机电控制及可编程序控制器技术课程设计

课 程 设 计

2009级春季机械设计制造及其自动化专业 本 科

课程设计题目:液压与气动技术

学 生 姓 名: 石 来 强 学 号: 20091370050147 省 级 电 大: 山 东 电 大 分 校: 烟 台 电 大 专 业: 机 械 设 计 制 造 及 自 动 化 指 导 教 师: 宋 卫 国

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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。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；

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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。 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

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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。

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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

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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，然后通过软件编程实现对步进电机位置的显示与控制。 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。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

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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

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 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 8031 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 图 19 22 20 21 VSS VCC RST/ VPD VCC P0.0 XTAL1 P0.1 P0.2 P0.3 XTAL2 P0.4 P0.5 P0.6 EA/VPP P0.7 EA/VPP PSEN ALE/PROG PSEN ALE/PROG P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 端口3 P2.2 3.1 8031芯片的引脚 P2.1 P2.0 7 端口0 8031 端口1 端口2

（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 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

第二功能 RXD TXD INT0 INT1 注释 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) 8

T0 T1 WR RD 外部RAM读选通信号(输出) ② 控制引脚

ALE/PROG：地址所存允许信号/编程脉冲输入端；

EA/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； 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。

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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通常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

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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

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。

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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。

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EPROM芯片的选择，系统选用Intel公司的典型系列芯片27（8K×8），下面对8KB的27芯片做简要说明。

① 27芯片的引脚

27芯片的引脚排列如图3.4所示

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VPP/VPP/VPP A12/A12/A12 A7/A7/A7 A6/A6/A6 A5/A5/A5 A4/A4/A4 A3/A3/A3 A2/A2/A2 A1/A1/A1 A0/A0/A0 D0/D0/D0 D1/D1/D1 D2/D2/D2 GND/GND/GN1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 8 17 16 15 VCC/VCC/VCC PGM/PGM/PGM NC/A13/A13 A8/A8/A8 A9/A9/A9 A11/A11/A11 OE/OE/OE A10/A10/A10 CS/CS/CS D7/D7/D7 D6/D6/D6 D5/D5/D5 D4/D4/D4 D3/D3/D3 27

图3.4 27芯片的引脚排列

② 27芯片的引脚简介 ◆A0～A12：地址线

◆D0～D7： 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

27芯片的五种工作方式的选择见表3-2

表3-2 27工作方式的选择

引脚 方式

CE OE PGM VPP/V VCC/V 输出 （20） （22） （27） （1） （28） （11～13，15～13

19） 读 维持 编程 编程检验 编程禁止 VIL VIH VIL VIL VIH VIL 任意 VIH VIL 任意 VIH 任意 VIL VIH 任意 5 5 12.5 12.5 12.5 5 5 5 5 5 DOUT 高阻 DIN DOUT 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。设计中系统选取常用的8位数据线的62做为扩展芯片。下面对8KB的62芯片做简要说明。 ① 62芯片的引脚

626芯片的引脚排列如图3.5所示

NC/A14 1 A12/A12 2 A7/A7 3 A6/A6 4 A5/A5 5 A4/A4 6 28 VCC/VCC 27 WE/WE 26 CS2/A13 25 A8/A8 24 A9/A9 23 A11/A11 A3/A3 7 62 22 OE/OE A2/A2 8 21 A10/A10 A1/A1 9 20 CS1/CS A0/A0 10 19 D7/D7 D0/D0 D1/D1 D2/D2 GND/GND 11 12 13 14 18 D6/D6 17 D5/D5 16 D4/D4 15 D3/D3

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图3.5 626芯片的引脚排

② 62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

◆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 ③ 62的四种工作方式如图表3-3所示。

表3-3 62工作方式的选择

引脚 工作方式 写 读 未选中 输出禁止

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

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CS OE WE D0～D7 VIL VIL VIH VIL VIH VIL X VIH VIL VIH X VIH DIN DOUT 高阻 高阻

