（机械电子工程专业论文）基于单片机的标记打印机的研究与开发.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 在产品质量管理工作中，很重要的一条就是零件的寿命预测和质量跟踪服务，这就 要求在一些重要零部件的表面上有唯一标识，以便对其进行有效的跟踪管理，满足现代 质量管理体系的要求，确保产品质量。气动标记打印机是近年来出现的一种对产品表面 进行标记的机电一体化产品，它集机械、电子、计算机等技术于一体。由于其应用范围 广、功能强且打印标识不易被仿制等一系列优点，使其在最近几年内得到了较大范围的 应用和普及。 目前，标记打印机主要分为气动标记机和激光标记机两种。气动标记机是利用空气 压缩机和一个气阀控制打印头上下振动，在工件上打下标记。激光标记机是利用激光的 热效应烧蚀捧物体表面材料从而留下永久标记的技术。但无论是气动标记机还是激光标 记机，它们的控制原理大体上是一样的。运动控制器经历了硬件数控( n c ) 和计算机 数控( c n c ) 两个发展阶段，9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展，性价比不断 提高，基于计算机的数控系统已成为控制系统发展的主流。现在的标记机采用微机 ( p c 机) 控制，具有完善的图形处理能力，但每台标记机需配备一台工控p c 成本较 高。本文将讨论用单片机代替p c 机控制运动，让单片机成为下位机，并通过串行通讯 口接收上位机( p c 机) 的控制数据，一台p c 机可以控制多台单片机，大大提高了标记打 印机的性价比。 本文所完成的主要工作如下：( 1 ) 步迸电机驱动电路的研究。( 2 ) 系统控制方案设 计。( 3 ) 硬件系统设计。单片机的选择，存储器的扩展、串行通信电路设计、键盘及显 示电路设计。( 4 ) 软件系统设计。打印字符文件的建立、矢量字符的存储方式。将这些 字符文件转化成标记打印机的加工程序。 关键词：单片机，步进电机，矢量字符，硬件系统 沈阳丁业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f m a r k i n g p r i n t e rb a s e do ns c m a b s t r a c t i nt h em a n a g e m e n to f p r o d u c tq u a l i v ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t h a tl i f ep r e d i c t i o na n dq u a l i t y f o l l o w - u ps e r v i c eo f t h ep a r t ，t h i sr e q u i r et h a ts o m ei m p o r t a n tp a r t sm u s t h a v et h eo n l ym a r ko f i t s e l fo nt h es u r f a c e mo r d e rt oc a r r yo ne f f e c t i v ef o l l o w i n ga n dm a n a g i n gf o ri t t h i s m a n a g e m e n t c o u l dm a k et h ep a r tm e tt h er e q u e s tf o rt h em o d e m q u a l i t ym a n a g e m e n ts y s t e mt o g u m - a n t e e p r o d u c t q u a l i t y t h e p n e u m a t i c m a r k p r i n t e r i s a k i n d o f i n t e g r a t e d p r o d u c t s o f e l e c t r o m e c h a n i c st h a tc a l lt l k a k et h em a r ko nt h ep r o d u c t ss u r f a c ei nr e c e n t l yy e a r s i tm a k em a n y t e c h n o l o g yi n c o r p o r a t e s ，s u c ha sm a c h i n e r y ，e l e e t r o r t , c o m p u t e r , e t c b e c a u s ei th a sa s e r i e so f a d v a n t a g es u c ha st h ew i d e l yr a n g eo fa p p l i c a t i o n ，t h eb i gc a p a c i t y ，t h es t r o n gf u n c t i o na n d e a s i 坶i d e n t i f i c a t i o n 啦n 圯s ea d v a n t a g e sm a k em a r k i i l