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数控机床刀具进给速度的控制电路设计,毕业设计论文
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1 电力电子与电机拖动综合课程设计任务书 班级： 自动化 2004 级 姓名：指导教师： 2007 年 6 月 4 日 题目：数控机床刀具进给速度的控制电路设计 课程的任务和要求 目前，数控机床在工业生产上应用非常广泛，刀具的进给精度直接影响到产品的质量，为此，对刀具精度的研究具有重要的意义。 本课题的内容涉及的区域很广，要求同学们利用现有的知识设计数控机床刀具 进给速度的控制电路的原理图，课程设计说明书。通过该课题的设计，可以培养学生 如何查询资料，如何书写论文，如何设计控制电路等等。要求如 下： 要求利用大规模集成电路芯片 UC3637 作为该控制系统的控制核心，自动 控制步进电动机的操作运行。 （ 2）要有一定的保护措施。 设计步骤 查阅相关资料； 总体方案设计与论证； 单元电路设计； 元器件选择及参数计算； 绘制原理图（ A4 图纸一张，计算机绘图）； 撰写设计说明书（ A4 号纸打印），字数不少于 3000； 参考文献 电机学与电力拖动基础 单片微型计算机原理及运用 模拟电子技术 数字电子技术 教研室主任签字： 2007 年 月 日 nts 2 题目：数控机床刀具进给速度的控制电路设计 摘 要 : 数控机床的刀具进给的速度的控制主要是通过控制步进电动机的速度，其进给的精度由步进电动机的精度直接决定，因此在设计步进电机的控制电路时，应该保证其误差的范围满足加工的精度的要求，通常通过应用合适的集成芯片外加外围电路来实现对精度的要求 .在数控机床中由于需要达到精确的控制，常采用步进电动机作为数控机床刀具进给控制的驱动源。本文主要介绍由 UC3637 芯片为核心构成 PWM 控制电路 , 进而实现二相混合式步进电动机的控制 ，本文采用的是电流反馈型细分控制的方法。用该方法构成的 PWM 控制电路结构简单 , 性能可靠 , 具有良好的系统运行效果 关键词 : UC3637 集成芯片 二相混合式步进电动机 驱动器 ; 脉宽调制 ; 电流反馈 ; 细分 nts 3 2.1 引言 刀具进给精度的控制数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。本文将 PWM 控制器 UC3637引入二相混合式步进电动机驱动器设计中 , 实现了一种电流反馈型带细分的二相混合式步进电动机驱动。 UC3637 是 T I 公司的产品。作为双端输出类型的脉冲宽度调制器 , 其集成度高 , 功能完善。 UC3637可产生 2 路 PWM 驱动信号 , 并通过简单的外部电路直接驱动功率 MOSFET 管。此外 ,UC3637 芯片还具有限流保护、过流保护、欠压锁定等功能 , 应用 UC3637作为步进电动机的 PWM波产生器件成本低，而且可以使电路变得简单，达到较好的效果。 数控机床中为了达到高精度的控制要求常采用两相混合式步进电动机作为机床的驱动电动机 .绕组电流细分控制技术在步进电动机系统中的应用 , 改变了对相绕组电流只做通、断控制的 局限 , 实现了对绕组电流波形的有效控制 , 提高了两相混合式步进电动机系统的运行性能。对绕组电流进行细分控制是步进电采用电流反馈型细分控制方式可以有效地提高步进电动机系统的运行性能。要实现高性能的电流反馈型细分控制方式 , 驱动器中的 PWM 控制电路的设计尤为重要 , 它直接决定了系统性能的优劣。 nts 4 2.2.1 总体方案的设计与论证 方案一：以控制电路为核心的控制电路 原理图如：图 2.2.1 图 2.2.1 该方案以控制电 路为核心，控制信号传送到控制电路，在控制电路上分析得到数字信号，数字信号通过数摸转换装置得到模拟信号输送到 pwm 产生电路，控制他产生响应波形，控制的信号的波形通过功率桥放大输送到步进电动机中。控制电动机的运动。在步进电动机中采样信号输送到控制电路中 ，在控制电路中进行误差的分析，然后在控制电路中做出相应的调整，使输出信号符合控制的要求。 nts 5 方案二：以 uc3637 为核心的控制电路 该方案的原理图如图 2.2.2 图 2.2.2 该方案主 要是以大规模集成芯片 uc3637 为核心的控制电路，由于该集成芯片具有数模转换的功能因此可以省去数模转换的环节。而且 uc3637 芯片具有自保护功能，把反馈信号传送到该芯片后，既可以实现波形的调整，又可以完成电路的保护功能； 方案的论证与选择 综合考虑各方面的因素，与方案一比较，方案二省去了数摸转换电路，增加了保护电路的环节。而且方案二的控制的环节简单，易于实现其控制的过程自动化，可以较好地应用于数控机床当中，实现机械加工的数控化，并且由于其应用集成芯片能够进一步提高生产精度的要求，因此选取方案一作 为本论文的选取方案一。