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我国机床工业目前正处在最艰难的时期

世纪初产能急剧扩张 2001－2011年，受经济高速增长、投资需求旺盛的刺激，我国机床行业进入大发展期。这10年间总产值增长了10倍，利润增长22倍，年均复合增长率分别为24．8％和33．2％。2011年，国内金属加工机床产值达283亿美元（其中金切机床198亿）。从2002年和2009年起，我国分别成为世界第一机床消费大国和制造大国，目前消费和产出总量分别约占全球的1／3和1／4。在机床需求和产能急剧扩张的同时，数控技术也得到了普及。2013年以来，机床工业的产出数控化率和机床消费数控化率均超过70％，2016年更是达到80％左右。这是一个历史性的成就。其中，国家对数控机床产品实行增值税先征后返政策（1999－2008）发挥了重要作用。在经济高速增长时期，业内对市场前景普遍乐观。国内外资本大量投资机床行业，形成庞大产能。但机床工业是为制造业提供“工具”的，自身规模十分有限。各地方政府不考虑这一特性，出于GDP增长业绩的考虑，纷纷鼓动本地机床厂投资扩产，重、大型机床的盲目扩张尤为突出，很多重点企业的资产负债率急剧增加，为后来全行业的萧条埋下了伏笔。结构性产能过剩行业经济运行形势严峻从2012年起，我国经济发展进入“新常态”，固定资产投资增长率逐年下降，2015年降至个位数。我国机床工业进入低迷期，延续至今。尤其是其中批量型的传统中低档机床，产能严重过剩，价格竞争加剧，原材料、人力成本又不断上升，企业税负沉重，多数企业身陷困境。企业亏损面居高不下。2016年，全行业亏损面达45％以上，大批中小企业相继退出市场，历史上曾经辉煌的一批企业相继破产退出。国有企业普遍资本金不足，企业负债率高，负担沉重。机床工业产值连年递减，市场萎缩。2018年，全行业产值比2011年下降17％，销售额下降21％。 2019年第一季度，行业整体情况仍未有好转。企业订单减少，市场预期悲观，行业运行质量下降，企业经营压力大，亏损面有所扩大。行业分化持续且有加剧态势。据国家统计局数据，2019年1－4月，全行业营业收入同比增长0．3％（其中金切机床－14．5％，成形机床1％）；机床工具工业协会联系的222家重点企业所获取的相应数据，分别是－18％、－33．7％、－2．4％。这222家企业新增订单额同比增长－36．5％，进口增长－25．4％。行业协会预计，2019年行业增长率可能出现全年下滑。根据最新统计，全行业共5537家企业（规模以上2257家，整机企业600多家），1－4月亏损面为19．4％；机床工具工业协会所联系的222家企业，亏损面达42．3％（同比增加10．6个百分点），其中金切机床亏损面52．9％，成形机床亏损面20．8％。特别是金切领域，很多企业破产退出。有专家认为：一些老国有机床企业衰落，体制机制原因只是其中的一方面，很多是地方政府的责任。如政府要求企业搬迁，费用让企业自己贷款解决，财务费用动辄上亿，企业利润微薄，经不住这样的折腾。市场景气时，地方政府硬性要求企业扩大产能、为GDP增长做贡献，结果企业背负几十上百亿贷款，造成今天企业资不抵债的局面。地方政府在企业用人、投资方面干预过度，出了问题却找不到责任人。沈阳机床和大连机床两个龙头企业先后破产重组，令人痛心。