计算机数控CNC系统的组成及软、硬件结构
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一、CNC系统的组成与特点
计算机数控系统（简称CNC系统）是在硬件数控（NC）系统的基础上发展起来的，它用一台计算机完成数控装置的所有功能。CNC系统由硬件和软件组成，其组成框图如图1所示。
三、CNC系统的软件结构
（一）CNC系统软件的组成
CNC软件分为应用软件和系统软件。
CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM内存中。各种CNC系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。下面分别叙述它们的作用。
1．输入数据处理程序
它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。
（1）输入程序
（2）译码程序
数据处理程序
2．插补计算程序
CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲。这个过程称为插补运算。进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。
CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应该尽可能地缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。
3．速度控制程序
速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保预定的进给速度。在速度变化较大时，需要进行自动加减速控制，以避免因速度突变而造成驱动系统失步。
4．管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。
5．诊断程序
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。
（二）CNC系统软件的结构
CNC系统是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，因此需要对系统软件的各功能模块实现多任务并行处理。为此，在CNC软件设计中，常采用资源分时共享并行处理和资源重叠流水并行处理技术。资源分时共享并行处理适用于单微处理器系统，主要采用对CPU的分时共享来解决多任务的并行处理。资源重叠流水并行处理适用于多微处理器系统，资源重叠流水并行处理是指在一段时间间隔内处理两个或多个任务，即时间重叠。由于两种技术处理方式不同，相应的CNC软件也可设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。较常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断型软件结构。
1．前后台型软件结构
前后台型软件结构将整个CNC系统软件分为前台程序和后台程序。
2．中断型软件结构热门版块：
微机数控系统电路设计 ，急需帮助和指导，，，，，，，，.
本帖最后由 gk320830 于
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4&&微机数控系统硬件电路设计数控系统是数控机床的“大脑”，其设计也是普通机床进行数控化改造的核心工程，对机床而言，数控系统通过对输入的加工程序进行数据处理和运算后，输出控制信号，控制主轴、进给轴和其他辅助装置正确、及时和可靠地执行加工程序所规定的任务，同时接受从机床反馈来的各种信息，对机床控制进行调整。任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成，在处理信息方面，软件和硬件对要完成的任务是等价的，硬件处理速度快，线路复杂，软件设计灵活，适应性强，但速度较慢。数控系统最核心的控制是位置控制，最重要的运算是插补运算，最主要的数据处理是刀具补偿。位置控制的实质就是位置负反馈，即指令位置和实际位置进行比较，用位置偏差进行控制；插补运算就是根据加工程序所确定的坐标点，通过一定的运算法则实时获得位置指令；刀具补偿就是要解决编程轨迹和刀具中心不相符的矛盾[11]。4.1&&数控系统的硬件结构& & 数控系统根据其使用微机结构的划分，一般可分为单微处理器和多微处理器结构两大类。单微处理器数控系统由于结构简单，价格便宜，在一些标准型数控系统中应用广泛。多微处理器数控系统可以满足当今数控机床高速度、高精度和许多复杂功能的要求，代表当今数控发展的水平。根据设计任务要求，本设计将采用较经济的单微处理器数控结构，对于一般切削加工而言，其速度和精度已能满足实际要求。4.1.1&&数控系统硬件电路的组成数控机床单微处理器硬件结构电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写存储器；（4）输入输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电编码器等。4．1．2&&数控系统硬件电路的功能根据设计要求，确定数控系统应具有以下功能：（1）读取键盘输入数据；（2）读取操作面板开关及按钮信号；（3）读取螺纹/光电编码器信号 ；（4）读取电动刀架刀位信号；（5）接受车床行程开关信号；（6）控制LED显示；（7）控制纵向、横向电动机驱动；（8）控制主轴正转、反转与停止；（9）控制交流变频器；（10）控制冷却泵启停；（11）可与PC进行串行通信。4.2&&主控芯片简介4.2.1&&MSP430简介本设计采用的核心芯片为TI公司推出16位系列单片机MSP430。MSP430具有集成度高，外围设备丰富，超低功耗等优点。MSP430系列种类繁多，针对不同的场合需要选用相应合适的芯片，本次设计选用MSP430F149型，该型号为64引脚封装，工作电压为1.8V-3.6V。