控制的具体原理图如图 2.2.3 nts 6 图 2.2.3 如图采用电流反馈型细分控制方式可以实现电机绕组电流的自主调节 , 使二相混合式步进电动机的运行更加平稳 , 减小低频共振 , 扩大电机的恒转矩输出范围。外部输入的脉冲、细分数选择、方向等信号通过前向通道、核心逻辑控制电路后加到数 模转换电路上 , 作为输入。脉冲频率通过频压转换后加到数 模转换电路的参考电压端 , 作为参考电压补偿值。数模转换电路输出绕组电流参考值 , 进入 UC3637 内部误差放大器的正端。绕组电流反馈通过采样电阻来实现 , 采样电阻将流过电机绕组的驱动电流转化成采样电压 , 进入 UC3637 内部误差放大器的负端 ,与正端的绕组电流参考值相比较 , 形成一比较电平 ,与三角波比较 , 输出一定占空比的 PWM 信号 , 用以控制主驱动电路中的功率场效应管 MOSFET 的通断 , 从而实现步进电动机恒流斩波控制。 以 CPLD 器件 XC9536 和 PWM 控制芯 片 UC3637 为核心实现的两相混合式步进电动机驱动采用了绕组电流细分控制技术 , 该驱动器的总体设计框图如图 2.2.3 nts 7 2.2.2 单元电路的设计 一） UC3637 的原理及应用 U C3637 是 T I 公司的产品。 UC3637 的基本特点 为后面的叙述方便，简要介绍一下UC3637 的一些基本功能，这样更有益于将其正确地应用于逆变控制电路。该芯片是UNITRODE 公司生产的用于直流电动机控制的双 PWM 控制器，具有其它 PWM 控制器不可多得的优点。 1） 电路特点 UC3637 电路特点如下： 单电源或双电源工作，电压范围 2.5V 20V，特别有利于双极性调制； 双路 PWM 信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力 100mA； 逐个脉冲限流； 内藏线性良好的恒幅三角波振荡器； 欠压封锁； 有温度补偿， 2.5V 阈值控制。 2） 电路组成与基本功能 UC3637 的原理图如图 2.2.2.1 所示。 图 2.2.2.1 UC3637 的原理图 nts 8 其内部包含有一个三角波振荡器，误差放大器，两个 PWM 比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等。不同于其它（如 3524/5， TL494， 3520 ）双 PWM 控制器的是， 2 个PWM 比较器的输入端全部引到片外，误差放大器的 3 个 端 （ 2 个 输 入 、 1 个 输 出 ） 也 是 如 此 ， 这 为 灵 活 地 设 计 电 路 带 来 极 大 的 方 便 。 3） 三角波产生电路的设计 PWM 控 制 芯 片 通 常 采 用 锯 齿 波 振 荡 器 。 当 载 波 为 锯 齿 波 时 ， 输 出 波 形 会 有 s0、 2s等 谐 波 ， 而 载 波 为 三 角 波 时 则 不 存 在 这 些 谐 波 ,并 且 是 双 沿 调 制 ， 动 态 响 应 比 单 沿 调 制 快 。 UC3637 最 具 特 色 的 是 三 角 波 振 荡 器 ， 三 角 波 产 生 电 路 如 图 2.2.2.3 所 示 。 图 2.2.2.2 三角波产生电路 参数计算如下： 在电源 Vs 和 Vs 之间串 接电阻 R1、 R2、 R1 组成分压电路，分压点分别为 VTH 和 VTH，作为三角波正峰值和负峰值的转折（阈值）电压。 CT 和 RT 为定时电容和定时电阻。 VTH 还通过内部缓冲电路与 RT 共同作用产生 CT 的恒值充电电流 Is。 CP， CN 构成窗口比较器，当 CT 以恒流 Is 线性充电到 VCT= VTH 时， CP 翻转，触发器 S 端置 1， Q 为高电平，S1 关断；同时 S2 接通， CT 以 Is 线性放电，到 VCT= VTH 时， CN 翻转触发器 R 端复位，Q 为高电平， S2 关断， S1 接通；则三角波新的一周开始。 RT 设置 Is 的大小，一般不大于 2mA。振 荡频率 由 RT、 CT 及 VTH， VTH 共同决定。由于是恒流充放电，三角波的正负斜率对称，线性优 Vs=15V， td=3s， fs=30kHz，正弦波调制信号的最大可能值 Vsm=4V。 取 VTH=4V，根据以上各式可算得 CT=1.0410 9F（取 CT=1000pF）， RT=38k（取nts 9 RT=39k）， VR=1.44V。当调制正弦波为零时， VR/R4(Vs VR)/R3，取 R4=5k，则 R3=47k。理论计算的数值在应用中还需进行适当的修正。 4） PWM 产生电路 的设计 PWM 产生电路 ， UC3637 具有一个高速、带宽为 1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。 UC3637实现其主要功能的就是两个 PWM比较器，实现电路如图 2.2.2.3 所示。其他还有如欠压封锁， 2.5V 阈值控制等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。 