是为了检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。只要提高检测元件和检测系统的精度，数控装置的加工精度

9、将会大大提高。该系统是基于单片机的应用系统，而单片机应用系统是以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能的应用系统。它一般由硬件和软件组成。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。2.2.2 系统总体框图 由上述分析可知，系统需要由 CPU（单片机）、存储器扩展电路、主轴电机的驱动电路，半闭环进给系统的控制、键盘显示电路，以及电路的供电的电源等六部分组成。其总体框图如图 2.1 所示。-2-图 2.1 系统总体框图 由上图可以看出，系统是通过键盘输入给定的 X 轴 Y 轴的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过

10、光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，到达步进电机的绕组，然后再通过速度检测元件，将步进电机的速度转变为脉冲量的变化，再通过整形放大送给单片机进行记数。通过单片机内部比较，进行调整，形成一个闭环控制电路。而对于主轴电机，在这里我们将 D/A 转换器输出的电压信号进行调理以后作为变频器的控制信号，当 D/A 转换器的输出改变时，其对应的变频器的电压控制信号也跟着改变，从而使变频器的输出频率改变，达到变频调速的目的,使系统实现设计的要求。速度检测器件采用光电码盘，因其输出为脉冲信号，可以通过计数器直接进入单片机，这样就省去了不少中间环节，大大降低了成本。输出的数字信号送入单片机的记数口进行记数，然后

11、通过软件编程实现对步进电机位置的显示与控制。-3-第 3 章 系统硬件电路的设计 对于系统单元电路的设计，系统主要采用模块化的设计思想，因为模块化的设计思想有利于系统的维修控制。对于本次所设计的系统，可将其分成六部分。CPU（单片机）与总线、存储器扩展电路、主轴电机的驱动电路、半闭环进给系统的控制电路、键盘显示电路，以及电路供电电源等六部分组成。3.1 CPU（单片机）与总线部分的选择 3.1.1 CPU（单片机）的概述 CPU 是 CNC 装置的核心，具有执行计算和控制能力。CPU 主要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂寄存器组成。CPU 在 CNC 装置工作时，其控制单元从存储器中依取去处组

12、成程序的指令，进行译码后，向 CNC 装置的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，同时接受执行部件发出的反馈信号，与程序中的指令信号比较后，决定下一步的应执行的操作。在运算过程中，算术逻辑单元不断从存储器中提取数据，并将运算结果送回存储器中保存。通过对运算结果的分析判断，设置状态寄存器的相应状态。CPU 与存储器，输入/输出接口等通过总线有机的结合在一起构成 CNC 装置。在系统设计中我们选用的是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列高档 8 位的 8031 单片机。它具有很高的性能，许多功能都超过了 8080CPU 和 Z80CPU，成为当代工业测控类应用系统的优选单片机。下面对 803

13、1 做以叙述。（1）8031 内部资源简介 一个完整的计算机应该是由运算器、控制器、存储器和 I/O 接口组成。一般由微处理器只包含云酸器可控制器两部分。和一般微处理器相比较，8031 增加了四个8 位 I/O 口、一个串行口、128B 的 RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。各部分组成。其中，2 个 16 位定时记数器，5 个中断源的中断控制系统、一个全双工的串行 I/O 接口、以及片内时钟振荡器，以上各部分均通过片内数据总线连接。（2）8031 芯片的引脚 8031 芯片的引脚如图 3.1 所示 -4-图 3.1 8031 芯片的引脚（3）单片机 8031 的引脚功能 四个并

14、行 I/O 口 P0.7P0.0：P0 口共有 8 条引脚，其中 P0.7 为最高位，P0.0 为最低位。P0 口既可作地址/数据总线使用，又可作为通用的 I/O 端口使用。当 CPU 访问片外存储器时，P0 口分时先作低 8 位地址总线，后作双向数据总线。当 P0 口被地址/数据总线占用时，就不能再作 I/O 口使用了。P1.7P1.0：P1 口作通用 I/O 口使用,用于传送用户的输入/输出数据。P2.7P2.0：P2 口是一个 8 位准双向 I/O 端口，它既可作为通用 I/O 口使用，也可与 P1 口配和，作为外存储器的高 8 位地址总线，输出高 8 位地址，使 P2 和 P1口一起组