单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器，采用串行在线编程方法，单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力，而可以方便的设计真正意义上的单片系统；在运算性能上，MSP430系列单片机采用目前流行的精简指令集（RISC）结构，1个时钟周期可以执行1条指令(传统的MCS51系列单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令)[12]。4.2.2&&MSP430F149芯片引脚及其功能MSP430F149芯片具有64根引脚，其引脚图如图4-1所示file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.jpgfile:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image003.gif图4-1&&MSP430F149芯片引脚64根引脚其功能如下：AVCC：模拟正电源端，向SVS，brownout，oscillator，FLL+，comparator-A，port1，and LCD resistive divider电路供电，上电不必早于DVCC。AVSS：内部连接于DVSS。DVCC：数字正电源端，提供所有部件电源（由AVCC供电除外）。DVSS：数字地，所有电源接地（通过AVCC/AVSS供电除外）。NC：空脚。P1.0/TA0：通用数字I/O/定时器-A，捕获方式：CCI0B输入，比较方式：Out0输出。P1.1/TA0/MCLK：通用数字I/O/定时器-A。捕获方式：CCI0B输入/MCLK输出，注意：在这个引脚上，TA0只能输入。P1.2/TA1：捕获方式：CCI1A输入，比较方式：Out1。P1.3/SVSOut：通用数字I/O/SVS：SVS比较器的输出端。P1.4：通用数字I/O。P1.5/TACLK/ACLK：通用数字I/O/定时器A输入时钟/ACLK输出。P1.6/CA0：通用数字I/O/比较器A输入脚。P1.7/CA1：通用数字I/O/比较器A输入脚。P2.0/TA2：通用数字I/O/定时器-A。捕获方式：CCI2A输入，比较方式：Out2输出。P2.1：通用数字I/O。P2.2/S23：通用数字I/O/LCD段23输出脚（见注1）。P2.3/S22：通用数字I/O/LCD段22输出脚（见注1）。P2.4/S21：通用数字I/O/LCD段21输出脚（见注1）。P2.5/S20：通用数字I/O/LCD段20输出脚（见注1）。P2.6/CAOUT/S19：通用数字I/O/比较器A输出/LCD段19输出脚（见注1）。P2.7/S18：通用数字I/O/LCD段18输出脚（见注1）。P3.0/S17：通用数字I/O/LCD段17输出脚（见注1）。P3.1/S16：通用数字I/O/LCD段16输出脚（见注1）。P3.2/S15：通用数字I/O/LCD段15输出脚（见注1）。P3.3/S14：通用数字I/O/LCD段14输出脚（见注1）。P3.4/S13：通用数字I/O/LCD段13输出脚（见注1）。P3.5/S12：通用数字I/O/LCD段12输出脚（见注1）。P3.6/S11：通用数字I/O/LCD段11输出脚（见注1）。P3.7/S10：通用数字I/O/LCD段10输出脚（见注1）。P4.0/S9：通用数字I/O/LCD段9输出脚（见注1）。P4.1/S8：通用数字I/O/LCD段8输出脚（见注1）。P4.2/S7：通用数字I/O/LCD段7输出脚（见注1）。P4.3/S6：通用数字I/O/LCD段6输出脚（见注1）。P4.4/S5：通用数字I/O/LCD段5输出脚（见注1）。P4.5/S4：通用数字I/O/LCD段4输出脚（见注1）。P4.6/S3：通用数字I/O/LCD段3输出脚（见注1）。P4.7/S2：通用数字I/O/LCD段2输出脚（见注1）。P5.0/S1：通用数字I/O/LCD段1输出脚（见注1）。P5.1/S0：通用数字I/O/LCD段0输出脚（见注1）。COM0：LCD公共输出端COM0。P5.2/COM1：通用数字I/O/LCD公共输出端COM1。P5.3/COM2：通用数字I/O/LCD公共输出端COM2。P5.4/COM3：通用数字I/O/LCD公共输出端COM3。R03：LCD模拟电平第四极输入脚（最低电平V5）。P5.5/R13：通用数字I/O/LCD模拟电平第三极输入脚（最低电平V3或V4）。P5.6/R23：通用数字I/O/LCD模拟电平第二极输入脚（最低电平V2）。P5.7/R33：通用数字I/O/LCD模拟电平第一极输入脚（最低电平V1）。P6.0～P6.7：通用数字I/O脚。RST/NMI：复位输入脚或非屏蔽终端输入端。TCK：测试时钟。TCK是芯片编程和测试的时钟输入脚TDI：测试数据输入。TDI用作数据输入。芯片的保护熔丝与TDI相连。TDO/TDI：测试数据输出。TDO/TDI作为数据输出或编程数据输入端。TMS：测试模式选择。TMS在芯片编程和测试时是输入脚。XIN：晶体振荡器XT1输入脚。可以连接标准晶体或晶体振荡器。XOUT/TCLK：晶体振荡器XT1输出脚。或测试时钟输出脚。注：当LCD模块控制位置位，不需要PxSEL位设置，LCD功能将自动被选择。4.2.3&&MSP430F149的扩展MSP430F149拥有6个8位并行接口且2个8位端口（P1、P2）有中断能力，完全可以实现系统所有信号的输入、输出，无需硬件扩展。在存储器方面，其内置FLASH（闪存，具有ROM的非易失性和EPROM的可擦除性）多达60KB，RAM多达2KB并支持JTAG仿真，真正实现了在线仿真调试，对于一般数控系统而言已经足够，所以也无需扩展外部存储器。4.2.4&&MSP430F149的复位及晶振电路设计。1 晶振电路MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、LCD显示、定时器、计数器等。