【正文】 90BYG2602電 動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 注 :本章節(jié)所用計(jì)算公式和查表均來源于 機(jī)械工業(yè)出版社出版，尹志強(qiáng)編寫的 《 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 》 一書 。 李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 20 第 4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的作用是使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在程序的控制下自動(dòng)完成規(guī)定的工作，是數(shù)控機(jī)床的主要組成部分，主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件連線圖見附錄 5 主控制器 CPU 的選擇 目前市場(chǎng)上應(yīng)用 MCS51 芯片及其派生的兼容芯片比較多，如應(yīng)用最廣的 8位單片機(jī) 89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中多使用 16位單片機(jī)，它 具有較強(qiáng)的運(yùn)算和擴(kuò)展能力，如 MCS96 系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實(shí)時(shí)處理的控制系統(tǒng)。定位合理的單片機(jī)可以節(jié)約資源，獲得較高的性價(jià)比。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的 8051 單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而選用高性能的 16位 MCS96又顯得過于浪費(fèi)。 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī)內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上 ，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；尤其是它和 MCS51芯片，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式 可以節(jié)省電能。 因此 CPU選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51， AT表示 ATMEL 公司， 9 表示內(nèi)含 Flash存儲(chǔ)器， S 表示含有串行下載 Flash 存儲(chǔ)器。 AT89C51 的性能參數(shù)為： Flash 存儲(chǔ)器容量為 4KB、 16位定時(shí)器 2個(gè)、中斷源 6個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷 0、外部中斷 定時(shí)器 0和定時(shí)器 1 中斷）、 RAM為 128B、14 位的計(jì)數(shù)器 WDT、 I/O 口共有 32 個(gè)。 一 、 AT89C51 單片機(jī)的引腳功能 （ 1） VCC（ 40）：電源 +5V。 （ 2） VSS（ 20）：接地 端，即 GND。 （ 3） XTL1（ 19）和 XTL2（ 18）：振蕩電路。單片機(jī)是一種時(shí)序電路，必須有脈沖信號(hào)才能工作，在它的內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生電路，有兩種振蕩方式，一種是內(nèi)部振蕩方式，只要接上兩個(gè)電容和一個(gè)晶振即可；另一種是2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 外部振蕩方式，采用外部振蕩方式時(shí)，需在 XTL2 上加外部時(shí)鐘信號(hào) 。 （ 4） PSEN（ 29）：片外 ROM 選通信號(hào)，低電平有效。 （ 5） ALE/PROG（ 30）：地址鎖存信號(hào)輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。 （ 6） RST/VPD（ 9）：復(fù)位信號(hào)輸入端 /備用電源輸入端。 （ 7） EA/VPP（ 31）：內(nèi) /外部 ROM 選擇端 （ 8） P0 口（ 3932）：雙向 I/O 口。 （ 9） P1 口（ 18）：準(zhǔn)雙向通用 I/0 口。 （ 10） P2 口（ 2128）：準(zhǔn)雙向 I/0口。 二 、 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定、 128*8 位內(nèi)部 RAM、 32可編程 I/O 線、兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 5個(gè)中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。 ⑴ 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。 時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)的各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)的。時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。常用電路有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如圖 所示。 圖 42 ⑵ 芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM 定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 22 斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè) 硬件復(fù)位為止。 ⑵ 復(fù)位電路 如圖 。 圖 43 可編程 RAM/IO 芯片 8155H 系統(tǒng)中采用鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入，并采用 LED 顯示器，控制兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，所以該系統(tǒng)需要進(jìn) 行系統(tǒng)擴(kuò)展，采用可編程RAM/IO 芯片 8155H。 