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

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01234567DDDDDDDD123567111111110123456762DDDDDDDD01201234567111EE21SAAAAAAAAAAAAAOWSCC019876313222222760222201201234567111AAAAAAAAAAAAA01234567DDDDDDDD1235671111111120123456727ADDDDDDDD1012MP01234567111EEPAAAAAAAAAAAAACOGPV019876313222220272221+5V012111AAAAA201234567AAAAAAAAA2569256911110123456774LS3731QQQQQQQQ01234567EEDDDDDDDDOL34783478111111101201234567111DDDDDDDDAAAAA9876321234567801093333333322222222113200010203040506072021222324252627DPATC51/DNPPPPPPPPPPPPPPPPXEXERLTSAPPT10TTVE/S10111213141516171A01E2DPPPPPPPPNNIITETXRXRWR123456783219811113119761110TTNNII+5V1.2K33pFS12MHZ22uF33pF0.1K+5V

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图路电展扩器储存部外机片单 6.3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，62和27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（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。62的片

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选端CS接8031的P2.5，当P2.5输出为1时，选通 62，所以有数据存储器的地址范围为：2000H—FFFFH

②程序存储器（EPROM）地址的确定

由图3.8可知，27的片选端CE同样接8031的P2.5，P2.5输出为0时，才能选27所以，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。

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

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。

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CS WR1 AGND DI5 DI4 DI3 DI2 DI1 (LSB)DI0 V REF Rfb DGND 1 24 2 23 3 22 4 21 5 DAC 20 6 1208 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 VCC BYTE1/BYTE2 WR2 XFER DI6 DI7 DI8 DI9 DI10 DI11(MSB) Iout2 Iout1

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/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。

WR1：输入写选通信号，低电平有效。当WR1为低电平时，将输入数

据传送到输入锁存器；当WR1为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存；CS =1，且WR1同时为低电平时，才能将待转换的数据传送到输入寄存器。

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WR2：DAC寄存器写选通信号，低电平有效。XFER和WR2共同构成

DAC寄存器的控制信号。在XFER=0时，WR2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。

XFER：传送控制信号，低电平有效。与WR2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。

至8031单片机 WR A0 A15～A2 地址译码 S1 S2 满量程调节 ＋15V D7 D6 D5 D4D3D2D1D0 15 16 17 18 19 20 4 5 6 7 8 9 2 22 23 21 1 11 DI11 DI9 DI7 DI5 DI3 DI1 WR1 WR2 CS 50Ω 20pF 15V DI10 DI8 DI6 DI4 DI2 DI0 Rfb 2 — 7 6 V OUT LF356 Vcc DAC1208 IOUT1 13 ＋ 24 5 VREF ABND DGND IOUT2 3 1 VCC 14 10 4 VREF 25KΩ 3 12 VREF(D)VOUT＝ 4096 －15V （0≤D≤4095） Vos调节

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。

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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

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，因为主轴电机的功率一般在5KW～10KW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。

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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：

① 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；

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；

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图3.9 变频器基本配线图

③ 用控制端子运行时，一般要求通过FWD或REV与COM来控制。

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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：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1~10K连续可调； ◆简易PLC；

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◆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） 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

端子名称

27

功能说明 R、S、T P、PB N U、V、W G 三相交流380V输入端子 外接制动电阻预留端子 直流负母线输出端子 三相交流输出端子 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 TC VRF VCL GND CCL FM AM FWM COM REV TA TB 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 变频器运行中信号0 1 （RUN） 频率到达信号 频率水平检测信号2 （FAR） 过载早期预报警信号3 4

内容 6 7 8 对应功能 频率上限（FHL） 频率下限（FLL） 变频器零速运行中 （OL） 9 简易PLC阶段运行完成指标 设定计数值到达 欠压封锁停止中（LU） 10 28

