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第五章 控制系统第五章 控制系统任何一个微机数控系统都是由硬件和软件两部分组成的，硬件是软件运行的基础，而只有配置了软件的硬件才是可以工作的控制系统。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件、合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。 随着电子技术的进步，微型计算机的发展突飞猛进。其发展之一就是将微处理器及其外围芯片，如程序存储器、数据存储器、并行、串行I/O口、定时器/计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中，制成单片机（Single Chip Microcomputer）。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CMOS化、低功耗、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。5.1 步进电机驱动器的选择步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切联系。驱动电源由唤醒脉冲分配器、功率放大器组成如图12所示：图12驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动地循环供给电动机的各个绕组，以驱动电动机的转子正反向旋转。从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增加到几至几十毫安，从而驱动步进电机运转。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确地控制步进电机的转角和速度。环形分配器输出的电流很小（毫安级），不能直接驱动步进电机，需要功率器将脉冲电流放大到几安培甚至几十安培，才能驱动电动机。放大电路对步进电机的性能起着非常重要的作用。功率放大的类型很多，从放大元器件来分，可以用功率晶体管、可关断晶闸管、混合元件来组成放大电路；从工作原理来分，有单电压、高低电压切换、恒流斩波、调频调压、细分驱动电路等。从工作原理上讲，目前用的最多的是恒流斩波电路。斩波恒流功率放大电路如图所示。该电路的工作特点是：Vin端输入方波步进信号，当Vin为“0”电平时，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（大林顿管）VT截止，绕组W上没有电流通过，采样电阻R3上没有反馈电压，A1放大器输出高电平；当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出点评的高低，来决定Vin信号能否通过与门A2。若VrefVf时，Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功管VT；反之，VrefVf时，Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。各点的波形图如图13所示：图13在这种控制方法中，绕组上的电流大小和外加电压大小+U无关，由于采用R3的反馈作用，使绕组上的电流可以稳定在额定的数值上，是一种恒流驱动方案，所以对电源的要求很低。驱动电路中绕组上的电流不随步进电机的转速而变化，从而保证很大的频率范围内，步进电机都输出恒定的转矩。这种驱动电路虽然复杂，但绕组的脉冲电流边沿陡，由于采样电阻R3的组织很小（一般小于1），所以主回路电阻较小，系统的时间常数较小，反应较快，功率消耗小，效率高。所以这种功率放大电路在实际应用中非常广泛。本次设计的数控系统装置采用了集成的斩波恒流功率放大元件SLA7026M，它构成了实用两相四拍步进电机的驱动电路。其中A、B、C、D是四线的控制信号的输入端，通过分压电阻R2、R3得到控制信号Vref，由芯片的REFA、REFB端输入；R5、R6是绕组电流采样点组（1），分别接在RSA、RSB端上，控制绕组电流；功率输出端OUTA、OUTB、分别接在步进电机的A、B、C、D的四个绕组上；VS为稳压管，用来防止输入电流超过额定值而损坏芯片和电机。另外，SLA7026M芯片内部设有光电隔离电路，间接起到了光电隔离的作用，所以不用在功率放大器前面再加光电隔离电路。CNC系统对步进电机驱动电源的要求是要能提供幅值足够、前沿较好的激磁电流，并且本身功耗小，效率高，运行可靠平稳。