15、成一个 16 位片外存储器单元地址。P3.7P3.0：这组引脚除作为一般准双向 I/O 口外，每个引脚还具有第二功能。具体分配如表 3-1 所示。表 3-1 P3 口各位的第二功能 P3 口的位 第二功能 注释 P3.0 P3.1 RXD TXD 串行数据接收口 串行数据发送口 -5-P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 INT0 INT1 T0 T1 WR RD 外中断 0 输入 外中断 1 输入 计数器 0 计数输入 计数器 1 计数输入 外部 RAM 写选通信号(输出)外部 RAM 读选通信号(输出)控制引脚 ALE/PROG：地址所存允许信号/编程脉冲输入端；EA

16、/VPP：允许访问片外存储器/编程电源输入端；PSEN：片外程序存储器允许输出信号端；RST/VPD：复位信号输入端/备用电源输入端；时钟引脚（2 条）XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是反相放大器的输入端，而这个放大器构成片内振荡器。当采用外部时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，接上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。电源引脚（2 条）VCC 为+5V 电源线，VSS 为接地线。（4）8031 最小应用系统 单片机 8031 是将 CPU、RAM 和 I/O 接口都集成在一块大规模集成电路芯片上的微型计

17、算机。就其组成而言，一块单片机芯片包括了计算机的全部基本部件，但它还不能构成最小应用系统。单片机的最小应用系统应包括：单片机、上电复位部分和晶振时钟源，如图 3.2 所示。单片机 8031 允许的振荡晶体可在 1.2MHz24 MHz 之间选择，一般取11.0592MHz。电容 C1、C2 的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2 可在 20pF100pF 之间选择，一般当单片机外接晶体时的典型取值为 30pF，为了提高温度稳定性，应采用 NPO 电容。-6-图 3.2 单片机的最小应用系统 单片机 8031 通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。在该系统中

18、采用按钮复位，如图 3.3 所示。各器件的典型取值为：C3=1F；R1=1k；R2=51k。复位时，只需将按钮按下，使 RET 引脚保持高电平为两个机器周期以上，就能使单片机复位。3.1.2 总线 总线是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信号的渠道。计算机系统中，各种功能模块通过总线有机的连接起来，通过总线实现相互间的信息传送和通信。总线通常分为片总线、内总线和外总线。片总线为元件级总线，是组成一个小系统或 CPU 插件各芯片间的连接总线。片总线包括地址总线、数据总线和控制总线，即所谓的三总线结构。如图 3.3 所示，为 8031 的三总线分配图 -7-图 3.3 8031 芯片的三总线分配

19、 内总线又称系统总线，为板极总线，用于 CNC 装置中各插件板之间的连接和通信。如 S-100 总线、PC 总线、Multi 总线、STD、IBM-AT 标准总线等。外总线又称通信总线，它用于系统与系统之间的通信。这类总线有 RS-232C、RS-422、IEEE-488 等。实际应用和理论分析证明，STD 总线是一种比较好的工业总线，在国际上获得广泛应用，也是国内优选重点发展的工业标准总线。STD 总线的 CPU 摸板几乎可以包容 8 位的单片机 8031，并且可以与各种通用的存储器和 I/O 口模块匹配。3.2 单片机存储器的扩展电路 存储器在简易数控装置中是用来存放程序、数据和参数。在

20、CNC 装置中一般有三种用途的内存储器和一些外存储器（视需要配置）。内存储器即为：系统软件存储器、工作参数寄存器、工件加工程序存储器。内存储器位于主机内部，可与 CPU 直接联系，存取速度高，但存储容量有限。而外部存储器大多放在主机外面，一般只与内存储器进行交换信息，存取速率低，但存取容量大。由于系统设计所用的 8031 单片机内部存储器只有 128B 的随机存储器 RAM，且片内无只读存储器 EPROM。所以，设计中必须要对外部存储器进行扩展。-8-3.2.1 单片机外部存储器的扩展芯片（1）程序存储器的扩展（EPROM）芯片 由于在经济型数控装置中其程序的存储不是很多，所以在设计中，对于

