机电控制及可编程序控制器技术课程设计.doc

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甘 肃 广 播 电 视 大 学

课 程 设 计

级春季机械设计制造及其自动化专业 本 科

课程设计题目:基于单片机控制的简易数控装置

学 生 姓 名: 任立 王旭同 徐钢
学 号: 、 、
电 大 分 校: 甘 肃 电 大 亚 盛 分 校
工 作 站: 玉 门 工 作 站
学生所在单位: 中核四零四总公司第三分公司
中核华原钛白股份有限公司
中核四零四总公司第三分公司
指 导 教 师: 石 敬 东
甘肃电大开放教育_ _级( 春、 秋) 机械制造专业( 本科)
课程设计成绩评定表
分校: 亚盛集团分校 工作站: 酒泉工作站 班级代号:
姓名
专业
课程名称
设计时间
王旭同
机械制造
机电控制与可编程序控制器技术
10月
设计题目
基于单片机控制的简易数控装置
指导教师评语及
评分

签 字( 盖章) 年 月 日
设计小组
评价意见
及评分

签 字( 盖章) 年 月 日
分校集中实践环节指导小组意见

签 字( 盖章) 年 月 日
省电大集中实践环节指导委员会审核意见

签 字( 盖章) 年 月 日
说明: 1.答辩小组应填写评价意见, 小组成员均应签名( 盖章) 。答辩小组不应少于3人。
2.此表附于封面之后。3.此表由分校、 工作站自行复制。

目 录
第1章 绪 论 1
1.1 设计背景 1
1.2 工作要求 1
1.3 设计的目的及意义 1
第2章 系统总体方案的确定 2
2.1 主要技术要求 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 系统硬件电路的设计 4
3.1 CPU( 单片机) 与总线部分的选择 4
3.1.1 CPU( 单片机) 的概述 4
3.1.2 总线 7
3.2 单片机存储器的扩展电路 8
3.2.1 单片机外部存储器的扩展芯片 9
3.2.2 单片机外部存储器的扩展 11
3.3 主轴电机的驱动电路 13
3.3.1 D/A转换电路的选择 14
3.3.2 主轴电机变频调速系统的设计 16
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
3.4.2 位置检测单元的设计 25
3.5 键盘显示电路的设计 27
3.5.1 8155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 38
4.6 转速检测子程序流程图 39
小结 40
致 谢 41
参考文献 42

[内容提要]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经过发展数控技术、 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。当前的单片机数控装置, 大多采用MCS-51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

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。中国是一个机床大国, 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。到当前为止, 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。

第2章 系统总体方案的确定
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。

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的X轴Y轴的坐标, 经过单片机内部处理, 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, 然后再经过速度检测元件, 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, 能够经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, 然后经过软件编程实现对步进电机位置的显示与控制。

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。经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/输出接口等经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8031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, 以上各部分均经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
1 40
2 39
3 38
4 37
5 36
6 35
7 34
8 33
9 32
10 31
11 30
12 29
13 28
14 27
15 26
16 25
17 24
18 23
19 22
20 21
8031
P1.0
P1.1
P1.2
P1,3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
RST/ VPD
RXD P3.0
TXD P3.1
INT0 P3.2
INT1 P3.3
T0 P3.4
T1 P3.5
WR P3.6
RD P3.7
XTAL2
XTAL1
VSS

VCC
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
/VPP
ALE/

P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
P2.2
P2.1
P2.0

VSS VCC RST/ VPD

ALE/
/VPP

端口0
端口1
端口2
XTAL1
XTAL2
8031
端口3

图3.1 8031芯片的引脚
( 3) 单片机8031的引脚功能
① 四个并行I/O口
P0.7～P0.0: 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。
P1.7～P1.0: P1口作通用I/O口使用,用于传送用户的输入/输出数据。
P2.7～P2.0: 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口一起组成一个16位片外存储器单元地址。
P3.7～P3.0: 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
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD

T0
T1

串行数据接收口
串行数据发送口
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)
② 控制引脚
ALE/: 地址所存允许信号/编程脉冲输入端;
/VPP: 允许访问片外存储器/编程电源输入端;
: 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;
③ 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。
④ 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1.2MHz～24 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20pF～100pF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。

图3.2 单片机的最小应用系统
单片机8031一般采用上电自动复位和按钮复位两种方式。在该系统中采用按钮复位, 如图3.3所示。各器件的典型取值为: C3=1μF; R1=1kΩ; R2=51kΩ。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, 各种功能模块经过总线有机的连接起来, 经过总线实现相互间的信息传送和通信。总线一般分为片总线、 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