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 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 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多功能输入选择7或测速输入功能表 X7-COM SM1 多功能输入选择8或测速输入X8-COM SM2 FWD-COM 运行控制（正转/停止） REV-COM 运行控制（反转/停止） Y1-COM Y2-COM 开路集电极输出1 开路集电极输出2 Y1，Y2对应的功能码为128，129，功能见开路集电极输出功能表 最大输出电流100mA 29

P24-COM 24V电源

VRF-GND 外接频率设定用电源+10VDC VCI-GND 模拟电压频率设定输入 模拟电压频率设定输入 CCI-GND 模拟电流频率设定输入 FM-GND AM-GND 输出频率显示 输出电流显示 变频器正常：TA-TB闭合，TA-TC断开 输入范围0～+10V 输入范围0（2）～+10V 输入范围0（2）～+10V 0～+10V 0～+10V TA，TB，变频器故障：TA-TC闭合，接点额定值TA-TB断开 TC 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。

30

31

路电制控机电轴主 11.3图

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。

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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，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。

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。

+12V Uh =1 T1 UL D1 +5v 驱动逻辑电路 L D2 Rc P1.0 ≥1 T2 Uc Uref 电流检测环节 - + + Rd +12V 图3.12 具有反馈控制的高低压驱动电路

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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：

iURRhCdr•(1e)I0•(1e) （式3-1）

t/τt/τ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，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系见图3.13 。

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图3.13 控制脉冲及检测脉冲与电流波形

㈡ 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

didt/τI0eUK （式dtdtL3-2 ）

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=120~200V，运行频率大于6000~10000HZ时取Uh=300V.

◆ UL的选取应使UL满足

UI(RRL1cdr) （式3-3 ）

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式中I1——步进电机绕组的额定电流，一般UL为9~12V.电压低，限流电阻小，发热量小.

◆ 检测采样电阻Rd一般取0.3~0.5Ω，阻值大Uc化敏感但发热量大.限流电阻Rc满足时间常数τ=L/（Rc+Rd+r）的要求及式（3）的关系. 例如：某110mm反应式步进电机，绕组电阻r=0.37Ω;电感L=8mH;额定电流I1=6A.取低压UL=12V;限流电阻Rc =1.5Ω检测电阻Rd =0.3Ω,电气时间常数τ=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86μS.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Δt=τ，则步进电机的绕组电流将接近40A，这是不容忽视的！

③ 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；

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◆ 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。

37 +5V 1k 680k 680k 1 P2 D 2FG-5SC P1 T 3DU31 图 3.14 光电转换整形电路

对于P1—P2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。

P1 UT+ 挡光 受光 挡光 受光 挡光 UT- P2 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

38

GATE2 3# CLK2 Q CLK D 速度脉冲 测速起/停信号 8253 GATE1 CLK2 高频脉冲 取8031的INT1端

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，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。

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PC3 PC4 TIMERIN RESET PC5 TIMEROUT IO/M CE RD WR ALE AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 GND 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 19 22 20 21 VCC PC2 PC1 PC0 PB7 PB6 PB5 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 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端输出一个脉冲信号。CE是片选信号线（输入），当CE为低电平时，表示此芯片被选中，允许它与CPU通信；IO/M是I/O口及存储器选择线（输入），当CE为低电平且IO/M为低电平时，选择片内RAM；当CE为低电平且IO/M为高电平时，选择I/O口；ALE是地址锁存信号线（输入）当ALE信号有效时把CPU输出至8155的地址信号、片选信号CE及IO/M信号都锁存到内部锁存器。D0～D7是地址、数据线，因为芯片内含有地址锁存器，因此，既能传递地址信息，又能传送数据信息。

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3.5.2 8155与8031的接口。

8155与单片机的接口如图3.18所示

P0.0～P0.7 RESET AD0～AD7 RESET PA口 PB口 8031 P2.0 P2.7 ALE RD WR 输入脉冲 IO/M CE ALE RD WR 8155 PC口 TIMEROUT TIMEIN 24分频输出

图3.18 8155与8031的接口。

由上图可以看出，由于8155内部有地址锁存器并且有ALE引脚，因此它和MCS-51系列单片机的接口很简单，只要将8155的输入控制端与

CE、8031单片机各同名端相连，将AD7～AD0与8031的P0.7～P0.0相接，IO/M可分别与P2.7、P2.0相连，如图3.10所示，此时8155地址可分配如下：

