机电控制及可编程序控制器关键技术专业课程设计.doc

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和可编程控制器课程设计说明题目： 基于单片机控制简易数控装置专业层次： 级 别： 学 号： 姓 名： 分校（工作站）： 指导老师： 年 月 日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关键内容2课程设计进度安排.1.10-.2.5 安排毕业设计任务，了解电大设计要求和要求.2.6-.1.25 初步确定总体方案和总体思绪，检验第一稿.2.26-.3.9 深入完善总体方案，对相关内容进行初步计算.3.10- .3.31 具体细节计划设计和计算，检验第二稿.4.1-.4.24 在第三稿基础上继续进行设计和计算，检验第三稿.4.25-.5.5 检验全部论文资料，检验最终稿指导老师签字试点分校、教学班意见： 教学班责任人签字、试点分校盖章_ 年 月 日 汉字摘要摘要：伴随科学技术发展，因为一般机床效率差、性能落后，世界各工业发达国家经过发展数控技术、建立数控机床产业，促进机械加工业跨入一个新“现代化”历史发展阶段，从而给国民经济结构带来了巨大改变。现在单片机数控装置，大多采取MCS-51系列单片机。本系统是一个经典经济型数控装置。系统采取8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器件,光电传感器组成半闭环数控系统，实现数控机床位置控制。使用变频调速系统控制主轴电机运行。本系统含有巡检速度快、正确、方便、可靠性能高、抗干扰能力强等很多优点，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/显示目 录第1章 绪论- 1 -1.1 设计背景- 1 -1.2 工作要求- 1 -1.3 设计目标及意义- 1 -第2章 系统总体方案确实定- 2 -2.1 关键技术要求- 2 -2.2 系统方案- 2 -2.2.1 任务分析- 2 -2.2.2 系统总体框图- 2 -第3章 系统硬件电路设计- 4 -3.1 CPU（单片机）和总线部分选择- 4 -3.1.1 CPU（单片机）概述- 4 -3.1.2 总线- 7 -3.2 单片机存放器扩展电路- 8 -3.2.1 单片机外部存放器扩展芯片- 9 -3.2.2 单片机外部存放器扩展- 11 -3.3 主轴电机驱动电路- 13 -3.3.1 D/A转换电路选择- 14 -3.3.2 主轴电机变频调速系统设计- 15 -3.3.3 主轴电机控制电路- 21 -3.4 半闭环进给系统设计- 23 -3.4.1 位置控制单元设计- 23 -3.5 键盘显示电路设计- 28 -3.5.1 8155接口芯片介绍- 28 -3.5.2 8155和8031接口。- 29 -3.5.3 键盘/显示接口电路设计- 30 -3.6 电源模块设计- 32 -3.6.1 +12V、-12V、+5V 电源设计- 32 -3.6.2 +80V电源设计- 33 -3.7 系统改善- 34 -第4章 系统软件设计- 35 -4.1 主程序步骤图- 35 -4.2键盘子程序步骤图- 36 -4.3 显示子程序步骤图- 36 -4.4 中止子程序步骤图- 38 -4.5 PID控制算法子程序- 38 -4.6 转速检测子程序步骤图- 40 -小结- 41 -致 谢- 42 -第1章 绪论1.1 设计背景数控技术和数控装备是制造工业现代化关键基础。这个基础是否牢靠直接影响到一个国家经济发展和综合国力，关系到一个国家战略地位。所以，世界上各工业发达国家均采取重大方法来发展自己数控技术及其产业。中国是一个机床大国，数控技术和产业经过40多年发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立自主版权，取得了相当大进步。有四百多万台一般机床。到现在为止，已经有很多厂家生产经济型数控系统。经济型数控车床特点是价格低廉、编程简单、操作方便，含有数控机床基础功效。经济型数控系统关键用于旧机床改造和机械设备升级换代。1.2 工作要求采取8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器件等设计简易数控装置，以驱动步进电动机组成半闭环数控系统，实现数控机床位置控制。（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）软件步骤设计；1.3 设计目标及意义数控技术综合利用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计和制造等技术最新结果，含有动作次序程序自动控制，位移和相对位置坐标自动控制，速度、转速及多种辅助功效自动控制等功效。由单片机控制、步进电动机驱动经济型半闭环数控装置，含有结构简单、控制轻易、成本低、维修方便，能快速加减速和全数字化等优点，所以，可广泛用于速度和精度要求不高经济型数控机床和旧设备改造中。