gp r i n t e rg o t 娟d ea p p l i c a t i o n a n d p o p u l a r i z ei nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t , t h e r ea r et w ok i n d so fm a r kp r i n t e r ：p n e u m a t i cm a r k i n gp r i n t e ra n dl a s e r m a r k i n gp r i n t e r p n e u m a t i cm a r k i n gp r i n t e ru t i l i z e st h ea i rc o m p r e s s o r a n dap n e u m a t i cv a l v e m a r k i n g o nt h ew o r k p i e c et l - o u g hc o n t r o l l i n g t h em a r k i n gh e a dv i b r a t i o nu pa n dd o w nl a s e r p r i n t e r l e a v e p e r m a n e n t m a r k o n t h e p a r t s u r f a c e w i t h h e a t e f f e c t o f l a s e r a b l a t e d b u tr i o m a t t e r p n e u m a t i cp r i n t e ro rl a s e rt h e f tc o n t r o ls y s t e ma r es i m i l a r t h em o v e m e n t c o n t r o l l e rh a sg o n e t h r o u g ht h en u m e r i c a lc o n t r o lo f t h eh a r d w a r e 州c ) a n dt w od e v e l o p i n gs t a g e so fc o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) s i n c et h e19 9 0 s ，w i t hc o m p u t e rd e v e l o p m e n t a tf u l l s p e e d o f t e c h n o l o g y ，c o s t 唧o r n m c e r a i s e c o n s t a n t l y ，t h en 啪e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do n c o m p u t e r h a sa l r e a d yb e c o m et h em a i n s t r e a mo fc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t a tp r e s e n tw eb s et h e c o m p u t e r ( t h ep c ) t o c o n t r o lt h em a r k i n gm a c h i n e i th a sp e r f e c tg r a p hp r o c e s s i n ga b i l i t y ，b u ti f e a c hm a r k i n gm a c h i n es t e e d so n ec o m p u t e r , t h ec o s tw i l lb ev e r yh i s h 1w i l ld i s c u s st h a tt h e s i n g l ec h i pr e p l a c e st h e p ct oc o n t r o lt h es p o r t ，l e tt h es i n g l ec h i pb e c o m et h en e x tm a c h i n e ，a n d i tg ot oc o n t r o ld a t ao fl o c a t i o np l a n e ( p c ) t oa c c e p tt h r o u g h s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm t e r n c e ， t h e no n ep cc a nc o n t r o lm a n ys e t so fs i n g l ec h i p t h ec o s tp e r f o r m a n c eo fm a r k i n gp r i n t e rh a s b e e ni m p r o v e d g r e a t l y 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ti sa sf o l l