内部256字节ROM的地址：7E00H～7EFFH； 命令/状态口地址: 7F00H； PA口地址: 7F01H； PB口地址: 7F02H； PC口地址: 7F03H；

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定时低8位寄存器地址: 7F04H；

定时器高6位及2位定时输出方式寄存器地址: 7F05H。 3.5.3 键盘/显示接口电路的设计

为了使操作人员能够随时掌握X轴Y轴的位置变换情况，系统设计了6位LED显示器。采用CS5137T共阴极数码管。如下图3.19所示。

42

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计设的路电口接示/显盘键 91.3图

图中，DS0～DS2为X轴的位置显示，最大显示999的数值； DS3～DS5为Y轴的位置显示,最大显示999。总共有两种显示方式：分别为静态显示和动态显示。根据系统的要求，这里我们采用动态显示方式。8155的PA0～PA7作为段选线，PC0～PC5为六条位选线。

由图可知，我们设计了一个键盘，因为系统X轴，Y轴的给定值的输入只能通过键盘来完成。设计中考虑到所用的键比较多，所以系统采用了非编码键盘的形式。键盘排成8行6列矩阵，共48个键。PB0～PB7是8根行线，PC0～PC5是8根列线，在列线与行线的交叉点上安装按键。由图可以看出8155的PC口既充当了键盘扫描的8根列线，又充当了显示电路的六条位选线。

PB口的8根列线按一定时间间隔轮流输出低电平。当扫描到某一列线上时，若无键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此键对应的行线和列线的位置，计算机可以判断出键值，完成一次键输入扫描工作。显示相应的X、Y轴的坐标值。 3.6 电源模块的设计

在电子设计与制作中，直流电源的设计是很重要的内容。在本系统中，所需的电源主要有给集成芯片供电的+5V电压和给集成运放供电的±12V电压，以及驱动步进电机的80V高压电源，

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3.6.1 +12V、-12V、+5V 电源的设计

电源在进行电源设计时功率交流输入端加一级电源滤波器，以降低工频频率的干扰，本方案的直流稳压电源采用通用的桥式全波整流大电容滤波和三端固定输出的集成稳压器，输出电路由+12V稳压供给从而大大降低了电压调整率和负载调整率等指标，为了保证电路的有效性和可靠性。

所有的集成稳压器根据功耗均安装有充足余量的散热片。其中正电源输出的稳压选用W7800系列的三端稳压器，负电压输出的稳压选用W7900系列的三端稳压器，其电路图如图3.20所示。

Vin Vout 7805 GND +5V + 47μf 0.01μf GND + 3300μf 0.01μf 220V ～ + Vin Vout 7815 GND + 47μf + 47μf 0.01μf 0.01μf +12V 3300μf 0.01μf + 3300μf 0.01μf GND 7915 Vin Vout GND -12V 图3.20 电源电路

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3.6.2 +80V电源的设计

为步进电机的高压驱动能正常的工作, 系统设计了一个+80V的直流稳压电源，提供高压电源供电，设计中，我们选用各方性能都比较好的串联式直流稳压电源的设计思想来实现。电源电路如图所示。3.21所示。

3.21 串联式直流稳压电源

由图可知，它主要由四部分组成，即：调整部分、放大部分、基准电压部分和采样部分四部分组成。利用电压串联负反馈，稳定输出电压，其稳定过程为：

U0

取样 UF 放大 U0 控制 UCE 调整

U0

要使得U0=80V，则，U0=80V，而U0≈UZ/F所以我们必须得确定

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UZ和F这两个参数才能确定U0的值。

（1）UZ的确定：UZ是稳压管两端的电压，我们可以根据对稳压管的选型来确定稳压管两段端的电压，由于要求是80V的电压，所以这里我们选择稳压管的型号为IN6023（最大耗散功率0.5、最大工作电流4.5）它可以稳定91V的电压，再根据对取样比的调节，我们就可以得到稳定的+80V电压。