Intel 8155H 芯片內(nèi)包含有 256 個(gè)字節(jié)的 RAM 存儲(chǔ)器（靜態(tài)），RAM 的存取時(shí)間為 400ns。兩個(gè)可編程的 8 位并行口 PA和 PB，一個(gè)可編程的 6位并行口 PC，以及一個(gè) 14位減法定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。PA 和 PB 口可工作于基本輸入輸出方式或選通輸入輸出方式。8155HH可直接和 AT89C51 單片機(jī)相連，不需要增加任何硬件邏輯，是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的外圍接口芯片之一。 8155H 的引腳如圖 ： 圖 44 鍵盤與顯示電路設(shè)計(jì) 下圖 是 AT89C51 單片機(jī)用擴(kuò)展的 I/O接口芯片 8155HH實(shí)現(xiàn)的 5位 LED 顯示和 20 鍵的鍵盤 /顯示器的接口電路。 8155HH 的 PA 口為輸出口，控制鍵盤的列線 Y0~Y4 的鍵位，PA 口作為鍵掃描口，同時(shí)又是 5位共陰極顯示器的位掃描口。 PB口作為顯示器的段碼輸出口， 8155HH的 PC 口作為輸入口， PC0~3 接行線 X0~X3,成為簡(jiǎn)輸入口。圖中， 74LS04為反相驅(qū)動(dòng)器， 7407 為同相驅(qū)動(dòng)器，其中，從左邊開始，第一個(gè)數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，第二位數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作太運(yùn)動(dòng)方向，另外三位數(shù)碼管 顯示當(dāng)前工作臺(tái)運(yùn)行速度。 圖 45 鍵盤與顯示電路 I/O 口的分配 ⑴ P0:接 8155HH的 AD0~AD7，做低 8位數(shù)據(jù)總線和地址總線。 ⑵ ~：接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。 接蜂鳴器， 懸空。 ⑶ ~：接五個(gè)發(fā)光二極管，用于顯示當(dāng)前步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。 ⑷ ：連接上位機(jī) PC。 剩余的 I/O 口用于在擴(kuò)展控制系統(tǒng)功能時(shí)擴(kuò)展用。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 24 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分主要是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)須滿足快速急停、定位和退刀時(shí)能快速運(yùn)行、工作時(shí)能帶動(dòng)工作臺(tái)并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運(yùn)行。 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流比單片機(jī)端口所能提供的要大得多．單片機(jī)要控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)就不能直接將端口與電機(jī)各相相連，必須使用一定的接口電路和驅(qū)動(dòng)電路。 驅(qū)動(dòng)電路集成化已成為一種趨勢(shì)，目前，已有多種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電 路芯片，他們大多接驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一身，方便簡(jiǎn)單，節(jié)約空間。選擇集成驅(qū)動(dòng)器一定要選擇配套產(chǎn)品，因?yàn)閷?duì)于不同的電動(dòng)機(jī)步距角的積累誤差不完全一樣，選擇的驅(qū)動(dòng)器不配套，可能會(huì)造成步距角積累誤差增加，進(jìn)而振蕩和失步加劇。 本設(shè)計(jì)中 X、 Y向步進(jìn)電機(jī)均為 90BYG2602 型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)。查表 4141，選擇與之配套的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb，輸入電壓 100VAC，相電流 4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖 圖 46步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 BD28Nb 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 二 相混合式步進(jìn)電機(jī)，該驅(qū)動(dòng)器采用原 裝進(jìn)口模塊， 內(nèi)部自帶脈沖分配器， 實(shí)現(xiàn)高頻斬波，恒流驅(qū)動(dòng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性、高頻性能好、起動(dòng)頻率高、控制信號(hào)與內(nèi)部信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電隔離、電流可選、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，帶動(dòng) 以下所有的 90BYG 系列電機(jī) 三 相混合式步進(jìn)電機(jī)。 為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器能夠正常通信，避免相互干擾，我們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部采用 1尹志強(qiáng) .機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程 設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 .北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2021， 84 頁(yè) 2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 光耦器件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離，三路信號(hào)的內(nèi)部接口電路相同，常用的方式為 1）共陽(yáng)方式：把 CP+、 DIR+和 EN+接在一起作為共陽(yáng)端接外部系統(tǒng)的 +5V，脈沖信號(hào)接入 CP端，方向信號(hào)接入 DIR端，使能信 號(hào)接入 EN端； 2）共陰方式：把 CP、 DIR和 EN接在一起作為共陰端接外部系統(tǒng)的 GND，脈沖信號(hào)接入 CP+端，方向信號(hào)接入 DIR+端，使能信號(hào)接入 EN+端； 3）差動(dòng)方式：直接連接。 