o w s ：( 1 ) r e s e a r c h i n gt h ec i r c u i td r i v e ro ft h ew a l k e l e c t r i c a lm a c h i n e r y ( 2 ) d e s i g nt h es y s t e mc o n t r o l sm e t h o d ( 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m i t c o n t a i n sh o wt oc h o o s et h es i n g l ec h i p ，e x p a n dt h er o ma n dd e s i g nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n a n dk e y b o a r ds h o w i n gc i r c u i t ( 4 ) d e s i g nt h es o f l w a l = e s y s t e m h o wt os e t - u p t h ep r i n t c h a r a c t e r sf i l e sa n dm a k et h em e m o r yw a yo ft h ev e c t o rc h a r a c t e r d e s i g nt h em e t h o dw h i c h c a l lt r a n s f o r mt h ev e c t o rc h a r a c t e rt op r i n td a a r a c t e r t h em a i nc o n t e n to f t h i st e x ti sa sf o l l o w s ： ( 1 ) r e s e a r c h i n gt h e c i r c u i td r i v e ro ft h ew a l ke l e c t r i c a lm a c h i n e r y ( 2 ) d e s i g nt h es y s t e m c o n l r o l sm e t h o d ( 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m ，i tc o n t a i n sh o w t oc h o o s et h es i n g l ec h i p ， e x p a n d t h er o ma n dd e s i g nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dk e y b o a r ds h o w i n gc i r c u i t ( 4 ) d e s i g n t h es o f t w a r es y s t e m h o wt os e t - u pt h ep r i n tc h a r a c t e rf i l ea n dm a k et h em e m o r yw a yo ft h e v e c t o rc h a r a c t e r d e s i g nt h em e t h o dw h i c h c a nt r a n s f o r mt h ev e c t o rc h a r a c t e rt o p r i n t c h a r a c t e r ， k e yv o r c l a ：s 岫出c h i p ，s t e pm o t o r ，v e c t o r c l a a r a c t e r ，l t m x l w a r e s y s t e m 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：鸯叁整 日期：盈监! 亟2 垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：均度塾 导师签名：霍缝丝 日期：珈哆r - 哆口2 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 项目的研究背景 1 1 1 工业标记技术的发展及应用现状 在机械成品和半成品加工过程中，为了及时而准确地识别产品的零部件，往往需要 在自己的产品上标以明显的标志或记号，因此标记打印加工是机械制造过程中的重要工 序之。过去，大多靠手工在产品上建立各种字符、图形等。采用人工方式速度慢，图 案单调，在复杂的环境下难以进行，不利于现代化操作流程。 传统的工业零部件标记打印，一般多是采用字模冲压、电化学腐蚀、电火花加工。 这些方法，不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达到同一规格，所以废品率极 高，尤其难以适应现代化大生产的需要。随着计算机技术、自动控制技术、传动技术及 d 技术的发展，在成批、大量的现代化生产过程中，标记设备采用自动控制方式已 成为主流。所以一种较为先进的激光打印技术，在西方一些工业先进国家应运而生，随 后在我国也得到发展应用。 