沈机股份（上市公司）2019年一季度报表显示：资产负债率高达200％，当期亏损额超过营业额。集中了优质资产的上市公司尚且如此糟糕，集团公司的情况更是难以想象。与此同时，机床用户需求明显升级。市场对批量化通用型产品的需求下降，对小批量定制型产品的需求增长；对单机需求减少，对自动化成套设备的需求增长。为了适应市场变化，西方国家一些机床企业正在从传统的“产品专业化型”向“市场专业化型”过渡。产品专业化即专注于某类（车铣磨）机床产品的批量化生产；市场专业化指专注于某细分市场（如汽车动力总成、航空发动机、消费电子等），针对用户工艺特点、满足严苛性能要求而提供成套解决方案（如德国GROB公司占中国轿车发动机缸体／缸盖加工70％以上份额、济南二机床占国内轿车整车冲压设备80％市场份额）。面对国际市场转型，我国机床企业转型升级任务迫在眉睫。目前，我国机床工业正处在爬坡过坎、转型升级的关键时期，自身存在不少弱点和问题需要克服。同时，又赶上整体经济下行，投资需求锐减，加工设备需求进入存量时代。目前我国机床工业正处在最艰难的时期。

时间：2020-05-20 关键词：机床数控
深孔加工常见加工方式，三级钻孔加工法的介绍

正常钻削技术所生产的孔，其孔深极少超过5倍直径，而在深孔钻削中，此比例可高达150﹕1，并且任何孔深大于5倍直径都应称为深孔。深孔加工常见加工方式 BTA系统中，钻头与钻杆为中空圆柱体，提高了刀具刚性和快速拆装问题。其工作原理如视频所示，切削液经加压从入口进入授油器后通过钻杆与孔壁形成的密封环状空间，流向切削部分进行冷却润滑，并将切屑压入钻头上的出屑口，经钻杆内腔从出口排出。BTA 系统主要适用于直径φ＞12mm 的深孔加工。 ▲BTA系统原理枪钻的钻柄是空的，由内外部供应的切削液流经钻头内输送管，并强行流经切削头内的孔。钻柄外侧有一个沿着长度方向的V形槽，切削液携带切屑通过此V形槽，并经过钻头外侧，最终切屑从孔中排出。枪钻可应用于普通加工中心，但是需要高压力的切削液。 ▲枪钻系统示意图深孔加工任务实例某壳体零件（见图）有两个直径4mm、1个直径5mm且深度都超过700mm的深孔。普通设备无法加工，必需使用专用的深孔加工设备——数控深孔钻床。数控深孔钻机床是专门用于深孔加工的数控设备，加工的孔径小、深度大，孔径与孔深比达到1﹕100，一般的数控设备无法完成。 ▲深孔零件数控深孔钻工作原理是采用不对称切削加工，不需用传统的中心钻来完成定位要求。 ▲数控深孔钻深孔加工方案改进过程经过反复试验，1个深孔加工动作宜采用“三级加工法”：定位钻削、导向钻削及正常钻削，称为“三级钻孔技术”。三级钻孔需要根据不同的钻孔深度采用不同的切削速度目前机床自带的数控钻孔指令只能完成1个钻孔深度和1个切削速度，如何使用常用的钻孔指令来实现三级钻孔可分两种方法：①手动干预：根据不同的钻孔深度，人为的手动来进行调节切削速度。②重复进给：对同一个孔分别进行编制3个钻孔程序，指令不同的钻孔深度和切削速度，进行重复操作。深孔加工改进方法对于上述两种方法的弊端，开发一个三级阶梯钻削指令方案。分别赋予三级深度与三种不同速度，通过参数化、智能化及人性化设计，省去手动干预的繁琐与重复进给所浪费的时间。 1）格式。G65 P9003 U－10 V－30 Z－375 B5 C10 F40 R3 T0（或T1） X＿＿＿Y＿＿＿ …… G67 M30 2）参数。