经济型数控机床工作台控制系统设计Word文件下载.docx
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本设计为验证性设计,通过对控制系统的设计,掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路,通过Proteus软件进行仿真实验。
1.2研究的内容X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件,通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副,以及步进电机的部件构成。
控制系统可选用标准的工业控制计算机,也可设计专用的微机控制系统。
本设计用MCS-C51组成专用单片机控制系统,从键盘输入G代码后,能通过直线插补和圆弧插补,完成平面轮廓加工。
设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计,通过Keil编译和调试程序,并最终在Proteus软件中仿真。
1.3研究的技术路线本设计研究的技术路线主要包括:
1.机械系统运动参数的计算;
2.步进电动机及其选择;
3.步进电动机的控制与驱动;
4.驱动芯片的选择;
5.控制系统的电源设计与选择;
6.光电隔离电路设计与应用;
7.开关量输入通道电路设计与应用;
8.常用存储器与I/O接口芯片的应用电路设计;
9.键盘与LED显示电路应用设计;
10.控制系统的人机接口软件设计;
11.在Proteus软件中绘制系统硬件原理图;
12.在Keil软件中完成程序的编译和调试;
13.在Proteus软件中进行系统的调试与仿真。
33总体方案的确定第二章总体方案的确定2.1导轨副的选用要设计的X-Y数控工作台,需要承受的载荷不大,而且脉冲当量小,定位精度高,因此选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系数小,不易爬行,传动效率高,结构紧,安装预紧方便等优点。
2.2丝杆螺母副的选用步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,需要满足较高的定位精度时,滑动丝杠副无能为力,只有选用滚珠丝杆副才能达到要求,滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
2.3减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消间隙机构,选用无间隙齿轮传动减速箱。
2.4步进电机的选用由于任务书中没有规定的脉冲当量,定位精度也没有做明确规定。
故本设计不必采用高档次的伺服电动机,因此可以选用混合式步进电动机。
综合前面所叙采用24V选用混合式步两相(四相)进电动机2.5控制系统的设计
(1)本设计的X-Y工作台其控制系统应该具有单坐标定位,两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能,能够完成平面轮廓的加工,所以控制系统设计成连续控制型。
(2)对于步进电动机的半闭环控制,选用MCS-51系列的8位单片机80C51作为控制系统的CPU,能够满足任务书给定的相关指标。
(3)要设计一台完整的控制系统,在选择CPU之后,还要扩展程序存储器,键盘与显示电路,I/O接口电路,驱动电路,放大电路等。
(4)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用。
控制系统硬件电路设计2.6绘制总体方案图总体方案图如图2-1所示:
微控制器(MCS-51)I/O接口电路放大电路步进电机机械传动机构数控工作台图2-1总体方案图本章主要是完成了系统总体方案确定的机械传动部件的选用和控制系统的总体设计思想的分析,机械传动部件完成了一些主要传动机构的初步选择,而为后续的设计中,还将会对其进行分析。
考虑到数控工作台对要求控制系统要有较高的精度和较快的反应速度,我选用了80C51单片机作为控制系统,能够满足系统的设计要求,另外由于要接程序存储器拓展芯片、键盘、显示器、电机控制芯片等,所以采用8255A来拓展单片机的I/O口。
第三章控制系统硬件电路设计3.1控制系统微控制器的选择本次设计是微机控制系统要求选用MCS-51系列单片机。
数控工作台要求控制系统计算精度较高、处理速度较快;
加之在考虑尽量减少成本、选择程序编制较为简易以及方便扩充I/O接口的前提下,我们选择了使用80C51作为我们的微处理器,选择此微处理器能够满足任务书给定的相关指标的设计要求。