数字控制振荡器DCO已经集成在MSP430内部，在系统中只需设计高速晶体振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。低速晶体振荡器(LFXTl)满足了低功耗及使用32．768kHz晶振的要求。LFXTl振荡器默认工作在低频模式，即32．768kHz，也可以通过外接450kHz～8MHz的高速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式，如图4-2所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image005.jpg图4-2&&低速晶体振荡器电路高速晶振也称为第二振荡器XT2，它为MSP430F149工作在高频模式时提供时钟，XT2最高可达8MHz。在本系统中XT2采用8MHz的晶体，XT2外接2个15pF的电容经过XT2IN和XT2OUT连接到MCU，如图4-3所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image007.jpg图4-3&&高速晶体振荡器电路2&&复位电路原理图手动复位是MSP430系统常用的功能，如图4-4所示file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image009.jpg图4-4&&复位电路3&&MSP430F149单片机与复位及晶振电路的连接图，如图4-5所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image011.jpg图4-5 MSP430单片机的复位电路及晶振电路4.3&&键盘与显示接口电路设计单片机系统中有两种显示方式，即静态显示和动态显示，静态显示的优点是显示效果好，编程简单，但由于输出的每一位都需要锁存，使用的硬件较多；动态显示方式中，每一时刻只有一位数码管被点亮，各位依次轮流被点亮，硬件电路简单，但由于需要不停地进行刷新显示，降低了CPU的效率，而且编程的工作量很大。为了解决动态显示中存在的问题，Intel公司研制出了专用的键盘、显示器接口电路芯片8279，该芯片采用单±5V电源供电，40脚封装，能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个16×8位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示[13]。4.3.1&&键盘、显示器接口电路芯片82798279芯片各引脚排列和功能图，如图4-6所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image013.jpg图4-6&&8279芯片引脚与功能图40根引脚其功能如下：DB0～DB7:双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。 CS:片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。WR:写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。IRQ:中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中，每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。SL0～SL3:扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字，这些可被编程或被译码。RL0～RL7:回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接，这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按键闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。 SHIFT:换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。CNTL/STB:当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平，对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFO RAM中。OUTA3～OUTA0及OUTB3～OUTB0:显示输出A口及B口，这两个口是16×4切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。BD:空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。VCC:+5V电源输入线。VSS:地线输入线。4.3.2&&显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管）和LCD（液晶显示器），也有采用CRT接口的显示方式。此电路采用采用LED显示器，通常它由8个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一贯人点或一个笔画发亮。控制不同的二极导通管，就能显示出各种字符。常用的七段显示器结构如图4-7所示：file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image015.jpg图4-7&&LED显示器发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的为共阴极显示器。如果加到各段阳极的代码不同，则显示器将会显示不同的字符和数字，这个代码称为段码，选择字型称为段选。