（2）取样比F的确定：由于取样比是由取样电阻R1和R2决定的。所以要确定F就得确定R1和R2。

所以只要满足F=1.14就可得到我们的要求。 3.7 系统的改进

本课题设计的是一个半闭环的进给系统.它不是直接检测工作台的位移量,而是采用转角的位移检测元件,如光电编码器,测出伺服电动机或丝杠的转角,推算出工作台的实际位移量,反馈到计算机中进行位置的比较,用比较的差值进行控制.由于反馈环节内没有包括工作台,所以,为半闭环控制。半闭环虽然较开环控制，其控制精度高，但较闭环系统控制精度较差，所以本系统有待于改进成为反馈环节内包括工作台的闭环控制系统。使系统的加工精度更进一步的提高。

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第4章 系统软件的设计

对于本系统，它主要包括主程序、键盘子程序、显示子程序，中断子程序、PID控制算法子程序和D/A转换子程序。转速检测子程序流程图

4.1 主程序流程图

主程序流程图如图4.1所示

开 始 初始化 调用键盘扫描子程序 调用显示子程序 采样周期到否？ N Y 计算偏差e(k) 调用步进电机控制子程序 清标志位 调用PID子程序 调用D/A子程序 清D/A标志位 48

图4.1 主程序流程图

4.2键盘子程序流程图

键盘子程序流程图如图4.2所示。

入口 调判键按下子程序 有键闭合否？ Y 调消抖延时子程序 N N 有键闭合否？ Y 计算闭合键号 键号 A 返回

图4.2 键盘子程序流程图

4.3 显示子程序流程图

设片内ROM的30H～35H单元为显示缓冲区，依次（从低位到高

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位）存放六个要显示的数据（以分离的BCD码形式存放）。运行中，将要显示的数据经软件译码形成段选码后，通过P0口输出给8155的PA口；将要显示的数的位置（位选码），也通过P0口输出给8155的PB口，这样被选中的位就被电亮。各显示位的点亮时间间隔为1ms。显示子程序流程图如图4.3所示。

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入 口 动态显示 8155初始化 显示缓冲区首址送R0 8155口地址送DPTR 显示启始位送R2 取显示数据 查表求段码 修正位码 延时1ms 段码送8155的PA口 修正显示缓冲指针 位码送8155的PC口 六位数显 示完否 N Y 返 回

图4.3 显示子程序流程图

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4.4 中断子程序流程图

当有键盘操作时通过INT0引发ATC51的外部中断0的中断服务程序，中断采样定时由定时器0的操作完成，定时器0的益出时间受采样周期的控制。由T0溢出引发的中断服务程序用于设置定时标志，程序流程图如图4.4所示 。

保护现场 赋20ms定时初值 Y 04H=1? N N Va=0? Vb=0? N Y Va－1 Va重新赋值 清04H标志位 Y Vb重新赋值 置04H标志位 Vb－1 输出 输出 恢复现场 返回

图4.4 中断子程序流程图

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4.5 PID控制算法子程序

PID控制算法子程序流程图如图4.5所示。

入口 取e(k) N e(k)是否大于ε u(k) u(k-1) Y e(k)>0? Y 取α0 *e(k) N u(k)u(k-1) 取α1 *e(k-1) u(k)-e(k) u(k-1) e(k-1)u(k) e(k) 输出u(k) 返 回

图4.5 PID控制算法子程序流程图

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4.6 转速检测子程序流程图

转速检测子程序流程图如图4.6所示。

图4.6 转速检测子程序流程图

计算转速n 读M1记数值 INT1中断 读常数K 读M2记数值 返回