第2章 系统总体方案确实定2.1 关键技术要求（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 工工作方法：3相单3拍（2）分辨率10 um（3）进给速度10m/min2.2 系统方案2.2.1 任务分析系统要求是由单片机控制、步进电动机驱动经济型开环数控装置，为了使系统得到更高精度，我们给系统加了一个位置检测装置，其关键作用是为了检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制实施部件，使其向着消除偏差方向运动，直至偏差等于零为止。只要提升检测元件和检测系统精度，数控装置加工精度将会大大提升。 该系统是基于单片机应用系统，而单片机应用系统是以单片机为关键，配以一定外围电路和软件，能实现某种或多个功效应用系统。它通常由硬件和软件组成。硬件是系统基础，软件则是在硬件基础上对其合理调配和使用，从而完成应用系统所要完成任务。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）、存放器扩展电路、主轴电机驱动电路，半闭环进给系统控制、键盘显示电路，和电路供电电源等六部分组成。其总体框图图2.1所表示。图2.1 系统总体框图由上图能够看出，系统是经过键盘输入给定X轴Y轴坐标，经过单片机内部处理，使单片机输出脉冲经过光电隔离开关送入步进电机驱动电路，抵达步进电机绕组，然后再经过速度检测元件，将步进电机速度转变为脉冲量改变，再经过整形放大送给单片机进行记数。经过单片机内部比较，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转换器输出电压信号进行调理以后作为变频器控制信号，当D/A转换器输出改变时，其对应变频器电压控制信号也跟着改变，从而使变频器输出频率改变，达成变频调速目标,使系统实现设计要求。速度检测器件采取光电码盘，因其输出为脉冲信号，能够经过计数器直接进入单片机，这么就省去了不少中间步骤，大大降低了成本。输出数字信号送入单片机记数口进行记数，然后经过软件编程实现对步进电机位置显示和控制。第3章 系统硬件电路设计对于系统单元电路设计，系统关键采取模块化设计思想，因为模块化设计思想有利于系统维修控制。对于此次所设计系统，可将其分成六部分。CPU（单片机）和总线、存放器扩展电路、主轴电机驱动电路、半闭环进给系统控制电路、键盘显示电路，和电路供电电源等六部分组成。3.1 CPU（单片机）和总线部分选择 3.1.1 CPU（单片机）概述CPU是CNC装置关键，含有实施计算和控制能力。CPU关键由控制单元、算术逻辑单元和部分暂寄存器组成。CPU在CNC装置工作时，其控制单元从存放器中依取去处组成程序指令，进行译码后，向CNC装置各部分按次序发出实施操作控制信号，同时接收实施部件发出反馈信号，和程序中指令信号比较后，决定下一步应实施操作。在运算过程中，算术逻辑单元不停从存放器中提取数据，并将运算结果送回存放器中保留。经过对运算结果分析判定，设置状态寄存器对应状态。CPU和存放器，输入/输出接口等经过总线有机结合在一起组成CNC装置。在系统设计中我们选择是Intel企业生产MCS-51系列高级8位8031单片机。它含有很高性能，很多功效全部超出了8080CPU和Z80CPU，成为现代工业测控类应用系统优选单片机。下面对8031做以叙述。 （1）8031内部资源介绍一个完整计算机应该是由运算器、控制器、存放器和I/O接口组成。通常由微处理器只包含云酸器可控制器两部分。和通常微处理器相比较，8031增加了四个8位I/O口、一个串行口、128B RAM、很多工作寄存器及特殊功效寄存器（SFR）。各部分组成。其中，2个16位定时记数器，5个中止源中止控制系统、一个全双工串行I/O接口、和片内时钟振荡器，以上各部分均经过片内数据总线连接。（2）8031芯片引脚 8031芯片引脚图3.1所表示图3.1 8031芯片引脚（3） 单片机8031引脚功效 四个并行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I/O端口使用。当CPU访问片外存放器时，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，也可和P1口配和，作为外存放器高8位地址总线，输出高8位地址，使P2和P1口一起组成一个16位片外存放器单元地址。P3.7P3.0：这组引脚除作为通常准双向I/O口外，每个引脚还含有第二功效。具体分配如表3-1所表示。表3-1 P3口各位第二功效P3口位第二功效注释P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDT0T1串行数据接收口串行数据发送口外中止0输入外中止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/：地址所存许可信号/编程脉冲输入端；/VPP：许可访问片外存放器/编程电源输入端；：片外程序存放器许可输出信号端； RST/VPD：复位信号输入端/备用电源输入端； 时钟引脚（2条）XTAL1：接外部晶体一个引脚。在单片机内部，它是反相放大器输入端，而这个放大器组成片内振荡器。