激光打印技术，虽然较好地克服了传统工艺的许多缺点，但由于受到激光器本身寿 命低与在环境恶劣的生产现场缺乏长期稳定性工作特点的制约，同时，由于有色金属对 激光的吸收较差，打印深度浅，所以这一方法不能满足生产实际的需要，除特殊材料如 金刚石、硬质合金或对打印深度无特别要求的场台外，未能得到普及推广。 为弥补上述方法之不足，适应现代化大批、大量生产发展的需要，出现了一种全新 的工业标记打印工艺气动标记打印工艺。气动标记打印机是由计算机控制打印针运 动的高速打印设备，目前共有标准型、便携型和生产线型三种。第一种适用于中小件； 第二种适合大、特型件；第三矛孛则适用于流水线生产。它所用的高速电磁阈，能以每秒 3 0 0 次的频率开关压缩空气，从而可使打印针也按此频率往复冲击，使工件表面( 包括 平面、弧形面、凸形或凹形表面) 打印出密集点阵构成的字符或图形。其打印深度最高 可达2 m m ，速度为每秒3 5 个2 号字符，平均无故障工作时间达1 0 0 0 0 h ，具有灵活、 可靠性高和易于掌握的特点。从1 9 8 8 年之后，这工艺便在一些西方国家相继采用，特别 是在汽车、摩托车行业得到迅速推广。像美、日。意、德、法等国的通用、福特、克莱 沈阳工业大学硕士学位论文 斯勒、丰田、本田、菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙、雅马哈等汽车、摩托车制造厂，均 都大量采用。我国汽车、摩托车( 集团) 公司近年来也有了应用与发展。相比较而言， 气动和电动相结合的方式由结构简单，成本低，可控性好，速度快，特别适合于对标记 速度有较严格要求的流水线作业场合，并能方便地控制标记内容的深度“。气动标记机 结构如图1 1 所示： 气动标记打印工艺之所以受到广大用户欢迎还在于它所独有的防伪功能。首先是它 所打印的标记易于识别，其次是打印设备和标记本身的唯一性无法仿制。以上这些，对 于辨别机件真伪，维护企业质量信誉，是相当重要的。伴随市场经济的发展，商品竞争 已成为必然。因此，一些假冒伪劣产品，势必要鱼目混珠，乘隙丽入。在生产中采用这 种气动标记打印工艺，则可便于识别真伪，是企业防伪打假的好帮手。近年来，气动工 业标记打印系统设备，已为国内众多用户所欢迎。目前，中国一汽集团、天津夏利、神 龙富康、中国嘉陵工业公司( 集团) 、中国建设工业( 集团) 公司、中国轻骑集团、上 沈阳工业大学硕士学位论文 海易初摩托车有限公司、华日集团、长安铃木汽车有限公司、庆铃汽车股份有限公司等 己普遍使用了气动工业标记打印机。 1 1 2 工业标记技术新需求 随着现代加工技术的飞速发展，零件表面的加工已达到了相当高的水平，这就对工 业标记技术提出了更高的要求，设计出具有模块化、高精度、高效率、高可靠性特点的 高度自动化工业标记设备是现代化生产线新的需求。 ( 1 ) 模块化 为扩大气动标记打印机的使用范围和适应小批量多品种的需要，加速气动标记打印 机功能部件的标准化、模块组合化成为了气动标记技术的新趋势。采用模块化的元器 件，一方面可以根据用户要求选择各种模块，并以搭积木的方式将它们组合为一个完整 的元器件，另一方面还十分便于将来对机器的功能和规模进行扩充。 ( 2 ) 高精度 工件标识的效果应该清晰易于识别，而标识的效果主要是由打印执行元器件的精度 决定的。随着执行元器件精度的提高，工件表面的标记质量也相应提高。 ( 3 ) 高效率 打印图形和字符的规则是影响打印加工效率的决定性因素，传统的打印规则是按照 字符点阵的形式进行的，也就是逐行或逐列扫描打印，这样空行程就较多，效率较低。 如果按照图形和字符的轨迹打印，将大大减少空行程，效率明显提高。 ( 4 ) 高可靠性 作为产品综合质量的一个重要方面，标识质量的好坏对产品的市场竞争能力有直接 的影响。为了便于识别和管理零件，需要在其表面打印永久性标记号，模糊易涂改的标 识既损坏了企业形象又给假冒产品提供了可乘之机。 ( 5 ) 高度自动化 传统的一些工业标记方法具有固定的图形库和字符库，只能对简单图形、细小图形 和数字字符进行标记，对于任意复杂的图形和字符就不再适用了。而实际情况是标记的 图形和字符必须随着所要完成标记任务的不同而改变，需要实时、自动地对任意图形和 字符进行处理。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 2 单片机对步进电机的控制 1 2 1 步进电机的发展及应用 自二十世纪中叶，步进电机的应用己渗透到数字控制的各个领域，这是因为步进电 机具有很多不可替代的特点： ( 1 ) 具有一定的开环控制精度，系统简单廉价，步进误差不长期积累。 ( 2 ) 无刷，电机本体部件少，可靠性高。 ( 3 ) 易于启动、停止、正反转及变速控制，而且响应性也好，停止时可自锁。 ( 4 ) 步距角选择范围大，同时用一台控制器控制几台步进电机也可使它们完全同 步。 ( 5 ) 与计算机接口方便。基于以上性能优点，步进电机较早成为了典型的机电一体 化元件组件2 、1 1 。 在标记打印过程中，步进电机是作为执行元件来进行工作的。在工作的过程中步进 电机将根据控制程序的指令，做出响应的动作，完成扫描。 