图 2.2.2.3 PWM 产生电路 5)UC3637 外围接线的 设计 在了解了 UC3637 的特点，电路组成和基本功能之后，即可具体设计控制电路了。几个关键电路单元的设计方法 如下： a)频率调节控制 作为逆变电源还要求输出频率 fo 在一定的范围内连续可调。比如 fo=400Hz 的电源在30Hz 范围内可调。如上所述， UC3637 三角波振荡频率由 VTH， CT， RT 决定，当 VTH确定之后，一般不再作为可调量（因为三角波作载波应当恒幅），则调节 RT 比较容易实现。 其中 A1、 A2 为跟随器，调节 RP1 即可改变输出端 VF 的电位，使 RT 两端电压发生变 化，随之使由 RT 设定的 CT 充电电流 Is 变化，从而调节了三角波频率 fs。将三角波整形后作为正弦波（调制波）存储器的读取时钟 (UC3637 无同步信号输出 )，因而逆变电源的输出频率 fo随 fs 而变，从而实现同步调节的目的。 b) 输出电压反馈调节 nts 10 误差放大器作为电压调节器使用，它是一个独立的高速运算放大器，典型带宽为 1MHz，具有低阻抗输出。误差放大（电压调节）器的补偿网络传递函数为： HC=UO(s)/Ui(s)=1 (R5 R7)C3s(1 R6C1s)/ R5(C1 C2)s1 C1C2/(C1 C2)R6s(1 R7C3s) 调节 RP2 可调节输出电压。补偿网络可以改善输出的动态特性。 b)UC3637 外围接线图如图 2.2.2.4 图 2.2.2.4 2.2.2.2 步进电动机 步进电动机区别于其他控制用途电动机的最大的特点是，它接收数字控制信号（电脉冲信号），并转换成与之相应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数字 /模拟转换的执行元件。而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量，这样的所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相 比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整，因此，随着运动控制系统数字化的到来，步进电动机的应用更加广泛。在打印机，磁盘驱动器，数字绘图仪，纸带穿孔机数控机床等方面得到广泛的应用。其中两相混合式步进电动机具有结构简单、成本低的特点 , 在机电一体化领域应用得非常广泛。 nts 11 数控机床中为了达到高精度的控制要求常采用两相混合式步进电动机作为机床的驱动电动机 .绕组电流细分控制技术在步进电动机系统中的应用 , 改变了对相绕组电流只做通、断控制的局限 , 实现了对绕组电流波形的有效控制 , 提高了两相混合式步进电动机系统的 运行性能。对绕组电流进行细分控制是步进电采用电流反馈型细分控制方式可以有效地提高步进电动机系统的运行性能。 步进电动机有三种不同的工作方式：（ A B C D 分别为步进电动机的四个输入端口，如图2.2.2.5 XXXX 为 ABCD 相的时序信号） 图 2.2.2.5 1)半步工作方式； 0101 0001 1001 1000 1010 0010 0110 0100 0101 2)两相激励的基本步距工作方式； 0101 1001 1010 0110 0101 3)单相激励的基本步距工作方式； nts 12 0001 1000 0010 0100 0001 采用不同的工作方式可以控制步进电动机的速度和精度。可以根据不同的工作要求选取不同的工作方式。 2.2.2. 3 驱动桥电路设计 电路图如；图 2.2.2.6 图 2.2.2.6 首先考虑末级 H 桥电路，在半桥电路中表示了这里采用 P 沟道和 N 沟道功率 MOSFET.其特点是上管的栅级驱动通过电容 C1 实现。这是由于步进电动机驱动信号总是交变的。在堵转或低速时，它是斩波信号，在高速时，它是有步进脉冲信号或加上斩波信 号经电容传输nts 13 给栅级。不会出现连续直流信号的情况。为了维持栅级驱动，时间常数 C1/RB 要取得足够大。二极管 CRA 和 CRB 是 使功率管能快速截至。齐纳二极管 CR3 供 VFP 管电压钳位作用。禁止线 INH 是为防止咋其电机电源 VM 上升过程中，由于 C1 必须充电而引起 MOSFETP 和MOSFETN 同时导通而设置的。在 VM 建立过程中 INH 为低电平，维持 VFM 截止。 从 H 桥示意电路输入信号 VIN 为低电平时，开关 S1 和 S3 导通。绕组电流 IM 为正向，流过电流检测电阻 RS4,当 VIN 为高电平时， S2 和 S3 导通， IM 反向流过 RS3.电 流反馈信号由运算放大器 A1 产生。取 RS=RS3=RS4，放大器 A1 输出电压 Vc=Vos+nImRs， Vos 是Im=0 时的输出，在 A1 电源 Vcc=15V 时取 Vos=Vcc/2=7.5V， N=5， RS=0.1，得 Vc=7.5+0.5Im。 