当采取外部时钟时，该引脚必需接地。XTAL2：接外部晶体另一个引脚。在单片机内部，接上述振荡器反相放大器输出端。当采取外部时钟时，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接口全部集成在一块大规模集成电路芯片上微型计算机。就其组成而言，一块单片机芯片包含了计算机全部基础部件，但它还不能组成最小应用系统。单片机最小应用系统应包含：单片机、上电复位部分和晶振时钟源，图3.2所表示。单片机8031许可振荡晶体可在1.2MHz24 MHz之间选择，通常取11.0592MHz。电容C1、C2取值对振荡频率输出稳定性、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，通常当单片机外接晶体时经典取值为30pF，为了提升温度稳定性，应采取NPO电容。 图3.2 单片机最小应用系统单片机8031通常采取上电自动复位和按钮复位两种方法。在该系统中采取按钮复位，图3.3所表示。各器件经典取值为：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输多种信号渠道。计算机系统中，多种功效模块经过总线有机连接起来，经过总线实现相互间信息传送和通信。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插件各芯片间连接总线。片总线包含地址总线、数据总线和控制总线，即所谓三总线结构。图3.3所表示，为8031三总线分配图图3.3 8031芯片三总线分配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，它用于系统和系统之间通信。这类总线有RS-232C、RS-422、IEEE-488等。实际应用和理论分析证实，STD总线是一个比很好工业总线，在国际上取得广泛应用，也是中国优选关键发展工业标准总线。STD总线CPU摸板几乎能够包容8位单片机8031，而且能够和多种通用存放器和I/O口模块匹配。3.2 单片机存放器扩展电路存放器在简易数控装置中是用来存放程序、数据和参数。在CNC装置中通常有三种用途内存放器和部分外存放器（视需要配置）。内存放器即为：系统软件存放器、工作参数寄存器、工件加工程序存放器。内存放器在主机内部，可和CPU直接联络，存取速度高，但存放容量有限。而外部存放器大多放在主机外面，通常只和内存放器进行交换信息，存取速率低，但存取容量大。因为系统设计所用8031单片机内部存放器只有128B随机存放器RAM，且片内无只读存放器EPROM。所以，设计中必需要对外部存放器进行扩展。3.2.1 单片机外部存放器扩展芯片（1） 程序存放器扩展（EPROM）芯片因为在经济型数控装置中其程序存放不是很多，所以在设计中，对于EPROM芯片选择，系统选择Intel企业经典系列芯片2764（8K8），下面对8KB2764芯片做简明说明。 2764芯片引脚2764芯片引脚排列图3.4所表示。图3.4 2764芯片引脚排列 2764芯片引脚介绍 A0A12：地址线 D0D7： 数据输出线： 地址线： 数据输出选通线： 编程脉冲输入VPP： 编程电源Vcc： 电源引脚2764芯片五种工作方法选择见表3-2表3-2 2764工作方法选择（1） 数据存放器扩展（SPRAM）芯片通常CNC装置全部选择静态、随机存放器SRAM用做单片机外部数据存放器扩展。设计中系统选择常见8位数据线6264做为扩展芯片。下面对8KB6264芯片做简明说明。 6264芯片引脚62664芯片引脚排列图3.5所表示。图3.5 62664芯片引脚排 6264芯片引脚介绍A0A12：地址输入线 D0D7：双向三态数据线，用于传送CPU对芯片写数据和芯片输出给CPU读数据：片选信号输入线，低电平有效。该芯片26脚（CS）为高电平，且为低电平时才选中该片：读选通信号输入线，低电平有效 ：写许可信号输入线，低电平有效 6264四种工作方法图表3-3所表示。 表3-3 6264工作方法选择另外，在8031单片机中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，图4-3 8031芯片引脚分配所表示。而P0口同时又是数据输入/输出口，故在传送时采取分时方法，先输出低8位地址，然后再传送数据。不过，在对外部存放器进行读/写操作时，16位地址必需保持不变，这就需要选择合适寄存器存放低8位地址，以确保P0口线作数据总线使用时所选外部存放器单元16位地址不丢失，这个外部寄存器就称为外部地址锁存器。该系统采取带三态缓冲器8-D锁存器74LS373作为外部地址锁存器。3.2.2 单片机外部存放器扩展单片机和外部连接均采取前面所提到三总线连接图3.6所表示图3.6 单片机外部存放器扩展电路图（1） 三总线连接对和单片8031总线分配，前面图3.3中已经作了说明。 数据线连接： 存放器芯片数据线通常连接到8031P0端口。P0口为8031单片机地址总线和数据总线复用端口。 地址线连接：外部存放器地址信号来自单片机P0口和P2口。存放器低8位地址由P0口分时送出。