下表4-1为七段共阴极显示器显示的数字，字符和对应的段码关系。注意，共阳极显示器的段码与共阴极显示器的段码事逻辑非的关系，应对表4-1中列出的段码求反。表4-1&&七段共阴极显示器的段码&&表示字符&&DP& &g& & f& & e& & d& & e& & b& & a段选码（H）00& & 0& & 1& &&&1& & 1& & 1& &&&1& & 13F10& & 0& & 0& &&&0& & 0& & 1& &&&1& & 00620& & 1& & 0& &&&1& & 1& & 0& &&&1& & 15B30& & 1& & 0& &&&0& & 1& & 1& &&&1& & 14F40& & 1& & 1& &&&0& & 0& & 1& &&&1& & 06650& & 1& & 1& &&&0& & 1& & 1& &&&0& & 16D60& & 1& & 1& &&&1& & 1& & 1& &&&0& & 17D70& & 0& & 0& &&&0& & 0& & 1& & 1& &&&10780& & 1& & 1& &&&1& & 1& & 1& &&&1& & 17F90& & 1& & 1& &&&0& & 1& & 1& &&&1& & 16FA0& & 1& & 1& &&&1& & 0& & 1& &&&1& & 177b0& & 1& & 1& &&&1& & 1& & 1& &&&0& & 07Cc0& & 0& & 1& &&&1& & 1& & 0& &&&0& & 189d0& & 1& & 0& &&&1& & 1& & 1& &&&1& & 05EE0& & 1& & 1& &&&1& & 1& & 0& &&&0& & 179F0& & 1& & 1& &&&1& & 0& & 0& &&&0& & 171P0& & 1& & 1& &&&1& & 0& & 0& &&&1& & 173=1& & 1& & 0& &&&0& & 1& & 0& &&&0& & 0C8( )0& & 0& & 0& &&&0& & 0& & 0& &&&0& & 000 通常显示器采用动态显示，就是一位一位地轮流电亮显示器各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间亮一次，显示器的亮度既与导通电流有关，也与点两亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这就是显示器的扫描过程。计算机以人眼不能分辨的速度轮流对个字位线输出低电平，即可在各位上显示出不同的字符和数字，从而实现扫描显示。这就称作位选。若显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极电位只需一个I/O口，L称为扫描口，控制显示器的各位所显示的字型也需一个8位口,称为段选数据口。4.3.3&&键盘接口原理键盘是由若干个按键作成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。其工作原理如下图4-8所示：file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image017.jpg图4-8&&键盘工作原理上图4-8左中控制信号=“0”则开放，可对键识别：当键松开，则测试信号=“1”，键闭合，测试信号=“0”控制信号=“1”，禁止，不能对键进行识别。图4-8右所示为4file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image019.gif4键盘结构，图中行线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线X0~X3（测试信号）都呈高电平。当键盘上某一键闭合时，则该键盘所对应的行线和列线短路。4.3.4&&MSP430与8279的连接由于本设计为两轴联动，需同时显示Z方向和X方向的位置信息，所以8279要能够控制16个LED数码管输出。键盘采用4file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image019.gif4键，在普通数控系统中已足用。8279芯片的8位数据口与系统数据总线DB0-DB7连接，在MSP430和8279之间传递命令或数据。8259的A0用来区分信息区分信息特征，当A0为0时，CPU从8279读出的是状态，写入的是命令；当A0=1时读出和写入的都是数据。8279内部有两个缓冲区，即一个8字节的FIFO（First In First Out）键盘RAM和一个16字节的显示RAM，显示数据时只要将待显示数据的段码写入显示RAM即可；当有键闭合时，8279会自动执行去抖、得到键值、等待按键释放等操作，最后将键值存入FIFO RAM中，程序只需从FIFO中读取键值即可。8279芯片的扫描线SL0-SL2与74LS138（3-8译码器）相连接用来扫描键盘行线，键盘的列线与5V电源连接并接入5.1K欧限流电阻，另一端与回复线RL0-RL7连接；同时SL0-SL3与74LS138（3-8译码器）相连接用来扫描8位LED数码管各阴极。8位输出线与集电极开路六正相高压驱动器74LS07相连接，需上拉电阻。具体电路如图4-9所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image021.jpg图4-9 8279与单片机MSP430的连接4.3.5&&7407驱动电路以及上拉电阻的计算由于7407为OC门正相高压驱动器，所以需要上拉电阻。