基于以上原则，作者采用了BQH-300型步进电机驱动器，该驱动器采用高压恒流斩波驱动方式，即在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测电路发出信号，该信号与来自PC机的脉冲信号经过与门综合后控制将高压电流接通，使绕组电流上升，当电流上升到上限值时，高压电源再自动断开，这样经过重复接通和断开使绕组电流的平均值增加。BQH-300型步进电机驱动器具有高频特性好、输出转矩大，功耗小，可靠性高和运行平稳的特点。驱动器内部具有过流保护线路，进一步提高了可靠性。驱动器由电源板和功放板两部分组成，具有体积小，结构紧凑，维修方便的特点。工作原理如图所示。图14 驱动器工作原理图信号输入光耦光耦相序分配专用芯 片整 形功 放步进电机用8255经光电隔离向三个方向的步进电机驱动器输出控制信号，进而控制三个方向步进电机的运动，如图4所示。其中， 8255的PA口的PA0、PA1作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制X轴步进电机的运动； PA2、PA3作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制Y轴步进电机的运动；PA4、PA5作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制Z轴步进电机的运动。A1A0D7D0PA0PLC图15输出控制电路RESETPB口PC口PA1A2PA3PA4PA5GNDVccX轴步进电机驱动器Y轴步进电机驱动器Z轴步进电机驱动器光电隔离PA0、PA1、GNDPA2、PA3、GNDPA4、PA5、GND5.2 变频器的选择5.2.1 外部结构VFO超小型变频器的外部结构如图16所示。图16 VFO超小型变频器的外部结构它主要包括接线端子和操作面板两大部分。操作面板用来进行内部控制方式的各种操作和各种参数的设置。接线端子使变频器和电动机、外部控制信号连接。常用控制信号接线端子的功能如表1所示。表1 常用控制信号接线端子的功能端子号端 子 名 称端子功能相关参数的设定值1频率设定用电位器输入端电位器的固定端接端子1、3，中心引线接2。调节电位器，即可改变设定频率P09:应设为22频率设定模拟量输入端3公共端5运行/停止输入端5与3导通，变频器RUN，否则STOPP08：应设为46正转/反转输入端6与3导通，电动机正转，否则反转10开路式输出端根据P25的设定值的不同，10、11接通的意义不同。详细说明请参考使用说明书。11开路式输出端A继电器触头输出端A-C为常开触头、B-C为常闭触头，根据P26的设定值的不同，触头导通的意义不同。详细说明请参考使用说明书B继电器触头输出端C继电器触头输出端5.2.2 运行方式VFO超小型变频器有内部运行和外部运行两种运行模式。内部运行模式由操作面板上的各种控制键实现变频器频率的设定和运行、停止以及正、反转控制。外部运行模式用连接在1、2、3端子上的外部电位器设定变频器的频率以及用连接在5、6与3之间的开关的闭合、断开来控制变频器的运行、停止和正反转。5.3 定位模块的选择选用FX2N-20GM脉冲发生单元（后面称作“PGU”），通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发脉冲，可实现两轴定位（可实现两轴联动控制）。作为PLC的一种特殊模块，可单独工作，也可与PLC连接使用。当与FX2N系列的PLC连接使用时，利用模块自带扁平电缆直接与PLC的扩展口或扩展模块扩展口连接；模块地址依与PLC连接的顺序从左往右分别为#0、#1、#2、；与PLC之间使用FROM和TO 指令传递数据与命令。5.4 其它辅助电路的选择5.4.1越程报警电路 为了防止机床行程越界，以至造成不必要的破环，所以在机床上设有行程控制开关。报警信号电路铲上的信号送至8031的中断口，当机床行程越界时，该越界信号就会传到中断口，从而使8031产生中断，即CPU会停下当前的任务，来执行中断操作。 5.4.2 掉电保护电路单片机在运行过程中，如果发生掉电将会丢失RAM和寄存器中的数据。为此设掉电保护电路。具体做法是当电源出现故障时，立即将有用的信息转到内部RAM中。信息转存通过中断服务程序完成。设置一个电压检测电路，当检测到电压下降时，通过或产生一个中断请求，单片机中断响应后，执行中断时服务程序便可把有用的信息送内部RAM中保护起来。单片机电源Vcc端接有滤波电容，掉电后，电容储存的电能尚能维持有效电压达几毫秒之久，足以完成掉电中断操作。信息转存立即接通备用设备维持内部RAM的供电，保护转存信息不被破坏。备用电源由单片机的Rst/Vpd引脚接入。为能及时接通备用电源，系统中接有自动切