3.280C51单片机主要性能参数3.2.180C51简介★8位单片机★片内带振荡器,频率范围1.2MHZ-12MHZ★片内带128B的数据存储器★片内带有4KB的程序存储器★程序存储器的寻址空间为64KB★片外数据存储器的寻址空间为64KB★128个用户位寻址空间★21个字节特殊功能寄存器★两个16位定时/计数器★两个优先级别的5个中断源★1个全双工的串行I/O接口,可多机通信★片内采用单总线结构★有较强的位处理能力★采用单+5v电源控制系统硬件电路设计3.2.280C51单片机引脚功能图3-180C51引脚图
(1)输入/输出引脚P0口(32-39),P0.0-PO.7统称P0口。
在不接片外存储器与不拓展I/O口时,作为准双向输入输出接口。
在接片外存储器与拓展I/O时,P0分时复用为8位地址总线和双向数据线。
P1口(1-8),P1.0-P1.7统称P1口。
可作为准双向输入输出接口使用。
P2口(21-28),P2.0-P2.7统称P2口。
一般作为准双向输入输出接口使用;
可接片外存储器与拓展I/O且寻址范围超过256字节时,P2口用作高8位地址总线。
P3口(10-17),P3.0-P3,7统称P3口。
除了作为准双向I/O接口使用外,每一位还具有独特的第二功能。
(2)控制线ALE/PROG(30引脚)地址锁存信号输出端。
在访问片外程序存储器期间,下降沿用于控制锁存P0输出的8位地址;
在不访问片外程序存储器期间,可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时的目的。
片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。
在从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机械周期该信号有效两次,通过数据总线P0口读回指令或常数。
RST/Vpd(9脚)该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机械周期的高电平,可实现复位操作。
该引脚可接上备用电源,当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该备用电源为内部RAM供电,以保证RAM中的数据部丢失。
(3)电源引脚Vcc(40引脚);
接+5V电源正端。
Vss(20引脚);
接地+5V电源地端。
(4)外接晶体引脚XTAL1、XTAL2(19、18引脚);
当使用单片机内部振荡电路时,这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容。
(5)片外总线结构单片机的引脚除了电源线,复位线,时钟输入以及用户I/O接口外,其余的引脚都是为了实现系统拓展而设置的。
这些引脚构成了片外地址总线、数据总线和控制总线三大总线形式。
3.380C51单片机复位电路本次为80C51设计的复位电路如图下图3-2所示,选择的是上电手动复位,应用时除了单片机本身复位外,也是外部扩展接口电路的复位电路,这样能够实现同步的复位信号。
RESET5V80C51图3-280C51单片机上电手动复位图3.480C51振荡电路在80C51芯片内部,有一个振荡器电路和时钟发生器,引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式,本次设计的振荡电路图如3-3所示。
图3-380C51震荡电路3.5单片机I/O口拓展芯片8255A简介8255A是Intel公司生产的可编程输入/输出接口芯片,它具有A、B、C三个8位的并行I/O口,可选择三种工作方式。
方式0为基本的输入输出;
方式1为选通输入输出;
方式2为双向传送。
8255A还能对C端口的任一位进行置位/复位操作
(1)8255A为DIP40封装,引脚如图3-4所示。
各引脚功能如下:
·
D7~D0:
三态双向数据总线。
RESET:
复位信号线,高电平有效。
:
片选信号线,低电平有效。
读信号线,低电平有效。
写信号线,低电平有效。
A0,A1:
端口地址线。
PA7~PA0:
端口A输入/输出线。
PB7~PB0:
端口B输入/输出线。
PC7~PC0:
端口C输入/输出线。
Vcc:
+5V电源。
GND:
地线。
图3-48255A引脚图
(2)8225A内部结构图如3-5所示。
8255A内部结构包括如下几部分:
端口A、B、C:
8255A包括了三个8位的端口A、B、C(引脚分别为PA7~PA0、PB7~PB0、PC7~PC0)。
端口A包含了一个8位的数据输出锁存/缓冲器和一个8位的数据输入锁存器;
端口B包含了一个8位的数据输入/输出锁存/缓冲器和一个8位的输入缓冲器;
端口C包含了一个8位的数据输出锁存/缓冲器和一个8位的数据输入缓冲器(输入无锁存)。