已知七段数码管中的LED正常工作时的电流file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image023.gif，压降file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image025.gif=file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image027.gif，则上拉电阻file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image029.gif。具体电路如图4-10所示。 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image031.jpg图4-10 7407驱动电路4.4&&位置半闭环控制电路设计数控系统根据输入的加工程序，经插补运算获得位置指令脉冲，由伺服电机驱动装置和伺服电机通过减速机构以及滚珠丝杠使工作台移动，安装在伺服电机轴端的角位移检测装置即增量式光电编码器对电机实际角位移进行检测并进行反馈，与位置指令进行比较，用比较后的偏差进行后续控制，直到位置偏差为零时才停止工作台运动，这就是位置闭环控制系统。本设计将采用一款电机专用运动控制处理器LM629来进行横向及纵向的位置控制。4.4.1&&LM629专用运动控制处理器LM629是美国国家半导体公司生产的产品，它是全数字式控制的运动处理器。通过一片单片机、一片LM629、一个功率驱动装置、一只直流电动机、一个光电编码器就可以构成一个半闭环伺服系统。这样使得设计一个运动控制系统变得更加简便、轻松[14]。LM629芯片采用28引脚封装，使用5V电源工作，它有如下功能：1．内置32位位置、速度和加速度寄存器；2．16位可编程数字PID控制器；3．可编程微分项采样时间间隔；4．8位分辨率的PWM输出；5．内部梯形速度发生图；6．可以进行位置和速度控制；7．速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变；8．实时可编程中断；9．可对增量式光电编码器的输出进行4倍频处理和信号处理。4.4.2&&LM629各引脚功能与连接LM629的8位数据口与系统总线连接，用单片机来传送数据或控制指令。LM629的PS端口为1时，单片机可以向其写数据，为0时，单片机可以向LM629写指令或读其状态。单片机主要的工作就是向LM629传送运动数据和PID数据，并通过LM629对电动机的运行进行监控。LM629则根据单片机发来的数据生成速度梯形图，进行位置跟踪、PID控制和生成PWM信号输出。LM629的2个输出PWMS和PWMM经光电隔离后与电机驱动桥相连，来使电机运转，与此同时，安装在电机轴端的增量光电编码器进行角位移检测，其输出连接到LM629的A、B、file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image033.gif输入口，形成反馈环节。具体电路如图4-12。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image035.jpg图4-11&&LM629与单片机的连接4.5&&变频调速电路设计4.5.1&&变频器的控制方式变频器的控制方式主要有三种：1.通过变频器面板操作，即通过操作面板改变频率的输出和其他运行参数;2.在变频器模拟量输入端输入0～10V或4～20mA信号,通过改变输入模拟量的大小控制变频器的输出频率;3.通过变频器的通讯口(多为RS485)进行控制。使用单片机控制变频器可以选择后二种方式，采用通讯口方式控制，其优点是控制功能全面，通过相应的电平转换电路适合变频器的通讯口形式(RS484/RS232/CAN等)，就可与变频器进行通讯，硬件简单，二者间的连线数量少连接方便。缺点是需要了解掌握变频器的通讯协议才能进行控制编程，软件设计复杂。由于不同品牌的变频器通讯接口和通讯协议各不相同，目前尚没有统一的标准，只能针对一种变频器进行开发，缩小了变频器品种的选择范围，适用性受到限制。而对于模拟量输入控制方式，则几乎在所有的变频器中都能支持，虽然在功能上比较单一，但可实现调速的主要功能，能满足多数场合的使用要求，具有普遍性[15]。4.5.2&&用DAC0832数模转换芯片来控制变频器本设计选用DAC0832数模转换芯片来进行模拟量的输出，该芯片是美国国家半导体公司生产的8位集成电路芯片，采用20引脚封装，5-15V电源供电。DAC0832的引脚，如图4-13所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image036.jpg图4-12&&DAC0832的引脚DAC0832芯片有三种工作方式：双缓冲工作方式、单缓冲工作方式和直通工作方式。双缓冲方式的优点是数据接收和启动转换可以异步进行，单缓冲的优点是可以减少一条输出指令，由于本设计不要求多个模拟通道同时刷新模拟输出，因此采用单缓冲工作方式。DAC0832的基准电压选定为-10V，由于其输出为电流型，所以还要连接成电压输出方式，在本设计中为单极性输出。具体电路如图4-14所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image038.jpg图4-13&&DAC0832数模转换电路4.6&&继电器驱动电路设计在车床的数控化改造中，单片机要通过发送指令来控制主轴电机的正转、反转和停止，刀架的正转和反转和冷却泵的启停，这些执行电动机都是380V异步电机，其直接控制部件是交流接触器。根据交流接触器的特点：只要电磁铁两极和三相中的两相连接便可以使开关触合，所以可将两相中的一相接入直流继电器，即通过直流继电器的开闭来控制电磁铁的吸附。4.6.1&&MC1413七路OC门反相驱动器本设计选用12V直流继电器，由于单片机的驱动能力有限，所以还选用了MC1413七路反相驱动器。MC1413是个集电极开路(OC)输出的反向器，最大驱动电流可以达到500mA。在输出端接的是继电器时,9脚接到VDD上,这样可以防止继电器在接通或断开瞬间产生的脉冲损坏内部晶体管，因为如有脉冲将会通过内部二极管泄放掉。