【文章內(nèi)容簡介】 和頻率的個數(shù)，脈沖分配器將脈沖信號按一定順序分配；然后送到放大電路中進行功率放大，驅動步進電動機進行工作，其中脈沖分配器及前面的微機及接口芯片工作一般為 +5V 而作為電動機電源需要符合 步進電動機的額定電壓值，為避免強電對弱電的干擾，在它們之間設計采用光隔離電路。具體電路如下面所設計的 脈沖分配器 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 13 對于開環(huán)伺服驅動中，我們設計采用單片機脈沖分配器，如圖３— 3 所設計的 8051單片機控制步進電動機的控制電路。 圖 3— 3 8051 單片機控制步 進電動機控制電路原理圖 8051單片機的 P1口作為輸出口，用程序實現(xiàn)脈沖分配功能。對于三相異步電動機，用 ， ， ，精光電隔離電路，再由驅動電路放大來驅動 步進電動機運轉。對于我們改造設計的 CW6132 車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造選擇的是 三相六拍的反應式步進電動機 110BF003。因此，按三相六拍的步電動機的通表電順序，可以得出 口的輸出控制字表如下表 1所示 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 14 表 1 口的輸出控制字表 由表可見，步進電動機第一個狀態(tài)字為 01H，從上而下輸出 控制字，步進電動機正轉。從正轉最后一個狀態(tài)字 05H 之后加上反轉第一個控制字 01H，此時，再接著輸出控制字時，步進電動機反轉，假設這些控制字在存儲器地址以及讀取控制字的順序，可以畫出三相六拍步進電動機的控制程序框圖 33 如下 圖 33 步進電動機控制程序流程圖 假設，步進電動機總的運行參數(shù)放在 R4 轉向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志 FI（ D5H）中，當 F1為“ 0”時，步進電動機正轉。當 F1為“ 1”時，步進電動機反轉。正轉時， 8051的 P1口的輸出控制字 01H， 03H， 02H， 06H， 04H， 05 存放在 8051 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器單元 20H~25H 中， 26H 存放結束標志 00H 在 27H~2CH 的存儲單元內(nèi)存放反轉時 P1 端口的輸出控制字 01H， 04H， 06H， .02H， 03H，在 2DH河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 15 單元內(nèi)存放結束標志 00H。根據(jù)前面的控制程序表 1 圖 34）的控制程序控制框圖，我們可以 編出步進電動機正反轉及轉速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， 20H AJMP LOOP； R0TE： MOV R0， 27H LOOP： MOV A， ﹫ R0 MOV P1， A； ACALL DELAY； INC R0； MOV A， ＃ 00H ORL A， ﹫ R0； JZ TPL； LOOP： DJNZ R4， LOOP； POP A； TPL MOV A， R0； CLR C； SUBB A， ＃ 06H； MOV R0， A； AJMP LOOP1； 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 16 DELAY： MOV R2， ＃ M； DELAY1： MOV A， ＃ M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2， DELAY1； RET 光隔離電路 在這個步進電動機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電動機的勵磁繞組。由于步進電動機需要 的驅動電壓較高（幾十伏）電流也教大（幾安到幾十安）如果將 I/O 口輸出信號直接與功率放大器相連，輕則影響單片機程序的正常運行，重則導致單片機接口電路的損壞。因此，在接口電路與功率放大器之間設計加光隔離電路，實現(xiàn)電器隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級管和光敏晶體管組成如下圖 35 所示的共集電極輸出型光耦合器。當輸入信號 VI 加到輸入端時，發(fā)光二極管導通激發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照后，由于光敏效應產(chǎn)生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸，輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 17 圖 35 共集電極耦合器 圖 36 光電隔離輸出電路 上圖 3— 6 為光隔離輸入與輸出電路?？刂菩盘?74LS05 集電極開路門反相后驅動光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當控制信號為低電平，74LS05不吸收電 流，發(fā)光二極管不導通，從而輸出的光敏晶體管截止，當控制信號為高電平， 74LS05 吸收電流，發(fā)光二極管導通 發(fā)光，光敏晶體管受到激勵導通。我們的改造設計就采用這種光隔離電路。 步進電動機驅動電路 由于邏輯電路和單片機的輸出脈沖電平很小，一般為 3V 左右電流為毫安無法驅動步進電動機，而需要 經(jīng)過驅動電路進行功率放大。我們知道常用的驅動電路有：單電源驅動電路高低壓雙電源驅動電路和恒流斬波驅動電路。而我們設計采用高低壓雙電源驅動電路 作為該系統(tǒng)的驅動電動。