| 1 引言
數(shù)控技術(shù)是一種采用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中各種控制信息進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算處理，并通過(guò)高性能的驅(qū)動(dòng)單元對(duì)機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化控制的高新技術(shù)�，F(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)逐步向柔性化、集成化、智能化方向發(fā)展，因此新一代數(shù)控技術(shù)就必需強(qiáng)調(diào)具有開放式、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特征[1]。本文采用新型微處理器、高性能集成電路，研究開發(fā)智能步進(jìn)電機(jī)控制卡。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、研究和比較，并綜合國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品智能化、集成化、開放化的發(fā)展趨勢(shì)，我們提出的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 脈沖分頻電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的脈沖分頻電路由圖2所示。整個(gè)電路采用3片8254來(lái)產(chǎn)生X，Y，Z三個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，鑒于Y，Z軸的電路與X軸相同，因此圖中只表示了X軸脈沖數(shù)輸出的電路原理。
Inte18254是可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)包含3個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道均為功能相同的16位計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)長(zhǎng)度分別由軟件編程選擇。8254是8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與8253完全相同。8253計(jì)數(shù)頻率為2.6MHz，8254的計(jì)數(shù)頻率則更高，可達(dá)到6MHz。本系統(tǒng)選擇8254作為脈沖分頻電路的主控芯片。
圖2 脈沖分頻電路圖
3.2 RS-232通信接口電路設(shè)計(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)的通信中，RS-232和RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線應(yīng)用最為成熟。為了使運(yùn)動(dòng)控制器的適用范圍更加廣泛，配合PC的現(xiàn)有接口，我們選用RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器和PC的通信，其接口電路如圖3所示。在圖3中，選用MAX232作為系統(tǒng)的通信接口芯片。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS-232發(fā)送/接收發(fā)器，適用于各種EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片可以把輸入的+5V電源變換成RS-232輸出電平所需的±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。
圖3 通信接口電路
MAX232外圍需要4個(gè)電解電容C1，C2，C3，C4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為0.1μF/25V。C44為0.1μF的去耦電容。MAX232的引腳T1IN，T2IN，R1OUT，R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳。
引腳T1OUT，T2OUT，R1IN，R2IN為接RS-232C電平的引腳。因此TTL/CMOS電平的T1IN，T2IN引腳應(yīng)接MCS-51的串行發(fā)送引腳TXD；R1OUT，R2OUT應(yīng)接MCS-51的串行接收引腳RxD。與之對(duì)應(yīng)的RS-232C電平的T1OUT，T2OUT應(yīng)接PC機(jī)的接收端RD；R1IN，R2IN應(yīng)接PC機(jī)的發(fā)送端。
3.3 D/A轉(zhuǎn)換與V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
本運(yùn)動(dòng)控制器需要對(duì)電主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)電主軸的控制通過(guò)其驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電主軸驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入的電壓或電流的大小來(lái)確定主軸的轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)需要輸出0～5V的電壓或0～20mA的電流，必須將系統(tǒng)處理過(guò)的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量輸出。本控制器的D/A轉(zhuǎn)換主要由DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)。DAC0832是8位微處理器兼容型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器芯片，是DAC0830系列的一種。DAC0832與微機(jī)接口方便，可以充分利用微處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換的控制，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。
不同的電主軸驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸入的信號(hào)有不同的要求，有的需要0～5V的電壓信號(hào)，有的需要0～20mV的電流信號(hào)，因此我們同樣設(shè)計(jì)了V/I轉(zhuǎn)換電路，使系統(tǒng)具備了電流信號(hào)的輸出，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。
3.4 開關(guān)信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)
在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，常采用機(jī)械式開關(guān)和光電開關(guān)構(gòu)成開關(guān)信號(hào)輸入回路，通過(guò)開關(guān)的閉合或斷開，以電平的形式反映步進(jìn)電機(jī)的工況。這包括X，Y，Z軸限位;加工過(guò)程中對(duì)刀，X，Y，Z軸電機(jī)的回零操作等等[2-3]。
由于開關(guān)的機(jī)械式設(shè)計(jì)，觸點(diǎn)閉合或斷開時(shí)伴有機(jī)械抖動(dòng)，會(huì)使輸出信號(hào)波形出現(xiàn)振蕩。若將該信號(hào)輸入到微控制器的計(jì)數(shù)器中，會(huì)造成錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)而導(dǎo)致系統(tǒng)控制混亂。開關(guān)量的輸入干擾是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中客觀存在的問(wèn)題。因此在獲得開關(guān)信號(hào)后，我們必須對(duì)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，使其成為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后才能做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)共提供了12路的開關(guān)信號(hào)接口，限位開關(guān)信號(hào)處理如圖4所示。
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