21、EPROM芯片的选择，系统选用 Intel 公司的典型系列芯片 2764（8K8），下面对 8KB 的 2764芯片做简要说明。2764 芯片的引脚 2764 芯片的引脚排列如图 3.4 所示。图 3.4 2764 芯片的引脚排列 2764 芯片的引脚简介 A0A12：地址线 D0D7：数据输出线 CE：地址线 OE：数据输出选通线 PGM：编程脉冲输入 VPP：编程电源 Vcc：电源引脚 2764 芯片的五种工作方式的选择见表 3-2 表 3-2 2764 工作方式的选择 -9-（1）数据存储器的扩展（SPRAM）芯片 一般 CNC 装置都选取静态、随机存储器 SRAM 用做单片机外部数据存

22、储器的扩展。设计中系统选取常用的 8 位数据线的 6264 做为扩展芯片。下面对 8KB 的 6264芯片做简要说明。6264 芯片的引脚 62664 芯片的引脚排列如图 3.5 所示。图 3.5 62664 芯片的引脚排 6264 芯片的引脚简介 A0A12：地址输入线 D0D7：双向三态数据线，用于传送 CPU 对芯片的写数据和芯片输出给 -10-CPU 的读数据 CE：片选信号输入线，低电平有效。该芯片的 26 脚（CS）为高电平，且CE为低电平时才选中该片 OE：读选通信号输入线，低电平有效 WE：写允许信号输入线，低电平有效 6264 的四种工作方式如图表 3-3 所示。表 3-3

23、6264 工作方式的选择 另外，在 8031 单片机中的 16 位地址，分为高 8 位（A15A8）和低 8 位（A7A0）。高 8 位由 P2 口输出，低 8 位由 P0 口输出，如图 4-3 8031 芯片的引脚分配所示。而 P0 口同时又是数据输入/输出口，故在传送时采用分时方式，先输出低 8 位地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行读/写操作时，16 位地址必须保持不变，这就需要选用适当的寄存器存放低 8 位地址，以保证 P0 口线作数据总线使用时所选外部存储器单元的 16 位地址不丢失，这个外部的寄存器就称为外部地址锁存器。该系统采用带三态缓冲器的 8-D 锁存器 74LS3

24、73 作为外部地址锁存器。3.2.2 单片机外部存储器的扩展 单片机与外部的连接均采用前面所提到的三总线连接如图 3.6 所示 -11-图 3.6 单片机外部存储器扩展电路图（1）三总线连接 对与单片 8031 的总线分配，前面图 3.3 中已经作了说明。-12-数据线的连接：存储器芯片的数据线一般连接到 8031 的 P0 端口。P0 口为8031 单片机的地址总线和数据总线的复用端口。地址线的连接：外部存储器的地址信号来自单片机的 P0 口和 P2 口。存储器的低 8 位地址由 P0 口分时送出。P0 口首先输出的低 8 位地址由 ALE 选通地址锁存器锁存起来，这样。使 P0 口能再次送

25、出数据信号。存储器所需要连接的地址线数目由存储器芯片容量决定。当存储器没有用足 16 根地址线时，余下的 P2 口线可作为片选控制线使用。在图 3.8 中，6264 和 2764 接入 13 根地址线（P0.0P0.7、P2.0P2.4），使用 P2.5 作为片选控制线等。控制信号线的连接：存储器的控制信号线基本上分为两类：芯片选通控制和读写控制接到 8031 相应的控制信号输出线上。SRAM 的读写读写控制信号（WE、OE）应分别与 8031 的 P3.6（WR）和 P3.7（RD）相连，EPROM 的读写控制OE应与 8031 的读选通PSEN相连；对于实现片选的方式有线选和译码选通两种方

26、式，系统采用线选的方式。（2）数据存储器和程序存储器地址的确定 数据存储器（SRAM）地址的确定 由图 3.8可知，系统是将 8031 的 P2.5 口作为片选接口。6264的片选端CS接 8031的 P2.5，当 P2.5 输出为 1 时，选通 6264，所以有数据存储器的地址范围为：2000HFFFFH 程序存储器（EPROM）地址的确定 由图 3.8 可知，2764 的片选端CE同样接 8031 的 P2.5，P2.5 输出为 0 时，才能选 2764 所以，它的地址为 0000HDFFFH 3.3 主轴电机的驱动电路 这一部分主要是为主轴电机的正反转以及实现其速度的可调而设计的。在本系