1 2 2 步进电机的控制系统 由于步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电 机控制系统中需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。脉冲的多少由控制对象运行轨迹计算 而得，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有 足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步地启停，要求 控制系统具有升降速控制环节。除了上述备环节之外，还有和键盘、纸带阅读机、显示 器等输入、输出设备的接口电路及其它附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的 接口电路。 在早期的数控系统工程中，上述各环节都要由硬件完成。但目前的机床数控系统， 由于采用了小型和微型计算机控制，上述许多环节如升降速控制、脉冲分配、脉冲产 生、插补运算等都要可以由计算机完成，使步进电机控制系统的硬件电路大为简化。 系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制码程序，输入的代码由计算机解释。显 示器用来显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。存 储器用于存放监控、解释、插补运算、故障诊断、脉冲分配、键盘扫描、显示驱动等程 沈阳工业大学硕士学位论文 序及用户控制码程序等。功率放大器用以以计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步 进电机带动负载运行。 c n c 系统由于硬件电路大大简化使其可靠性大大提高，而且使用灵活方便。但由 于种种原因很多功能由软件来完成，所以对计算机字长和运算速度有一定的要求。目 前，由于微型计算机运算速度的提高( 如m c s 5 1 系列单片机主频可达1 2 m h z , 执行一 条单字节指令只需l l x s ) ，因此在机床简易数控中，采用8 位于单片机己能满足于要求。 但在多坐标( 如4 个坐标、5 坐标等) 控制系统及连续轮廓控制系统中8 位于c p u 的速度 仍不够，这时可采用如下方法： ( 1 ) 工业选用高速1 6 位( 如i n t e l8 0 8 0 8 0 8 8 ) a c s 5 1 系列单片机) 和3 2 位微处理机。 ( 2 ) 适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻c p u 的负担。 ( 3 ) 采用多微处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。 1 2 3 单片机对电动机控制所起的作用 工业控制计算机可谓功能最强大，它有的速度、强大的运算能力和接口功能、方便 的软件环境；但由于成本高、体积大，所以只用于大型控制系统。 现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。实际上可作为电动机控制器的元件还有 许多种，例如工业控制计算机、可编程控制器( p l c ) 、数字信号处理器( d s p ) 。 可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。由于 功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。 单片机介于工业控制计算机和可编控制器之间、它有较强的控制功能、低廉的成 本。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能需要的同时，优先选择成本低 的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世 界上每年要有2 5 亿年各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理 器f 4 】。微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下特点： ( 1 ) 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。采用微处理器后，绝 大多数控制逻辑可通过软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 沈阳工业大学硕士学位论文 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有 能力实现复杂的控制，如优化控制等。 ( 3 ) 灵活性和适应性 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必改变系统 的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数， 非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都 可以保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可提供人机界面，多机联网工作。 