图3.3 8031芯片的三总线分配
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摸板几乎能够包容8位的单片机8031, 而且能够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。因此, 设计中必须要对外部存储器进行扩展。
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, 因此在设计中, 对于EPROM芯片的选择, 系统选用Intel公司的典型系列芯片2764( 8K×8) , 下面对8KB的2764芯片做简要说明。
① 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
② 2764芯片的引脚简介
◆A0～A12: 地址线
◆D0～D7: 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
引脚
方式

( 20)

( 22)

( 27)
VPP/V
( 1)
VCC/V
( 28)
输出
( 11～13, 15～19)
读
VIL
VIL
VIH
5
5
DOUT
维持
VIH
任意
任意
5
5
高阻
编程
VIL
VIH
VIL
12.5
5
DIN
编程检验
VIL
VIL
VIH
12.5
5
DOUT
编程禁止
VIH
任意
任意
12.5
5
高阻
( 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储器的扩展。设计中系统选取常见的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。
① 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
② 6264芯片的引脚简介
◆A0～A12: 地址输入线
◆D0～D7: 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CPU的读数据
◆: 片选信号输入线, 低电平有效。该芯片的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
◆: 写允许信号输入线, 低电平有效
③ 6264的四种工作方式如图表3-3所示。
表3-3 6264工作方式的选择
引脚

工作方式

D0～D7
写
VIL
VIH
VIL
DIN
读
VIL
VIL
VIH
DOUT
未选中
VIH
X
X
高阻
输出禁止
VIL
VIH
VIH
高阻

另外, 在8031单片机中的16位地址, 分为高8位( A15～A8) 和低8位( A7～A0) 。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。可是, 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74LS373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

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。
① 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。
② 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( P0.0～P0.7、 P2.0～P2.4) , 使用P2.5作为片选控制线等。
③ 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( 、 ) 应分别与8031的P3.6( ) 和P3.7( ) 相连, EPROM的读写控制应与8031的读选通相连;
对于实现片选的方式有线选和译码选通两种方式, 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
①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的片选端接8031的P2.5, 当P2.5输出为1时, 选通 6264, 因此有数据存储器的地址范围为: H—FFFFH
②程序存储器( EPROM) 地址的确定
由图3.8可知, 2764的片选端同样接8031的P2.5, P2.5输出为0时, 才能选2764因此, 它的地址为0000H—DFFFH
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TD 系列变频器TD -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。
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
DAC1208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
DI0～DI11: 数据输入线, 其中DI11为最高位。
VREF: 基准电源输入端( －10V～＋10V) 。
Rfb: 内部反馈电阻引出端。
IOUT1、 IOUT2: 电流输出端。
BYTE1/2: 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。
: 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, 输入锁存器中的数据被锁存; CS =1, 且同时为低电平时, 才能将待转换的数据传送到输入寄存器。
: DAC寄存器写选通信号, 低电平有效。和共同构成DAC寄存器的控制信号。在=0时, 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。
: 传送控制信号, 低电平有效。与联合使用, 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D7～D0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。假定译码器对A15～A3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DI3～DI0接在DI11～DI8上。系统设计中没有采用译码器, 对A15～A3进行译码, 而是直接经过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, 系统采用了具有多种功能和优越性的TD 系列变频器TD -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
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) TD -4T0055G/0075P型变频器基本配线图
在本系统中, 因为主轴电机的功率一般在5KW～10KW之间, 因此在设计时选用了TD -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, 能够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:
① 能够用电压( 0( 2) 10V) 或电流( 0( 4) 20mA) 作为频率设定信号输入。但必须采用屏蔽电缆;
②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, 若采用电压输入方式, 则CN10应选择V侧;

图3.9 变频器基本配线图

③ 用控制端子运行时, 一般要求经过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。
④ 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;
⑤ 辅助电源引自正负母线P和N。
⑥ 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: 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) D -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1~10K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4~20mA输出端口;
◆采用最新的智能功率模块( IPM) 和集成功率模块( PIM) , 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304V~456V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能见表3-4所示。
表3-4 主回路输入输出端子功能描述
端子名称
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
X1
X2
X3
X4
X5
COM
X6
X7
X8
Y2
Y1
P24
VRF
VCL
GND
CCL
FM
AM
FWM
COM
REV
TA
TB
TC
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
设定计数值到达
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119～126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
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

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
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。
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。
因此我们得知报警电路的设计, 能够检测变频器的正常运行。使得整个系统更加可靠安全。
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, 系统是经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。系统是经过控制步进电机来实现的。经过键盘输入给定的X轴Y轴的坐标, 经过单片机内部处理, 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。
因此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。
① 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, 能够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, 可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, 当前用的很少; 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。
② 步进电动机驱动电路原理与参数计算
㈠ 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。
图3.12 具有反馈控制的高低压驱动电路
由电路能够看出, 该电路是在一般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:
( 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)
τ—主回路电气时间常数( mS) , τ=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, 使维持电流为电机额定电流的90~100%.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,