27、统中，为了使电机的控制更加灵活和方便，我们采用了具有多种功能和优越性的TD2000 系列变频器 TD2000-4T0055G/0075P，来实现对电机的各种运行状态进行控制，同时在本系统中，我们打破了以往用手动控制来调节电机速度的常规，加入了12 位的 D/A 转换器 DAC1208，用它的输出对变频器进行控制以达到调速的目的，使整个系统的操作更加方便和智能化。实现了数字控制的目的。下面就具体实现过程作以介绍。-13-3.3.1 D/A 转换电路的选择 对于 D/A 转换的设计，为了提高分辨率，系统选用了 12 位的 D/A 转换器DAC1208。（1）DAC1208 的引脚排列 DAC120

28、8 的引脚排列如图 3.7 所示。图 3.7 DAC1208 的引脚排列（2）DAC1208 的引脚功能 DI0DI11：数据输入线，其中 DI11 为最高位。VREF：基准电源输入端（10V10V）。Rfb：内部反馈电阻引出端。IOUT1、IOUT2：电流输出端。BYTE1/BYTE2：字节顺序控制信号。该信号为高电平时，开启 8 位和 4 位两个锁存器，将 12 位数据全打入锁存器；当该信号为低电平时，则开启 4 为输入锁存器。CS：片选信号，高电平有效。1WR：输入写选通信号，低电平有效。当1WR为低电平时，将输入数据传送到输入锁存器；当1WR为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存；CS=

29、1，且1WR同时为低电平时，才能将待转换的数据传送到输入寄存器。2WR：DAC 寄存器写选通信号，低电平有效。XFER和2WR共同构成 DAC寄存器的控制信号。在XFER=0 时，2WR的低电平将输入寄存器中的数据写入 DAC寄存器，以进行 D/A 转换。-14-XFER：传送控制信号，低电平有效。与2WR联合使用，构成第二级锁存控制。（3）DAC1208 与 8031 单片机接口如图 3.8 所示。图 3.8 DAC1208 与 8031 单片机接口 由图 3.10 可知 8 位数据总线 D7D0 可接 8031 的 P0 口，A0 是 P0 口输出的低8 位地址经锁存后的地址最低位。假定译

30、码器对 A15A3 译码，则 DAC1208 对应三个地址：在 S2 有效和 A0=1 时，写数据高 8 位。在 S2 有效和 A0=0 时写数据低 4位数据；在 S1 有效时，12 位数据同时送到 12 位 DAC 寄存器并锁存。DAC1208 数据线的低 4 位 DI3DI0 接在 DI11DI8 上。系统设计中没有采用译码器，对 A15A3 进行译码，而是直接通过 8031 剩余的 I/O 口对 S2 和 S1 进行控制。3.3.2 主轴电机变频调速系统的设计 为了实现主轴电机的正反转以及速度的可调。系统对主轴电机的驱动电路也做了精心的设计。为了使电机的控制更加灵活和方便，系统采用了具有

31、多种功能和优越性的 TD2000 系列变频器 TD2000-4T0055G/0075P，来实现对电机的各种运行状态进行控制，（1）变频器的概述 -15-变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。工作时，变频器把工频电源(50Hz 或 60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电，来实现对电机的控制。（2）TD2000-4T0055G/0075P型变频器基本配线图 在本系统中，

32、因为主轴电机的功率一般在 5KW10KW 之间，所以在设计时选用了 TD2000-4T005G/0075P 型变频器作为对主轴电机的控制，具体引脚如图 3.11所示。在图 3.9 中，可以看出变频器的各种引脚的配线图，包括一些多功能引脚、控制引脚和一些保护输出引脚等。另外，在变频器的配线过程中，我们还应该注意以下几点：可以用电压（0（2）10V）或电流（0（4）20mA）作为频率设定信号输入。但必须采用屏蔽电缆；控制端子 CCI 既可输入电压信号，又可输入电流信号，必须根据输入信号的类型，在主控板上 I/V 选择插座 CN10 做相应的跳线选择；若采用电流输入方式，则 CN10 应选择 I 侧