傳感器和控制面板設(shè)計(jì) ⑴ 由于步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的速度與所傳遞的位移和角度由單片機(jī)發(fā)送的脈沖頻率和脈沖數(shù)來決定，可實(shí)現(xiàn)精確定位，不需要反饋電路，但工作臺(tái)的移動(dòng)不能超過最大行程，因此，應(yīng)該在 X、 Y 軸的方向各加上兩個(gè)光電開關(guān)作為行程開關(guān)，當(dāng)工作臺(tái)越位時(shí)，開啟光電開關(guān)，然后用蜂鳴器報(bào)警，報(bào)告給操作人員按 下急停按鈕。蜂鳴器的工作原理如圖 413。這里行程開關(guān)作用有兩個(gè)：首先防止意外情況發(fā)生，使工作臺(tái)超過最大行程，造成事故，這是主要原因；另外可以用與定位機(jī)械部分安裝定位。所以這 4個(gè)行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。 圖 47 使用 7406 做驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警電路 在圖 413 中，驅(qū)動(dòng)器 7406 的輸入端接 AT89C51 的 。當(dāng) 輸出高電平“ 1”時(shí)， 7406 的輸出為低電平“ 0”，使壓電蜂鳴器引線獲得將近 5V 的直流電壓，而產(chǎn)生蜂鳴音。當(dāng) 輸出端為低電平“ 0”使， 7406 的輸出端升高約為 +5V，壓電蜂鳴器的 兩引線間的直流電壓降至接近于 0V，發(fā)音停止。 ⑵ 微機(jī)控制系統(tǒng)必須便于人機(jī)聯(lián)系，所以設(shè)置了一下按鍵，鍵盤如圖 414。 1．在本設(shè)計(jì)面板中，使用開關(guān)和復(fù)位按鈕，用于啟動(dòng)、停止系統(tǒng)。 2．采用了五位數(shù)碼管用來顯示工作臺(tái)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行速度，其中速度的單位為 mm/min；在面板最下方中間是急停按鈕； LED1\LED2\LED3\LED4 分別用于指示工作臺(tái)在指示燈對(duì)應(yīng)的方向禁止通行。 李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 26 3．本設(shè)計(jì)中 X+\X\Y+\Y按鈕分別表示手動(dòng)使工作臺(tái)相對(duì)應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)；圖形表示加速， 表示 減速且分別在 X 軸和 Y 軸各設(shè)立了一對(duì)加減速鍵用于調(diào)整工作臺(tái)運(yùn)行速度。 X + 0. 4 8X+ 禁止X 禁止Y+ 禁止 Y 禁止X+Y+復(fù)位急停開關(guān)Y X L E D 1 L E D 2L E D 3L E D 4L E D 5圓弧 圖 48 控制面板 2021屆機(jī)械電子工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 第 5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)軟件是一系列能完成各種功能的程序的集合。軟件和硬件的結(jié)合，形成一個(gè)具有特定功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠完成零件程序的輸入、編輯、譯碼、數(shù)據(jù)計(jì)算和伺服控制等工作。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件主要是步進(jìn)電機(jī)控制軟件。 對(duì)于 AT89C51 的程序設(shè)計(jì)，由于所需實(shí)現(xiàn)的功能較簡(jiǎn)單，采用匯編的形式。 主流程圖 在等待中斷的過程中，如果有中斷到來，先檢查中斷 0的狀態(tài)，是中斷 0 則進(jìn)入中斷 0 的中斷服務(wù) INT0IS，是中斷 1則進(jìn)入中斷 1 的中斷服務(wù) INT1IS。 中斷服務(wù) 0是由 4 個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)的，它觸發(fā)后通過單片機(jī)讀取 PA 口內(nèi)容，然后將結(jié)果反饋到 PB 口的 LED 上。 中斷服務(wù) 1 有 10 個(gè)中斷源，這六個(gè)中斷源分別是手動(dòng) X正方向運(yùn)行，手動(dòng) X 負(fù)方向運(yùn)行，手動(dòng) Y 正方向運(yùn)行，手動(dòng)Y 負(fù)方向運(yùn)行，復(fù)位和繪制圓弧， X 方向的加減速和 Y 方向的加減速。程序見附錄 1。 連續(xù)鳴音 30ms 的控制子程序清單： SND ： SETB MOV R7, 1EH DL ： MOV R6, 0F9H DL1 ： DJNZ R6, DL1 DJNZ R6, DL1 CLR RET 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制，指的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確的運(yùn)行到另一個(gè)位置。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，他可以不用借助位李敬：兩軸微機(jī)伺服工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 28 置傳感器而只需要簡(jiǎn)單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的位置精度，應(yīng)用很廣泛。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制 需要兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)， 即絕對(duì)位置，這個(gè)絕對(duì)位置是有極限的，他就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大范圍，所以我們?cè)?導(dǎo)軌旁設(shè)立兩個(gè)限位開關(guān)作報(bào)警用。另一個(gè)位置參數(shù)是從當(dāng)前的位置移動(dòng)到