当MC1413的一个输入端为高电平时，它对应的输出端是低电平，与它连接的继电器电磁铁线圈得电，相应线圈就有电流通过，电磁铁产生吸附力使开关闭合，从而使交流接触器里的电磁铁线圈得电，使交流接触器闭合[16]。为了提高系统安全性和可靠性，直流继电器外部加入续流二极管IN4007，其耐压达到了1KV以及在MC1413和单片机之间还要加入隔离驱动电路。继电器驱动设计电路如图4-15所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image040.jpg图4-14&&继电器驱动电路4.6.2&&隔离放大电路设计选择7407作为驱动放大，光电隔离选择TLP521，当其工作在开关状态时压降为1.2V，输入电阻file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image042.gif为1K，电流最小转换率为50%，则光耦输出端上拉电阻file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image044.gif为:file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image046.gif，归一化后取file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image044.gif=6.6K。隔离放大电路如图4-16所示。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image048.jpg图4-15 隔离放大电路4.7&&直流电动机驱动电路设计4.7.1 光电隔离电路（1）光电耦合器(光电隔离器)简介光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而具有良好的电绝缘能力并能够有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，具有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等特点。光电隔离在强-弱电接口、特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号（数字信号）的传输，不适合于传输模拟量；线性光耦的电流传输手特性曲线接进直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。（2）相关设计与选用本设计选用6N135高速光耦与PWM信号连接，其最高转换频率可达1M赫兹，工作电压0-15V，典型的驱动电流为16mA，工作时LED压降为1.75V，电流最低转换率为50%。现以5V电源供电，计算光电耦合器的输入端电阻file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image044.gif和输出端电阻file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image051.gif。file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image044.gif=file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image053.gif（Ω），取整，得file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image044.gif=200（Ω）file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image055.gif=file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image057.gif=file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image059.gif=625（Ω），为了使输入端深度饱和以及归一化处理，可取file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image051.gif=1000（Ω）。4.7.2&&单极性可逆PWM电路设计（1）电路简介可逆PWM电路分双极性和单极性两种，前者有低速运行平稳的优点，但存在着电流波动大，功率损耗大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电机的控制。由于本设计选用的直流电机功率较大，尤其是在启动加速时刻，故选择后者。单极性驱动又分T型和H型，以H型应用最多。一般对中大功率的直流电机驱动电路可以用相应的MOS管和续流二级管（肖特基管）搭建H桥驱动电路。使用MOS管，其开关速度快，同时又是电压驱动型，驱动电路简单而且导通后内阻小，通过电流大，这样加在电机的电压就接近电源电压，使电机能正常工作。使用续流二级管，用来保护元器件不被感应电压击穿或烧坏，以及提供电机制动回路。（2）相关设计与选用根据第3章第5节内容可知，选用的直流电动机参数为：纵轴电动机：额定电压为90V，超载峰值电流为15.7A；根据以上参数，选用MOS管型号为：纵轴：IRFP250（200V 33A）；选用续流二级管型号为：10CTQ150-1（150V 10A），与门电路选用二输入端四与门74LS08,非门电路选用74LS06。纵向驱动电路如图4-17所示。 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image060.jpg图4-16&&纵向直流电动机驱动电路
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