33、，若采用电压输入方式，则 CN10 应选择 V 侧；-16-图 3.9 变频器基本配线图 用控制端子运行时，一般要求通过 FWD 或 REV 与 COM 来控制。特别是在频率起停的应用场合。如果采用变频器输入前端的接触器进行变频器的频繁起停或正反转控制，将会影响变频器的寿命。-17-内含制动组件，如制动容量不够，可在 PB，P 之间外配电阻或在 P、N 间外接制动组件；辅助电源引自正负母线 P 和 N。应用范围：风机、水泵、传送设备、提升设备和其他设备配套。（3）D2000-4T0055G/0075P 型变频器的主要性能 容许电网波动范围：额定电压20%输出频率范围：0-400Hz 频率精度：

34、0.01%最高频率 显示方式：四位 LED 显示，LCD(中/英)+LED 可选 核心硬件：IPM+DSP+MCUPWM 控制方式：电压矢量控制 防护等级：IP20 安装方式：5.5KW-90KW 壁挂、110KW-220KW 装机装柜 走线方式：5.5-90KW 下进下出、110-220KW 上进下出（5）D2000-4T0055G/0075P 型变频器的主要功能和特点 内置 PID 调节器，自带 24V 电源；载波频率 110K 连续可调；简易 PLC；直接速度 PG 反馈接口；模拟和数字频率表输出；运转频率的 420mA 输出端口；采用最新的智能功率模块（IPM）和集成功率模块（PIM）

35、，极大提高整机可靠性；优化的空间电压矢量控制技术，输出谐波少，电压输出能力强；最先进的硬件组合：DSP+CPLD+MCU，高效完成电机实时控制算法；死区补偿技术，采用实时死区补偿技术，消除由于上下掺臂开关死区引起的转源泳动；标准的 RS232/485 接口，配以规范的通信协议，实现多台变频器网络控制；无源功率因数校正（PFC）的技术，满足输入功率因数 92%的要求，并能抑制变频器对电网的干扰；宽电压工作范围，能在 304V456V 范围正常工作；（6）D2000-4T005G/0075P 型变频器主回路输入输出端子各功能见表 3-4 所示。表 3-4 主回路输入输出端子功能描述 -18-端子名

36、称 功能说明 R、S、T 三相交流 380V 输入端子 P、PB 外接制动电阻预留端子 N 直流负母线输出端子 U、V、W 三相交流输出端子 G 接地端子（7）变频器的各控制端子功能介绍 控制端子排序图：见图 3.10 图 3.10 变频器基本配线图 开路集电极输出说明：见表 3-5 所示。表 3-5 开路集电极输出 内容 对应功能 内容 对应功能 0 变频器运行中信号（RUN）6 频率上限限制（FHL）1 频率到达信号 7 频率下限限制（FLL）2 频率水平检测信号（FAR）8 变频器零速运行中 3 过载早期预报警信号（OL）9 简易 PLC 阶段运行完成指标 4 欠压封锁停止中（LU）10

37、 设定计数值到达 -19-5 外部故障停机（EXT）11 指定计数值到达 端子功能说明：如表 3-6 所示。表 3-6 多功能输入选择功能表 端子记号 端子功能说明 规格 X1-COM 多功能输入选择 1 X1至X8为多功能输入选择，可依次由功能码 119126 选择所需功能，各功能码的内容对应的能够见多功能输入选择功能表 X2-COM 多功能输入选择 2 X3-COM 多功能输入选择 3 X4-COM 多功能输入选择 4 X5-COM 多功能输入选择 5 X6-COM 多功能输入选择 6 X7-COM 多功能输入选择 7或测速输入 SM1 X8-COM 多功能输入选择 8或测速输入 SM2

38、FWD-COM 运行控制（正转/停止）REV-COM 运行控制（反转/停止）Y1-COM 开路集电极输出 1 Y1，Y2 对应的功能码为128，129，功能见开路集电极输出功能表 Y2-COM 开路集电极输出 2 P24-COM 24V 电源 最大输出电流 100mA VRF-GND 外接频率设定用电源+10VDC -20-VCI-GND 模拟电压频率设定输入 输入范围 0+10V CCI-GND 模拟电压频率设定输入 模拟电流频率设定输入 输入范围 0（2）+10V 输入范围 0（2）+10V FM-GND 输出频率显示 0+10V AM-GND 输出电流显示 0+10V TA，TB，TC