P0口首先输出低8位地址由ALE选通地址锁存器锁存起来，这么。使P0口能再次送出数据信号。存放器所需要连接地址线数目由存放器芯片容量决定。当存放器没有用足16根地址线时，余下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。 控制信号线连接：存放器控制信号线基础上分为两类：芯片选通控制和读写控制接到8031对应控制信号输出线上。SRAM读写读写控制信号（、）应分别和8031P3.6（）和P3.7（）相连，EPROM读写控制应和8031读选通相连；对于实现片选方法有线选和译码选通两种方法，系统采取线选方法。（2）数据存放器和程序存放器地址确实定数据存放器（SRAM）地址确实定由图3.8可知，系统是将8031P2.5口作为片选接口。6264片选端接8031P2.5，当P2.5输出为1时，选通 6264，所以有数据存放器地址范围为：HFFFFH程序存放器（EPROM）地址确实定由图3.8可知，2764片选端一样接8031P2.5，P2.5输出为0时，才能选2764所以，它地址为0000HDFFFH3.3 主轴电机驱动电路这一部分关键是为主轴电机正反转和实现其速度可调而设计。在本系统中，为了使电机控制愈加灵活和方便，我们采取了含有多个功效和优越性TD系列变频器TD-4T0055G/0075P，来实现对电机多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整电机速度常规，加入了12位D/A转换器DAC1208，用它输出对变频器进行控制以达成调速目标，使整个系统操作愈加方便和智能化。实现了数字控制目标。下面就具体实现过程作以介绍。3.3.1 D/A转换电路选择 对于D/A转换设计，为了提升分辨率，系统选择了12位D/A转换器DAC1208。（1）DAC1208引脚排列 DAC1208引脚排列图3.7所表示。图3.7 DAC1208引脚排列（2）DAC1208引脚功效 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。BYTE1/2：字节次序控制信号。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。：输入写选通信号，低电平有效。当为低电平时，将输入数据传送到输入锁存器；当为高电平时，输入锁存器中数据被锁存；CS =1，且同时为低电平时，才能将待转换数据传送到输入寄存器。：DAC寄存器写选通信号，低电平有效。和共同组成DAC寄存器控制信号。在=0时，低电平将输入寄存器中数据写入DAC寄存器，以进行D/A转换。：传送控制信号，低电平有效。和联合使用，组成第二级锁存控制。（3）DAC1208和8031单片机接口图3.8所表示。图3.8 DAC1208和8031单片机接口由图3.10可知8位数据总线D7D0可接8031P0口，A0是P0口输出低8位地址经锁存后地址最低位。假定译码器对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数据线低4位DI3DI0接在DI11DI8上。系统设计中没有采取译码器，对A15A3进行译码，而是直接经过8031剩下I/O口对S2和S1进行控制。3.3.2 主轴电机变频调速系统设计为了实现主轴电机正反转和速度可调。系统对主轴电机驱动电路也做了精心设计。为了使电机控制愈加灵活和方便，系统采取了含有多个功效和优越性TD系列变频器TD-4T0055G/0075P，来实现对电机多种运行状态进行控制，（1）变频器概述变频器关键由整流（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。工作时，变频器把工频电源(50Hz或60Hz)变换成多种频率交流电源，以实现电机变速运行设备，其中控制电路完成对主电路控制，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，来实现对电机控制。（2）TD-4T0055G/0075P型变频器基础配线图在本系统中，因为主轴电机功率通常在5KW10KW之间，所以在设计时选择了TD-4T005G/0075P型变频器作为对主轴电机控制，具体引脚图3.11所表示。在图3.9中，能够看出变频器多种引脚配线图，包含部分多功效引脚、控制引脚和部分保护输出引脚等。另外，在变频器配线过程中，我们还应该注意以下几点： 能够用电压（0（2）10V）或电流（0（4）20mA）作为频率设定信号输入。但必需采取屏蔽电缆；控制端子CCI既可输入电压信号，又可输入电流信号，必需依据输入信号类型，在主控板上I/V选择插座CN10做对应跳线选择；若采取电流输入方法，则CN10应选择I侧，若采取电压输入方法，则CN10应选择V侧； 图3.9 变频器基础配线图 用控制端子运行时，通常要求经过FWD或REV和COM来控制。尤其是在频率起停应用场所。假如采取变频器输入前端接触器进行变频器频繁起停或正反转控制，将会影响变频器寿命。 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、提升设备和其它设备配套。