如下圖所示設計的高低雙電源驅動電路。 圖 37 高低雙電源驅動電路 圖中 LA為步進電動機 A 相繞組，接大功率 VT1和 VT2之間， VT1為高壓管。當脈沖分配器輸出低電平是， VTI 和 VT2 之間截止， LA無電流通過。當脈沖分配器輸出高電平是，是單穩(wěn)態(tài)電路翻轉為高電河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 18 平輸出，經(jīng)前端放大使 VT1導通，同時功率管 VT2 也導通，高壓電源Vn經(jīng) VTI和 VT2 加至 LA上。此時，二極管 VD1 因承受反向電壓而截止，切斷低壓電路 VL，由于高壓源電壓很高，線圈的電流 上升很快，上升沿變陡，當電流值接近步進電動機的額定值是，單穩(wěn)態(tài)電路延時時間到 ，翻轉為輸出低電壓，使高電壓管 VT1 截止。這時，由低電壓電源 VL 供電， VT2 繼續(xù)導通 LA 繼續(xù)通過電流 。當脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時，功率 VT2截止，這時為二極管 VD2續(xù)流，電流隨之減少為零，采用這種驅動電路是因為它于單電源驅動電路相比，高低壓雙電源驅動電路的電流波形上升沿變陡，使步進電 機的力矩和運行頻率等主要性能得到明顯改善，而且驅動功率也比單電源的高；在結構上也比恒流斬波驅動電 路的簡單。所以我們設計應用這種高低壓雙電源驅動電路 8255 可編程控制芯片的擴展 MCS— 51 系列單片機的特點之一就是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合可以不用 I/O口系統(tǒng)，但是對于復雜的應用場合就需要用 I/O 口擴展來滿足單片機運行功能的像我們設計的CW6132車床的數(shù)控化的改造就有一定的復雜程度。因此。我們對 8051單片機進行 I/O 口擴展，擴展一片 8255 可編程控制芯片來達到機床控制運動功 能的完善性 選用的 8255芯片是 INTEL生產(chǎn)的可編程 0輸入輸出接口芯片它具有 3 個 8 位的并行 I/O 口分別為 PA。 PB， PC 口其中 PC又分為高 4位（ PC7~PC4）和低 4 位（ PC3~PC0）， 它們都可以使用軟件編程來改變 I/O口工作方式。因此， 8255使用方便，通用性強，經(jīng)常作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。我們設計的是 8255 芯片與 8051直接接口電路如圖 3— 8 所示 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 19 圖 38 8051擴展 8255的接口電路連接圖 在 8051單片機的 I/O口上擴 展一片 8255芯片，無需加任何邏輯電路，從圖中可以看出 8255的片選信號 CS及口地址選擇線 A0， A1分別由8051的 ， 74LS373鎖存后提供。所以 8255的 A口， B 口 ， C口以及控制口地址分別為 FF7CH， FF7DH， FF7EH，F(xiàn)F7FH。 8255的復位端與 8051 的復位端相連，都接到 8051的復位電路上。我們知道在實際應用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應的控制字寫人操作口。根據(jù)我們的設計圖 3— 8可知： A口地址 ： FF7CH； B口地址 ： FF7DH； C口地址 ： FF7EH； 控制口地址 ： FF7FH； 對于 8255的 C口 8位中的一位，均可以用指令來置位和復位。例如，如果把 C口的第 6位 PC5置 1相應的字控制為 00001011B=0BH，程序如下： MOV DPTR ， 0FF7FH； 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 20 MOV A， 0BH； MOVX DPTR , A； 由此可見， 8255接口芯片在 MCS51系列單片機中應用非常廣泛，廣泛應用與外圍設備，如打印機，鍵盤，顯示器以及作為控制信息輸人輸出。所以我們設計擴展用 8255可編程控制芯片進行數(shù)據(jù)傳遞和進行控制。 其中，用 8255的 A口控制步進電動機， PA0~PA5為輸出口，用于控制 Z向步進電動機。 B口作為輸入口，用于功能鍵的控制，其中， PB0~PB4口分別控制空運行、自動、手動 I、手動 II、和回零 。 PB5口用于報警顯示，系統(tǒng)正常時，輸出低電平，綠色燈亮；當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，紅色燈亮，實現(xiàn)報警功能。 C口也用作輸出口，其中 C0~C3口控制面板上的按鍵，分別控制啟動、暫停、連續(xù)、急停等功能。 C4~C7口接越程報警控制電路，當床鞍工作停止，以保護工作臺正常運行。 輔助電路的設計 8051 單片機的時鐘電路 我們知道單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖 39所示，晶體可在 ~12MHZ任選，偶合電容在5~30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把 XTAI直接接地， XTAL2接外 部時鐘源。經(jīng)過比較，我們設計采用內(nèi)部時鐘方式，如圖 39所示。 河 南 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術 學 院 21 圖 39 時鐘電路 復位電路 單片機的復位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路