39、变频器正常：TA-TB闭合，TA-TC 断开 变频器故障：TA-TC闭合，TA-TB 断开 接点额定值250Vac-2A,30Vdc-1A 3.3.3 主轴电机控制电路 主轴电机控制电路如图 3.11 所示。-21-图3.11 主轴电机控制电路 -22-由上图可以看出，我们在 TA，和 TB 两端加了显示报警装置。来检测变频器的正常工作状态。当 TA 与 TB 闭合时，TA 与 TC 断开，发光二极管发光，变频器正常工作；当 TA 与 TC 闭合时，TA 与 TB 断开，发光二极管不发光，蜂鸣器开始发声报警，变频器发生故障。所以我们得知报警电路的设计，可以检测变频器的正常运行。使得整个系统更加

40、可靠安全。3.4 半闭环进给系统的设计 前面已经提到为了提高系统的精度，系统采用了半闭环的设计思想，这里半闭环进给系统的实现，系统是通过位置控制单元和位置检测单元两部分来实现的。3.4.1 位置控制单元的设计 对于数控装置的位置控制。系统是通过控制步进电机来实现的。通过键盘输入给定的 X 轴 Y 轴的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，到达步进电机的绕组，对步进电机实施控制。所以系统设计了步进电机的驱动电路。（1）步进电机驱动电路的设计 步进电机的驱动电路有多种。这里，系统采用了一种具有检测反馈控制环节的步进电机高低压驱动电路。下面将做具体介绍。

41、步进电动机驱动电路的比较 高低压驱动电路又称双电压驱动电路，可以分为定时控制驱动与脉冲变压器式驱动.脉冲变压器式驱动电路结构简单，但是因为使用脉冲变压器使制造工艺复杂，成本高且不易模块化，目前用的很少；因此设计了具有检测反馈控制环节的高低压驱动电路，利用反馈控制高压管的导通时间，适应不同的运转频率，提高驱动能力。步进电动机驱动电路原理与参数计算 步进电动机驱动电路原理 具有反馈控制的高低压驱动电路原理如图 3.12 所示。-23-图 3.12 具有反馈控制的高低压驱动电路 由电路可以看出，该电路是在通常的高低压驱动电路中加设了电流检测电阻 Rd和反馈控制环节以及驱动逻辑电路.电路的工作过程：当

42、控制脉冲前沿来到时异或门和或门的输出都为“1”，则高压控制管 T1 与低压控制管 T2 同时导通，主回路电流i 按负指数规律上升：)e(1I)e(1rRRUit/0t/dCh （式3-1）式中 Uh高电压；Rc，Rd，r分别为限流电阻，电流检测电阻和绕组直流电阻；I0主回路初始电流；I0=Uh/（Rc+Rd+r）主回路电气时间常数（mS），=L/（Rc+Rd+r）L步进电机一相绕组的电感量（mH）.当电流上升到电机额定电流的 120%时，电流检测电阻 Rd 上的电压 UC 大于参考电压 Uref，检测环节输出一个正脉冲使高压控制管关断；此时由低压电源 UL 经 D2向绕组供电，使维持电流为电机

43、额定电流的 90100%.因低压电源提供的维持电流小于高压电源提供的上升电流；Rd 上的电压 Uc 小于参考电压 Uref，检测环节不再输出正脉冲，即在一个控制脉冲周期内 T1 只导通/截止一次，大大的减小了 T1 在切换过程中的功耗，使温度下降.而 T2 在整个控制脉冲的周期内一直处于深度饱和，本身的压降很小（一般小于 2 伏）故发热量很小.控制脉冲及检测脉冲与电流波形的关 -24-系见图 3.13。图 3.13 控制脉冲及检测脉冲与电流波形 步进电动机驱动电路参数的计算 Uh 的确定.由式（1）可得：当控制脉冲前沿来到，即 t=0 时，电流上升率为：图 1 具有反馈控制的高低压驱动电路 L

44、dtddtdiUeIKt/0 （式 3-2）即 Uh 高，电流上升率大，步进电机高频运行时动态性能好.但相应的管子耐压也增大，成本会有所增加，特别对于定时控制驱动电路则应严格控制 Uh 避免出现电流过载.一般取 Uh=120200V，运行频率大于 600010000HZ时取 Uh=300V.UL 的选取应使 UL 满足 r)(RRIUdc1L （式 3-3）式中 I1步进电机绕组的额定电流，一般 UL 为 912V.电压低，限流电阻小，发热量小.检测采样电阻 Rd 一般取 0.30.5，阻值大 Uc 化敏感但发热量大.限流电阻Rc 满足时间常数=L/（Rc+Rd+r）的要求及式（3）的关系.例