（3） D-4T0055G/0075P型变频器关键性能许可电网波动范围：额定电压20% 输出频率范围：0-400Hz频率精度：0.01%最高频率显示方法：四位LED显示，LCD(中/英)+LED可选关键硬件：IPM+DSP+MCUPWM控制方法：电压矢量控制防护等级：IP20安装方法：5.5KW-90KW壁挂、110KW-220KW装机装柜走线方法：5.5-90KW下进下出、110-220KW上进下出（5） D-4T0055G/0075P型变频器关键功效和特点内置PID调整器，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420mA输出端口； 采取最新智能功率模块（IPM）和集成功率模块（PIM），极大提升整机可靠性； 优化空间电压矢量控制技术，输出谐波少，电压输出能力强；最优异硬件组合：DSP+CPLD+MCU，高效完成电机实时控制算法；死区赔偿技术，采取实时死区赔偿技术，消除因为上下掺臂开关死区引发转源泳动；标准RS232/485接口，配以规范通信协议，实现多台变频器网络控制；无源功率因数校正（PFC）技术，满足输入功率因数92%要求，并能抑制变频器对电网干扰；宽电压工作范围，能在304V456V范围正常工作；（6） D-4T005G/0075P型变频器主回路输入输出端子各功效见表3-4所表示。表3-4 主回路输入输出端子功效描述端子名称功效说明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）变频器各控制端子功效介绍控制端子排序图：见图3.10 图3.10 变频器基础配线图 开路集电极输出说明：见表3-5所表示。表3-5 开路集电极输出内容对应功效内容对应功效0变频器运行中信号（RUN）6频率上限限制（FHL）1频率抵达信号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设定计数值抵达5外部故障停机（EXT）11指定计数值抵达端子功效说明：如表3-6所表示。表3-6 多功效输入选择功效表端子记号端子功效说明规格X1-COM多功效输入选择1X1至X8为多功效输入选择，可依次由功效码119126选择所需功效，各功效码内容对应能够见多功效输入选择功效表X2-COM多功效输入选择2X3-COM多功效输入选择3X4-COM多功效输入选择4X5-COM多功效输入选择5X6-COM多功效输入选择6X7-COM多功效输入选择7或测速输入SM1X8-COM多功效输入选择8或测速输入SM2FWD-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1Y1，Y2对应功效码为128，129，功效见开路集电极输出功效表Y2-COM开路集电极输出2P24-COM24V电源最大输出电流100mAVRF-GND外接频率设定用电源+10VDCVCI-GND模拟电压频率设定输入输入范围0+10VCCI-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）+10VFM-GND输出频率显示0+10VAM-GND输出电流显示0+10VTA，TB，TC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-1A3.3.3 主轴电机控制电路主轴电机控制电路图3.11所表示。图3.11 主轴电机控制电路由上图能够看出，我们在TA，和TB两端加了显示报警装置。来检测变频器正常工作状态。当TA和TB闭合时，TA和TC断开，发光二极管发光，变频器正常工作；当TA和TC闭合时，TA和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。所以我们得悉报警电路设计，能够检测变频器正常运行。使得整个系统愈加可靠安全。 3.4 半闭环进给系统设计前面已经提到为了提升系统精度，系统采取了半闭环设计思想，这里半闭环进给系统实现，系统是经过位置控制单元和位置检测单元两部分来实现。3.4.1 位置控制单元设计对于数控装置位置控制。系统是经过控制步进电机来实现。经过键盘输入给定X轴Y轴坐标，经过单片机内部处理，使单片机输出脉冲经过光电隔离开关送入步进电机驱动电路，抵达步进电机绕组，对步进电机实施控制。所以系统设计了步进电机驱动电路。（1）步进电机驱动电路设计步进电机驱动电路有多个。这里，系统采取了一个含有检测反馈控制步骤步进电机高低压驱动电路。下面将做具体介绍。 步进电动机驱动电路比较高低压驱动电路又称双电压驱动电路，能够分为定时控制驱动和脉冲变压器式驱动.脉冲变压器式驱动电路结构简单，不过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，现在用极少；所以设计了含有检测反馈控制步骤高低压驱动电路，利用反馈控制高压管导通时间，适应不一样运转频率，提升驱动能力。 步进电动机驱动电路原理和参数计算 步进电动机驱动电路原理含有反馈控制高低压驱动电路原理图3.12所表示。