小型数控钻床及其控制系统设计（含CAD图纸和说明书）
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第四章 步进电机控制系统设计 - 39 - 第四章 步进电机控制系统设计 本 零件加工小型数控钻床共有 3 台步进电机，其控制 采用单片机控制，其功能很强且价格低廉。控制系统包括 列单片机、 8253 接口芯片 、 分 。 现对各个部分介绍如下。 片机 单片机作为微型机算计的一个重要分支，应用面很广，发展很快。单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势将是进一步向着 功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 单片机是微型机的一个主要分支，它在结构上 的最大特点是把 储器、定时器和多种输入 输出接口电路集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算机。 单片机控制系统在生产过程中 ， 可以完成以下几种类型的工作 ： 1. 数据采集和处理 单片机系统对生产过程的某些参数进行反复地采样 ，采集的数据经数字滤波和标度变换等加工处理后 ， 变成以工程量纲为单位的实际参数值 ， 在人机接口设备上显示出来 ， 或者传送给其他控制系统使用 。 在出现异常现象时 ， 发出声光报警信号。 2. 逻辑和顺序控制 单片机系统根据输入信号的组合和先后顺序 ， 按照预定逻辑关系和定时 关系 ， 给出控制信号 ， 控制设备的动作。 3. 直接数字控制 单片机系统周期性地采集过程信号 ， 将被控制参数的当前值与给定值进行比较 ， 根据偏差量 ， 按照预定的控制规律做出控制决策 ， 自动调节被控系统的执行机构 ， 使被控参数给定值趋近。 4. 分布式控制 单片机带有内置的串行通讯接口 , 可以在完成对现场局部单机设备 进行实时监控的同时 , 将设备的运行状态通过通讯接口传送到上位机 , 以保证整个生产过程 的协调、稳定运行。单片机系统在生产过程中 , 可 第四章 步进电机控制系统设计 - 40 - 以用做现场监控设备和通信控制设备。 片机 的特点及 其应用 1. 单片机的特点 单片机 已经成为科技领域的有利工具，人类生活的得力助手 ，这与它自身的优点不无关系。 1） 有优异的性能价格比。 2） 集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。 3） 控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、 I/片机的逻辑控制功能及运行速度 均高于同一档次的微机。 4） 低工耗、低电压、便于生产便携式产品。 5） 外部总线增加了 一步缩小了体积，简化了结构。 6） 单片机的系统扩展系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 2. 单片机的 应用 正是由于单片机具有以上的优点， 它的应用便及各个领域 ， 主要表现在以下几个方面： 1） 单片机在智能仪表中的应用 ：单片机广泛的应用于各种仪器仪表，是仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度。简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2） 单片机在机电一体化中的应用：机电一 体化是机械工业发展的方向。机 第四章 步进电机控制系统设计 - 41 - 电一体化产品是集机械技术、微电子技术、计算机技术一体，具有智能特征的机电产品，例如：车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化智能化程度。 3） 单片机在时时控制中的应用：例如工业测控、航空航天、机器人、尖锐武器等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能可使系统保持在最佳工作状态，提高工作效率和产品质量。 4） 单片机在人类生活中的应用：自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如 洗衣机、手机、电冰箱、电子玩具、收录机等电器配上单片机后，提高了智能程度，增强了功能，倍受人们的喜爱。 此外，单片机应用的重要意义在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法从前必须由模拟或数字电路实现的大部分功能，现在已经用单片机通过软件方法来实现了。这种用软件代替硬件的控制技术，也称为微控制技术，是对传统控制技术的一次革命。单片微机数控以其功能强、体积小、可靠性高、价格低廉等优点在工业自动化中占有当地位，它已成为一个强有力的，能实现智能化的控制部件 。 为进一步提高教学质量，更好地实施素质教育， 培养学生的创造性思维能力、实际动手能力，设计一套功能齐全、结构简单、软硬件结构开放、成本低、有代表性的用单片机控制的数控机床实验系统是非常必要的。用该单片机控制的数控铣床教学对于培训数控铣床的操作者有着重大的实际意义。 片机的选用 最早的 8031、8051、 8751到后来的 8989容 乎所以单片机厂家的产品中都可以找到兼容 悉了 以适合绝大多数单片机应用场合 。 因此， 在此设计中，选用的是 8031单片机 。 031单片机的 引脚功能 第四章 步进电机控制系统设计 - 42 - 8031 单片机包含中央处理器、程序存储器 (数据存储器 (定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线 。 列单片机 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片， 8031单片机引脚 见图 4引脚功能如下： 1. 1） 外部扩展存储器时， 当做数据总线（如图 1中的 7为数据总线接 口）。 2） 外部扩展存储器时，当作地址总线（如图 1中的 7为地址总线接 口）。 3） 不扩展时，可做一般的 I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 图 4031引脚及其功能 2. ， 其内部有上拉电阻。 3. 1） 扩展外部存储器时，当作地址总线使用 。 第四章 步进电机控制系统设计 - 43 - 2） 做一般 I/内部有上拉电阻 。 4. 除了作为 I/内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存 器来设置。 