l _ 3 单片机的发展状况 单片机产生于2 0 世纪7 0 年代。在我国经历了7 - , 8 0 单板机时代和m c s 5 1 单片机时 代。现在老的m c s 5 1 时代已l 渐渐过去了，薪一代的各种各样的单片机不断出现，以至 于无法给出哪一种单片机最好。新型单片机都具有如下特点。 ( 1 ) 功能得到极大的增强 许多单片机生产公司将1 6 位单片机的性能下移到8 位单片机，在单片机的内部增 加了如p w m 口、比较和捕捉功能、a d 转换器等，并增加了看门狗、各种串行总线接 口等功能，使新一代的单片机功能更强大。 p w m 口广泛地应用在直流电动机控制中。它一经初始化设定后会自动地发出p w m 控制信号，c p u 只在需要调整参数时才介入。 在有模拟信号存在的情况下( 例如用直流测速发电机测速，或测量电动机绕组的 输出电压或电流) ，如果要将模拟信号输入单片机，a d 转换器是必不可少的，将a d 转换器集成在单片机内，将带来极大的方便。 电动机是一个电磁干扰源。电动机的启停还会影响电网电压的波动，它周围的电器 开关也会引发火花干扰。因此，除了采用必要的隔离和电路板合理布线等措施外，看门 狗的功能就会显得格外重要。看门狗在工作时不断地监视程序运行的情况，如果程序 “跑飞”，会立刻使单片机复位。 沈阳工业大学硕士学位论文 近年来，单片机的一个重大变化是出现了各种同步串行总线，如s p i 总线、1 2 c 总 线。同步串行总线由于使用的信号线少( 如s p i 使用3 条信号线，i 2 c 总线使用2 条信 号线) ，所以电路占用电路板的面积大大减小，与并行总线相比，其信号受干扰的可能 性也小，还有一个最突出的优点是单片机可利用的引脚相对增多。这就是同步串行总线 风靡起来的原因，它大有取代并行总线之势。在电动机的控制中，要用到键盘和显示器 作为为机界面，有时还要用到外接存储器，这是使用有同步串行总线接口的芯片将会大 大减小电路的尺寸，降低成本1 5 j 。 ( 2 ) 速度的提高 速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单片机对电动机进行控制，经常 采用一些优化算法，如数字p i d 控制、数字滤波等。对于实时性很强的控制，速度低的 单片机往往不能胜任。新一代单片机的速度比老式单片机的速度提高了1 倍多，例如， p m m s 公司生产的8 9 c x x 系列8 位单片机的工作频率已达到4 8 1 , 仆1 z 。 单片机速度提高的原因是采用了流水线技术，执行指令与提取指令可同时完成。另 外，有些单片机采用了r l s c ( r e d u e e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构技术。使指令执行的速 度得到提高，如美国国家半导体公司的c o p s s k 系列8 位单片机、美国m i c r o c h i p 公司 的p i c 系列8 位单片机。 ( 3 ) 小型化和低功耗 采用同步串行总线可以减少无用的引脚，另外，由于采用了内部f l a s h 存储器。没 有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都使单片机引脚的数目可以大大减少。这样一 来，方面提供了更多的引脚作为f o 口使用，另一方面也可以去掉众多引脚而使芯片 小型化。例如，美国m i c r o c h i p 公司推出2 引脚和1 8 引脚的8 位p i c 系列单片机；台湾 义隆公司的1 8 引脚的8 位e m 7 8 系列单片机；a t m e l 公司生产的2 0 引脚的8 位 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。小型化的单片机给用户提供了低成本、电路尺寸小的选择。 单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有体眠省电工 作方式，一些单片机还采用3 v 电压供电，这些措施都可以减少单片机耗电。这对于移 动设备的电动机控制提供了帮助。例如：数码摄像机、便携式视听设备、笔记本电脑中 的光盘驱动器和磁盘驱动器等。 沈阳工业大学硕士学位论文 过去多数人认为8 位单片机不适合作为电动机的控制器而转向使用1 6 位单片 机，但是现在应当刮目相看了。由于8 位单片机的功能和速度都与1 6 位单片机不相上 下，而且价格便宜，易于与占多数的8 位芯片接口，同时越来越多的电动机专用集成电 路的使用使单片机减轻了许多沉重的负担。因此，8 位单片机会成为普通电动机控制的 主流处理器。 1 4 电子功率器件对电动机控制所起的作用 电力电子技术和功率半导体器件的发展对电动机控制技术的发展影响极大，它关系 到电动机的功率驱动。电力电子功率器件经历了从半控( 只能控制“开”不能控制 “关”) 到全控阶段，从电流控制到电压控制( 场控) ，从几k h z 到5 0 0 k h z 以上的开关 频率的变化；而电动机的控制也相应地从相控变流到脉宽调制和变频技术同。 