45、如：某 110mm 反应式步进电机，绕组电阻 r=0.37;电感 L=8mH;额定电流 I1=6A.取低压 UL=12V;限流电阻Rc=1.5检测电阻Rd=0.3,电气时间常数=3.6mS.取高压Uh=120V时，电 流上升到 7A 需 0.45 mS;Uh=300V 电流上升到 7A 仅需 86S.由此可见，如采用定时控制高低 压驱动电路，将高压管的控制脉冲宽度按有关资料推荐调整到 t=，则步 -25-进电机的绕组电流将接近 40A，这是不容忽视的！高低压反馈控制驱动电路的优点 综上所述我们可以得出:高低压反馈控制驱动电路克服了高低压定时控制驱动电路的低频过载、高频出力不足使步进电机产生失步

46、的现象，可以实现步进电机理想的矩频特性，并且可以根据不同的最高运行频率调整电源电压 Uh；高低压反馈控制驱动电路消除了恒流斩波电路因斩波过程产生的高频电磁噪音和斩波管过热现象；每个控制脉冲产生的上升电流大，加速性能好；因电路中高压控制管截止时步进电机绕组产生的反电势使电流波形上部产生下陷，平均电流下降，下降幅度达 20%使步进电机的保持力矩有所下降.3.4.2 位置检测单元的设计 系统采用光电码盘作为位置检测装置,直接发出位移记数脉冲,可以省去像旋转变压器位置检测装置所需的模拟量到数字量的的变换电路,而且还可以省去作为速度反馈的测速发电机,这样即简化了电路,又降低了成本.(1)光电转换整形电路

47、的设计 在检测电机转速时，可采用如下图 3.14 所示光电转换整形电路，将开有小孔的转盘安装在电机的主轴上孔的位置对准红外发光管和红外接受接收管。当电机转动时，转孔经光电管之间在接收管 T 的集电极产生如图 P1 所示波形经施密特触发器整形后转换成脉冲方波 P2 脉冲在一时间内进行记数，即可实现测速。图 3.14 光电转换整形电路+51k 680k 6801 3DUT 2FG-P1 P2 -26-对于P1P2的波形整定我们是靠由555组成的施密特触发器来实现的，其工作原理:如图 3.15 所示。图 3.15 555 组成的施密特触发器的工作原理（2）转速检测电路 为了在高速和低速时都能得到较高

48、的精度我们采用 M/T 法测速电路，上述光电码盘输出的信号处理后，用 3#8253 的 T2 对其进行记数得到 M1 同时用的 T1 对频率为 FOSC 的高频脉冲进行记数，得到记数 M2 测速电路如图 3.16 所示 图 3.16 转速检测电路 综上所述，半闭环进给系统的设计，是通过键盘输入给定的 X 轴 Y 轴的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，对步进电机实施控制。再通过速度检测元件光电码盘，将步进电机的速度转变为脉冲量的变化，再通过整形放大送给单片机进行记数。通过单片机内部比较，-27-PC3 PC4 TIMERIN RESET PC5

49、TIMEROUT IO/M CE RD WR ALE AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 GND VCC PC2 PC1 PC0 PB7 PB6 PB5 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 8155 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 进行调整，再输出脉冲控制步进电机，形成一个闭环控制电路。3.5 键盘显示电路的设计 键盘和显示器接口电路常

50、使用 8155 接口芯片，所以下面先介绍 8155 接口芯片，然后再介绍接口电路。3.5.1 8155 接口芯片简介 8155 为 40 引脚双列直插式封装芯片，其引脚见图 3.17 所示。3.17 8155 接口芯片引脚 8155 芯片内含 256 个字节的静态 RAM，两个 8 位并行口 PA 和 PB，一个 6 位并行口 PC，工作方式可由程序设置。另外还有一个 14 位的计数器，可以对输入脉冲进行减法记数。引脚 TIMIN 位定时计数器时钟输入端，由外部输入时钟脉冲；TIMOUT 为定时器输出端。定时器启动时后，能对输入端的脉冲进行记数，当减法计数器减至零时，在 TIMOUT 端输出一