端口C可以被分为两个4位的端口,每个4位的端口包含了一个4位的锁存器,可以配合端口A、B作作态或控制信息的传送端口。
数据总线缓冲器:
三态双向的8位缓冲器是8255A和系统数据总线的借口。
根据CPU的输入输出指令,通过缓冲器进行数据的接受和发送。
控制字和状态字也是通过缓冲器进行传送的。
读/写控制逻辑:
接收从CPU总线上发送过来的地址信号和控制信号,控制I/O口的读/写操作,输入的信号包括、、、RESRT、A0和A1。
8255A的控制信号和端口工作状态的对应关系如表4-7所列。
A组和B组控制:
根据CPU写入的“控制字”来控制8255A的工作方式。
A组控制电路控制A口和C口的上半口(PC4~PC7),B组控制电路控制B口和C口的下半口(PC0~PC3)。
根据读/写控制逻辑,从内部数据总线上接受“控制字”,控制字寄存器只能写而不允许读。
图3-58255A的内部结构(3)8255A端口地址8255A有三种工作方式:
方式0—基本输入/输出方式—A、B、C三个端口均可方式1—选通输入/输出方式—A、B两个端口均可方式2—选通双向输入/输出方式—只有A端口才有图3-6工作方式的定义和总线接口的连接表3-78255A的控制信号和端口工作状态的对应关系A1A0功能00010A口→数据总线(读)01010B口→数据总线(读)10010C口→数据总线(读)00100数据总线→A口(写)01100数据总线→B口(写)10100数据总线→C口(写)11100数据总线→控制寄存器(写)————1数据总线为三态11010非法条件——110数据总线为三态8255A有两条地址线A1和A0,当对端口A、B、C和控制字寄存器进行读/写操作时,必须指定相应的端口地址,这由A1和A0来区别,对应如表3-8所列。
(4)8255A的控制字8255A有两个控制字:
工作方式控制字和端口C按位置位/复位控制字。
它们的端口地址都是A1A0=11,利用控制字的最高位D7来区分:
D7=1为工作方式控制字;
D7=0为C口按位置位/复位控制字。
寄存器的格式如图3-9所示。
8255A与80C51单片机的硬件电路连接如图3-9所示表3-88255A端口地址A1A0端口00端口A01端口B10端口C11控制字寄存器图3-98255A控制字的格式3.6程序存储器拓展相关芯片(74Ls373和2764)
(1)74Ls373锁存器简介74ls373是常用的地址锁存器芯片,它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器,在单片机系统中为了扩展外部存储器,通常需要一块74ls373芯片。
(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);
(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.锁存端LE由高变低时,输出端8位信息被锁存,直到LE端再次有效。
当三态门使能信号OE为低电平时,三态门导通,允许Q0~Q7输出,OE为高电平时,输出悬空。
当74LS373用作地址锁存器时,应使OE为低电平,此时锁存使能端C为高电平时,输出Q0~Q7状态与输入端D1~D7状态相同;
当C发生负的跳变时,输入端D0~D7数据锁入Q0~Q7。
51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。
74ls373与单片机接口:
1D~8D为8个输入端。
1Q~8Q为8个输出端。
G是数据锁存控制端;
当G=1时,锁存器输出端同输入端;
当G由“1”变为“0”时,数据输入锁存器中。
OE为输出允许端;
当OE=“0”时,三态门打开;
当OE=“1”时,三态门关闭,输出呈高阻状态。
在MCS-51单片机系统中,常采用74LS373作为地址锁存器使用,其连接方法如上图所示。
其中输入端1D~8D接至单片机的P0口,输出端提供的是低8位地址,G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。
输出允许端OE接地,表示输出三态门一直打开。
(2)2764简介(8KB存储器)EPROM--2764引脚定义管脚图图3-102764引脚图2764是8K*8字节的紫外线可擦除的可编程只读存储器,单一+5V供电,工作电流为75mA,维持电流为35mA,读出时间最大为250nS,28脚双列直插式封装。
各引脚的含义为:
A0-A12为13根地址线,可寻址8K字节;
O0-O7为数据输出线;
CE为片选线;
OE为数据输出选通线;
PGM为编程脉冲输入端;
Vpp是编程电源;
Vcc是主电源。
图3-1174LS373和2764接线图3.7步进电机驱动芯片(L297和L298)