从2 0 世纪7 0 年代开始，先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器件，如可关 断晶闸管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了效率和可靠性。原来谐波成 分大、功率因数差的相控变流器已逐步由斩波器或p w m 变流器取代，使电动机的调速 范围明显增加。例如，利用g t r 的直流电动机p w m 调速系统的最大调速比可达1 ： 1 0 0 0 0 ；而用普通晶闸管的最大调速比约为1 ：1 0 0 。 其后又出现了功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸 管0 g c t ) 等，形成第三代功率器件。这些新型功率器件采用场控，工作频率可以更高， 驱动电路更简单。它们在逐步取代g t o 和g t r 。 然而发展并没有就此停止，号称第四代的功率集成电路已崭露头角。功率集成电路 是电力电子技术与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控 制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功 能，因此又称智能功率集成电路。 与分立功率器件组成的电动机驱动相比，智能功率集成电路体积小重量轻，但功能 强大，很有可能将驱动器安装在电动机内部，形成一种“电子电动机”。减少了电器元 件数量，可提高系统的可靠性。内部集成的检测电路、诊断电路和保护电路增加了系统 的可靠性。控制电路与功率电路集成在一起，使监控更容易实现。 集成化使电路参数优化，避免在使用分立元件时，因不同厂商的产品所带来的兼容 沈阳工业大学硕士学位论文 性问题。集成化使电路的架线减少。减少了分布电容和分布电感及信号传输的延时，从 而增加了系统抗干扰的能力。使用集成化取代分立元件来实现的这些功能，将大大降低 系统成本。 半导体功率器件发展的另一个方向是称之为智能功率模t 呋：( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e 简称i p m ) 。它是将多个( 或单个) 功率器件组成半桥或全桥，并集成了快速恢复二极 管、栅极( 或基极) 驱动电路、保护电路，而形成的一个混合模块。所有这些都使电动机 的驱动走向了集成化。 电动机的控制技术与微电子技术、电力电子技术的结合使其发展成为一门新的技 术，即运动控制。由于有微处理器和传感器作为系统的组成部分，赋予了系统以智能， 所以又称为智能运动控制。它作为一门多学科交叉技术而存在。当每种技术出现了新的 进展时，都使它向前迈进一步，因此电动机控制技术的进步是日新月异的川。 1 5 标记打印机的控制方案分析 在标记打印机中，是通过对步进电机的控制来完成打标工作的，打标控制器是整个 系统的核一i i , ，控制器经历了硬件数控( n c ) 和计算机数控( c n c ) 两个发展阶段，9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展，基于计算机的数控系统己成为控制系统发展的 主流。而采用单片机的控制，因为其良好的性价比，近年来发展比较迅速。 1 5 1 采用工业p c 机控制方案 使用计算机控制是现有标记打印机的控制方案，系统结构图如图1 2 所示，整个系 统由上位机( 工业p c 机) 、步进电机控制卡，步进电机驱动器等组成。下面介绍各部 分功能： 上位机：上位机( 工业p c 机) 通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，可向控 制卡发送位置、速度、加速度命令。 接口控制卡：控制卡根据上位机的命令产生脉冲序列，脉冲个数( 位置) 、频率 ( 速度) 及频率变化率( 加速度) 均受上位机控制。 沈阳工业大学硕士学位论文 计算机接口控制 一鬻e 一电磁阀 图1 2 计算机拄 右! l 的打标系统 步进电机驱动器：步进电机驱动器根据接受的脉冲信号产生多拍节脉冲驱动信号控 制步进电机旋转。 系统的操作流程为用户先使用图形处理软件设计出打标的图样，再使用打标控制软 件标刻出相应的图形【8 】。 1 5 2 采用单片机控制方案 用计算机控制打标系统可以处理复杂的图形文件，但作为功能十分强大的上位机大 部分时间只是在输出简单的控制脉冲信号，造成了资源的浪费，另外，上位机通常采用 工业p c 机，价格昂贵，增加了整个系统的成本。另外，p c 机体积偏大，重量较重，不 利于标记机的小型化。由于采用软件控制，不够直观，并且要求操作人员具备一定的电 脑知识，造成操作上的不便。而且大部分标记机的打印，复杂程度都不是很高。 基于以上的考虑，我们研究了一种新的控制系统，采用单片机作为控制系统的核 心，利用硬件直接实现高精度定时并行输出控制信号。其最大的优势在于实现的成本 低，而且控制器的体积小，特别有利于标记机的小型化。并且此种方案采用硬件实现高 精度定时，抗干扰能力强，输出更加稳定，比较适用于复杂的工业环境【9 j 。 我们发现，虽然用单片机控制方案成本比较低，稳定性好，但受到其自身的处理能 力的局限，其功能上却相对简单，不能完成较复杂的功能，单片机控制器只能完成几种 简单的图形( 如直线、圆弧) 打标，缺乏处理图形文件的能力。