图3.12 含有反馈控制高低压驱动电路由电路能够看出，该电路是在通常高低压驱动电路中加设了电流检测电阻Rd和反馈控制步骤和驱动逻辑电路.电路工作过程：当控制脉冲前沿来到时异或门和或门输出全部为“1”，则高压控制管T1和低压控制管T2同时导通，主回路电流i按负指数规律上升： （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步进电机一相绕组电感量（mH）.当电流上升到电机额定电流120%时，电流检测电阻Rd上电压UC大于参考电压Uref，检测步骤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，使维持电流为电机额定电流90100%.因低压电源提供维持电流小于高压电源提供上升电流；Rd上电压Uc小于参考电压Uref，检测步骤不再输出正脉冲，即在一个控制脉冲周期内T1只导通/截止一次，大大减小了T1在切换过程中功耗，使温度下降.而T2在整个控制脉冲周期内一直处于深度饱和，本身压降很小（通常小于2伏）故发烧量很小.控制脉冲及检测脉冲和电流波形关系见图3.13 。图3.13 控制脉冲及检测脉冲和电流波形 步进电动机驱动电路参数计算 Uh确实定. 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含有反馈控制高低压驱动电路 （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.但对应管子耐压也增大，成本会有所增加，尤其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.通常取Uh=120200V，运行频率大于600010000HZ时取Uh=300V. UL选择应使UL满足 （式3-3 ）式中I1步进电机绕组额定电流，通常UL为912V.电压低，限流电阻小，发烧量小. 检测采样电阻Rd通常取0.30.5，阻值大Uc化敏感但发烧量大.限流电阻Rc满足时间常数=L/（Rc+Rd+r）要求及式（3）关系. 比如：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，如采取定时控制高低 压驱动电路，将高压管控制脉冲宽度按相关资料推荐调整到t=，则步进电机绕组电流将靠近40A，这是不容忽略！ 高低压反馈控制驱动电路优点总而言之我们能够得出: 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低频过载、高频出力不足使步进电机产生失步现象，能够实现步进电机理想矩频特征，而且能够依据不一样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高频电磁噪音和斩波管过热现象；每个控制脉冲产生上升电流大，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%使步进电机保持力矩有所下降. 3.4.2 位置检测单元设计系统采取光电码盘作为位置检测装置,直接发出位移记数脉冲,能够省去像旋转变压器位置检测装置所需模拟量到数字量变换电路,而且还能够省去作为速度反馈测速发电机,这么即简化了电路,又降低了成本.(1)光电转换整形电路设计在检测电机转速时，可采取以下图 3.14所表示光电转换整形电路，将开有小孔转盘安装在电机主轴上孔位置对准红外发光管和红外接收接收管。当电机转动时，转孔经光电管之间在接收管T集电极产生图P1所表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。+5V1k680k680k13DU31T2FG-5SCDP1P2图 3.14 光电转换整形电路对于P1P2波形整定我们是靠由555组成施密特触发器来实现，其工作原理:图3.15所表示。图 3.15 555组成施密特触发器工作原理（2）转速检测电路为了在高速和低速时全部能得到较高精度我们采取M/T法测速电路，上述光电码盘输出信号处理后，用3#8253T2对其进行记数得到M1同时用T1对频率为FOSC高频脉冲进行记数，得到记数M2测速电路图3.16所表示 图3.16 转速检测电路总而言之，半闭环进给系统设计，是经过键盘输入给定X轴Y轴坐标，经过单片机内部处理，使单片机输出脉冲经过光电隔离开关送入步进电机驱动电路，对步进电机实施控制。再经过速度检测元件光电码盘，将步进电机速度转变为脉冲量改变，再经过整形放大送给单片机进行记数。经过单片机内部比较，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 键盘显示电路设计键盘和显示器接口电路常使用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接口芯片介绍8155为40引脚双列直插式封装芯片，其引脚见图3.17所表示。PC3PC4TIMERINRESETPC5TIMEROUTIO/MCERDWRALEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7GNDVCCPC2PC1PC0PB7PB6PB5PB4