的输入输出及 锁存器、中断、定时 /计数器、串行口和特殊功能寄存器有关 。 的第一功能和 一样可作为输入输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。 这里面的“上拉电阻”的作用 是 ： 当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果 在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。 5. 地址锁存控制信号 ： 在系统扩展时， 0口的输出低 8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数 据的隔离。参见 图纸 （ 8031扩展 2图中 相连接，当 以锁住地址的低位地址，即 6. _ 外部程序存储器读选通信号 ： 在读外部 实现外部 1)内部 2)外部 每个机器周期会动作两次； 3)外部 个 4)外接 7. 位信号 ： 当输入的信号连续 2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 8. 接晶振引脚 ： 当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 9. 电源 +5 10. 接地 。 第四章 步进电机控制系统设计 - 44 - 编程计数器 /定时器 8253 可编程计数器 /定时器的功能主要体现在两个方面： 一是作为计数器，即在设置好的记数初值后，便开始减 1 计数，减为 0 时，输出一个信号 ； 二是作为定时器，即在设置好常数后，便进行减 1 计数，并按定时常数不断的输出为时钟周期整数倍的定时间隔。两者的差别 是 ，作为计数器，在减到 0 以后输出一个信号便结束；而作为定时器，则不断产生信号。 253的引脚 8031芯片 的 引脚 如下 图 ： 图 4031引脚及功能 （ 1） 计数器 0 计数器的 0的时钟输入 ； 计数器的 0的门脉冲控制输入 ； 计数器的 0的输出 。 （ 2） 计数器 1 计数器的 1的时钟输入 ； 计数器的 1的门脉冲控制输入 ； 计数器的 1的输出 。 （ 3） 计数器 2 计数器的 2的时钟输入 ； 第四章 步进电机控制系统设计 - 45 - 计数器的 2的门脉冲控制输入 ； 计数器的 2的输出 。 （ 4） 253的片选信号，输入低电平有效。 253的工作模式 8253作为一个可编程的计数器 /定时器，可以用 6种工作模式。具体如下： （ 1） 模式 0 计数结束产生中断 ； （ 2） 模式 1 可编 程的单稳态触发器 ； （ 3） 模式 2 分频器 ； （ 4） 模式 3 方波发生器 ； （ 5） 模式 4 软件触发的选通信号发生器 ； （ 6） 模式 5 硬件触发的选通信号发生器 。 模式 3 和模式 2 的工作类似，但输出为方波或者基本对称的矩形波。模式3具有以下特点： 1） 当输入控制字以后，输出端 入初始值以后，下一个时钟脉冲到来时，计数执行部件获得初始计数值，并开始作减 1 计数。当计数到一半时，输出变为低电平，计数器继续作减 1 计数，计数到终值时，输出变为高电平，从而完成一个周期。之后，马上自动开 始下一个周期，由此不断进行下去，产生周期为 2）当计数值 出端的高低电平持续时间相等，所以，为完全对称的方波。当计数值 N 为奇数时，则输出端的高电平持续的时间比低电平持续的时间多一个时钟周期，即高电平持续（ n+1） /2，而低电平持续（ ，这样，输出为矩形波，而整个输出周期仍为 3） 时，计数进行。 时，计数停止。如果输出为低电平时，门控 为低电平，则输出端会立即变为高电平，而不需要等一个时钟周期，此时，计数停止，而输出仍为 高电平。在 为高电平后，下一个时 第四章 步进电机控制系统设计 - 46 - 钟脉冲到来时，计数执行部件重新得到计数初值，从而又开始新的计数。这种情况下，通过门空心好事计数器进行同步，称为硬件同步。 4如果门控 么，在写入控制字和计数值后，将在下一个时钟脉冲时，计数执行部件获得计数初值并开始计数，这种情况下，称为软件同步。 4）正在计数时，如果写入新的计数值，那么，将不影响当前输出周期。但是，如果输入新的计数值后，又受到门控上升沿的触发。那么，就会结束当前输出周期，而在下一个时钟周期时，计数执行部件获得新的初值，并按新值开始计数。 冲分配器及功率放大电路 由 8253发出的是一路脉冲，而步进电机的工作方式是三项六拍。因此，需要将 8253发出的这一路脉冲，均匀、对称的分为三路脉冲 ， 分别输入步进电机的三相 绕组，保证电机的通电顺序按一定规律变化。 这就是环形脉冲分配器的作用所在。 又由于， 从环形分配器输出的信号脉冲电流只有几毫安，不能直接驱动步进电动，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增达到几至十几倍，从而驱动步进电机运转。 制图说明 片机部分 单片机选用的是 51 系列的 8031 单片机，但是这种 单片机现在应用已经很少了，市场上可能已经很难买到，制板的时候如果买不到可以更换成 8989纸还是一样的，接线方法也一样，只需要换掉芯片即可。 8031 的 作数据输出口与 8253 的 7 口连接，用于往 8253 中写入控制字，计数次数等。 用作控制信号输出端口，需接上拉电阻，图中采用的是 10中： 第四章 步进电机控制系统设计 - 47 - （ 1） 253的 于 8253的三个计数单元控制寄存器共用一个端口地址，故往 8253中写入计数次数时，需要 （ 2） 253的门控信号 于控制计数器的启动和工作，从而控制电机的转动和停止。由于工作方式不同，门控信号 有效方式也不相同。一般情况下， ，禁止计数器的计数单元 应的 机停止；，允许计数器工作，相应的 机转动。 （ 3） 脉冲分配器 元连接，控制电机的正反转。 （ 4） 与 8253三个计数单元的 连接： 以用于为 8253提供计数的基准脉冲，每来一个脉冲的上升沿，计数器进行一次减 1操作。 （ 5） 2是外部晶振信号的输入端，如图所示，晶振的大小按电机的转速选择，由于 8253允许的计数频率在 05选择的晶振不应大于 5个电容一般选择 205 （ 6） 于控制单片机的启停。 （ 7） 输入信号，低电平有效。与 8253对应的 253部分 在本设计中 8253用于脉冲信号发生器，为环形分配器提供输入脉冲。8253 有 6 种工作方式，此处应该让其工作在方式 3，
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