(1)L297简介L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器,它能产生4相控制信号,可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机,能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。
芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。
该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术,使用5V的电源电压,全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。
L297的芯片引脚特别紧凑,采用双列直插20脚塑封封装,其引脚见图3-12所示。
图3-12L297引脚图引脚功能介绍1脚(SYNG)——斩波器输出端。
如多个L297同步控制,所有的SYNC端都要连在一起,共用一套振荡元件。
如果使用外部时钟源,则时钟信号接到此引脚上。
2脚(GND)——接地端。
3脚(HOME)——集电极开路输出端。
当L297在初始状态(ABCD=0101)时,此端有指示。
当此引脚有效时,晶体管开路。
4脚(A)——A相驱动信号。
5脚(INH1)——控制A相和B相的驱动极。
当此引脚为低电平时,A相、B相驱动控制被禁止;
当线圈级断电时,双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。
若CONTROL端输入是低电平时,用斩波器调节负载电流。
6脚(B)——B相驱动信号。
7脚(C)——C相驱动信号。
8脚(INH2)——控制C相和D相的驱动级。
作用同INH1相同。
9脚(D)——D相驱动信号。
10脚(ENABLE)——L297的使能输入端。
当它为低电平时,INH1,INH2,A,B,C,D都为低电平。
当系统被复位时用来阻止电机驱动。
11脚(CONTROL)——斩波器功能控制端。
低电平时使INH1和INH2起作用,高电平时使A,B,C,D起作用。
12脚(Vcc)——+5V电源输入端。
13脚(SENS2)——C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端。
14脚(SENS1)——A相、B相绕组电流检测电压反馈输入端。
15脚(Vref)——斩波器基准电压输入端。
加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。
16脚(OSC)——斩波器频率输入端。
一个RC网络接至此引角以决定斩波器频率,在多个L297同步工作时其中一个接到RC网络,其余的此引角接地,各个器件的脚I(SYNC)应连接到一起这样可杂波的引入问题如图5所示。
17脚(CW/CCW)—方向控制端。
步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。
当改变此引脚的电平状态时,步进电机反向旋转。
18脚(CLOCK)——步进时钟输入端。
该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增量,该步进是在信号的上升沿产生。
19脚(HALF/FULL)——半步、全步方式选择端。
此引脚输入高电平时为半步方式(四相八拍),低电平时为全步方式。
如选择全步方式时变换器在奇数状态,会得到单相工作方式(单四拍)。
20脚(RESET)——复位输入端。
此引脚输入负脉冲时,变换器恢复初始状态(ABCD=0101)。
L297相序的产生:
L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍所需要的适当相序。
三种方式的驱动相序都可以很容易的根据变换器输出地雷码的顺序产生,格雷码的顺序直接与四相八拍(半步方式)相符合,只要在19管脚输入一高电平即可得到。
如下图所示:
图3-13L297时序产生图通过交替跳过在八步顺序中的状态就可以得到全步工作方式,此时需要在19管脚接一低电平。
单四拍和双四拍工作模式如下图所示:
图3-14L297工作模式
(2)L298简介L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver),内部包含4信道逻辑驱动电路,是一种二相和四相步进电机的专用驱动器,可同时驱动2个二相或1个四相步进电机,内含二个H-Bridge的高电压、大电流双
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- 经济型 数控机床 工作台 控制系统 设计