2.2.2.4 逻辑控制电路设计 1） CPLD 器件的介绍 CPLD（ Complex Programmable Logic Device）是 Complex PLD 的简称 ,一种较 PLD 为复杂的逻辑元件。 CPLD 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成 电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 发展历史及应用领域： 20 世纪 70 年代，最早的可编程逻辑器件 -PLD 诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补 PLD 只能设计小规模电路这一缺陷， 20 世纪80 年代中 期，推出了复杂可编程逻辑器件 -CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。 器件特点： 它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，nts 14 可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 (一般在 10,000件以下 )之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 CPLD 器件。 CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用 成为电子工程师必备的一种技能。 如何使用： CPLD 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 2） CPLD 为核心的逻辑控制电路的设计 利用以 XC9536 为核心的逻辑控制电路实现具有电流补偿功能的绕组电流 10 细分和50 细分控制方式具有其自身的特点 , 现详述如下： a） 阶梯状正弦绕组电流参考信号的形 成 为了得到尽量圆形的合成磁场 , 使电机运行平稳 , 减小电机的低频共振 , 绕组电流参考信号应采用阶梯状正弦波形。具体方法是 : 根据电机运行所要求的细分数将绕组电流按正弦方式分成若干台阶 , 即在零到相电流最大值之间划分多个稳定的中间电流状态 , 将对应每个台阶值的数字量存入 EPROM。步进电动机步距角不均匀容易引起电动机的振动和失步 , 为保证细分后步距角的均匀性 , 绕组电流的台阶不应是均匀的 , 而应按阶梯状正弦规律变化。因为是两相步进电动机 , EPROM 中将存储一组阶梯状正弦绕组电流 参考值和一组阶梯状余弦绕组电流参考值。 b） 本文通过将 CPLD、 EPROM 和锁存器灵活地结合 , 用 CPLD 的 8 位地址线实现了 4K 字节数据的访问 , 极大地节省了 CPLD 的资源。具体实现方法为 : 将正弦、余弦和电流补偿等数据分段存储 每个数据段对应数据的低 8 位地址相同 , 对应位置再放一段地址数据。访问时 , 先读出低 8 位地址数据到锁存趋 , 再改变高 4 位地址 , 利用综合的 12位地址线即可实现不同数据的访问。 c）不同细分数的实现 nts 15 本文采用 CPLD 和 EPROM 的配合使用 , 实现了两相混合式步进电动机在不同的步距角细分数情况下 , 相应绕组参考电流信号的输出。具体方法是 : 先在最大细分数情况下将参考正弦波分成若干阶梯 ，电机要求最大细分数时 , 由 CPLD 控制依次读取 EPROM 中的存储数据 ; 当电机要求的细分数小于最大细分数时 , 可由 CPLD 控制相应跳读 EPROM 中的部分存储数据。例如 , 要对两相混合式步进电动机的步距角分别实现 10 细分和 50 细分 , 可在一个励磁磁场变化周期内将参考正弦波分成 200 个台阶 , 绕组电流 是台阶式的投入或切除。 0 细分时 , 每来一个脉冲 , 绕组电流值变化一个台阶 ; 当 10 细分时 , CPLD 在 EPROM 存储的数据表中 , 每隔 5 个数据读取一次 , 每来一个脉冲 ,绕组电流值变化五个台阶。这样便分别得到 50 细分和 10 细分的绕组电流参考值。 这种方法也可用于任意细分数的步进电动机驱动器中 , 可方便的实现步进电动机系统的多种细分驱动方式。 313 绕组电流补偿的实 现为弥补高频运行时电机输出转矩的下降 , 需要在高频运行时补偿电机绕组电流值。对两相混合式步进电动机的绕 组电流进行补偿的方法是 : 根据频率值及细分数 ,在 EPROM 中存储多组不同的补偿频率数据。当外部控制信号进入 CPLD 时 , CPLD 可根据不同的频率、不同的细分等 , 从 EPROM 中读出相缨的补偿频率值输出给频压转换器 , 其输出控制数 / 模转换电路的参考电压 , 实现对电机绕组电流的补偿。 d） PWM 控制电路设计中的关键点 PWM 控制电路中采用高集成
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