且打标内容的变更不容 易，一般不能支持多种图形格式的打标，而且打标的过程和打标的内容进行保存以及统 计分析比较困难1 0 、1 1 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 3 单片机和计算机相结合的控制方案 通过对以上两种控制策略的对比，我们决定设计一种将微机控制和单片机控制相结 合的混合控制模式打标系统。由于图形处理算法复杂，必须借助图形处理软件才能完， 因此决定将图形处理和打标控制功能相分离，图形处理部分由p c 机完成，然后将生成 的图形文件传至单片机控制系统，最后操作打标控制器标刻出相应图形。通过与原有的 p c 机打标控制器相比较，单片打标控制器具有如下优点： ( 1 ) 实现了图形处理和打标控制功能的分离，这样打标图样可由专人设计，便于统 一管理，而且只须配一台p c 机即可，不像原来每台标记打印机都要配备一台p c 机， 甚至一台普通的办公微机就可胜任，在将图形文件传送给单片机系统后，微机就可以脱 离单片机系统从事其他工作，成本更低。 ( 2 ) 体积小重量轻。 ( 3 ) 功耗低，抗干扰能力强。 ( 4 ) 采用全按键操作。更加简便快捷。 1 5 4 课题的主要研究内容 课题的主要研究内容是：在现有的标记打印机的控制基础之上设计一种新的控制方 案，用单片机控制代替p c 机的控制，完成单片机控制方案的硬件、软件的设计，具体 工作如下： ( 1 ) 提出对步进电机的控制策略。 ( 2 ) 进行单片机系统的硬件设计。 ( 3 ) 单片机控制器能接收系统机传送的打标文件，并具有对这些文件调入、插 入、单个删除、全部清除等功能。 ( 4 ) 可在控制键盘上设定一些打印参数。如打印比例、打印方式等。 ( 5 ) 可在控制键盘上点动移动打印头。 ( 6 ) 智能控制器和系统机按r s 2 3 2 方式通讯。 1 5 5 课题来源及经费 ( 1 ) 课题来源：上海申坚数控设备有限公司 ( 2 ) 经费：3 万元 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 数字程序控制系统简介 标记打印机控制器对步进电机的控制是通过插补算法实现的。能根据输入的指令和 数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动 完成工作的自动控制称为数字程序控制。数字程序控制主要应用于机床自动控制，如用 于铣床、车床、线切割机、焊接机、气割机等自动控制系统中。采用数字程序控制的机 床能加工复杂的零件，加工精度高，生产效率高，便于改变加工零件品种，是实现机床 自动化的方向。数字程序控制系统般由输入装置、输出装置、控制器和插补器四个部 分组成。 插补器用于完成插补计算。插补计算就是按给定的基本数据( 如直线或圆弧的坐标) 插补( 插值) 中间坐标数据，从而把曲线形状描述出来的一种计算。插补器实际上是一个 函数发生器，能按给定的基本数据，产生一定的函数曲线，并以增量形式( 例如为脉冲) 向各坐标连续输出，以腔制机床刀具的轨迹运动【1 2 1 。 在数字程序控制机床中最常用的插补计算是逐点比较插补计算法( 简称逐点比较法) 和数字微分器插补计算方法( 简称数字微分法) 。近几年来又采用了时间分割法插补计算 方法( 简称时间分割法) 和样条法插补计算方法等。 本章主要介绍常用的插补法计算的主要原理和应用。 2 2 逐点比较法 所谓逐点比较插补法，就是执行机构每走步都要和给定轨迹上的坐标值进行比 较，看当前位置是在给定轨迹的上方或下方，或是在给定轨迹的里面或外面，从而确定 下一步的进给方向。如果在给定轨迹的下方，下一步向给定轨迹的上方走，反之向下方 走在给定轨迹的里面，则下一步向给定轨迹的外面走，反之向里面走。如此走一步看 步，决定下一步走向，以逼近给定的轨迹，即形成“逐点比较法”插补。 逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧 之间最大误差为一个脉冲当量( 如步进电机步距) 只要把脉冲当量取得足够小，就可以达 到加工精度的要求【1 3 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 1 直线插补算法 ( 1 ) 直线插补计算原理 1 ) 偏差计算公式 逐点比较法原理，必须把每一个插值点( 动点) 的实际位置与给定轨迹的理想位置间 的误差，即偏差计算出来，根据偏差的正负决定下一步走向，来逼近给定轨迹。 假定加工如图2 1 所示的直线o a 。取直线起点为坐标原点。终点坐标( ) ( e ，u ) 是 ， 图2 1 赢线插补示意图 已知的。mg m 、为加工点( 动点) ，若m 在o a 直线上，则根据相似三角形关系可 得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 作为直线插补的偏差式。 设在某一加工点处，当e 0 时，应沿十x 方向进给一步，走一步后新的坐标值 为： 匕 皿 以 毯 小 k = x 取 沈阳工业大学硕士学位论文 x 。“= x 。+ 1 匕+ 。= 艺 e + = 吒一匕 当 0 时，应向+ y 方向迸给一步，走一步后