第一钻孔深度U，第二钻孔深度V，最终钻孔深度Z，一级钻孔速度B，二级钻孔速度C，最终钻孔速度F，钻孔初始点R，T0钻不通孔，T1钻通孔。 3）使用说明。 ①程序必须指令Z（最终钻孔深度）、F（最终钻孔速度）、R（钻孔初始点）、T0（钻不通孔）或T1（钻通孔），否则出现报警（9001）。 ②钻孔初始点＜第一钻孔深度＜第二钻孔深度＜最终钻孔深度，即R＞U＞V＞Z，否则出现提示报警。 ③一级钻孔速度＜二级钻孔速度＜最终钻孔速度，否则出现提示报警。 ④如不适用第一钻孔深度与第二钻孔深度V时，可直接使用最终钻孔深度Z来完成钻孔。 ⑤当指令第一钻孔深度U时，必须指令一级钻孔速度B。 ⑥当指令第二钻孔深度时，必须指令二级钻孔速度C。 ⑦当只使用两级深度钻孔时，只能使用深度U、Z。附：深孔加工常见问题解决措施由以上案例可见，在深孔加工过程中，被加工件尺寸精度、表面质量以及刀具的寿命等问题都亟待解决的，下面总结了深孔加工中常见的10种问题及解决措施。 01 孔径增大，误差大 1）产生原因。铰刀外径尺寸设计值偏大或铰切削刃口有毛刺；切削速度过高；进给量不当或加工余量过大；铰刀主偏角过大；铰刀弯曲；铰切削刃口上粘附着切屑瘤；刃磨时铰切削刃口摆差超差；切削液选择不合适；安装铰刀时锥柄表面油污未擦干净或锥面有磕碰伤；锥柄的扁尾偏位装入机床主轴后锥柄圆锥干涉；主轴弯曲或主轴轴承过松或损坏；铰刀浮动不灵活；与工件不同轴以及手铰孔时两手用力不均匀，使铰刀左右晃动。 2）解决措施。根据具体情况适当减小铰刀外径；降低切削速度；适当调整进给量或减少加工余量；适当减小主偏角；校直或报废弯曲的不能用的铰刀；用油石仔细修整到合格；控制摆差在允许的范围内；选择冷却性能较好的切削液；安装铰刀前必须将铰刀锥柄及机床主轴锥孔内部油污擦净，锥面有磕碰处用油石修光；修磨铰刀扁尾；调整或更换主轴轴承；重新调整浮动卡头，并调整同轴度；注意正确操作。 02 孔径缩小 1）产生原因。铰刀外径尺寸设计值偏小；切削速度过低；进给量过大；铰刀主偏角过小；切削液选择不合适；刃磨时铰刀磨损部分未磨掉，弹性恢复使孔径缩小；铰钢件时，余量太大或铰刀不锋利，易产生弹性恢复，使孔径缩小以及内孔不圆，孔径不合格。 2）解决措施。更换铰刀外径尺寸；适当提高切削速度；适当降低进给量；适当增大主偏角；选择润滑性能好的油性切削液；定期互换铰刀，正确刃磨铰刀切削部分；设计铰刀尺寸时，应考虑上述因素，或根据实际情况取值；作试验性切削，取合适余量，将铰刀磨锋利。 03 铰出的内孔不圆 1）产生原因。铰刀过长，刚性不足，铰削时产生振动；铰刀主偏角过小；铰切削刃带窄；铰孔余量偏；内孔表面有缺口、交叉孔；孔表面有砂眼、气孔；主轴轴承松动，无导向套，或铰刀与导向套配合间隙过大以及由于薄壁工件装夹过紧，卸下后工件变形。 2）解决措施。刚性不足的铰刀可采用不等分齿距的铰刀，铰刀的安装应采用刚性联接，增大主偏角；选用合格铰刀，控制预加工工序的孔位置公差；采用不等齿距铰刀，采用较长、较精密的导向套；选用合格毛坯；采用等齿距铰刀铰削较精密的孔时，应对机床主轴间隙进行调整，导向套的配合间隙应要求较高或采用恰当的夹紧方法，减小夹紧力。 04 孔的内表面有明显的棱面 1）产生原因。铰孔余量过大；铰刀切削部分后角过大；铰切削刃带过宽；工件表面有气孔、砂眼以及主轴摆差过大。 2）解决措施。减小铰孔余量；减小切削部分后角；修磨刃带宽度；选择合格毛坯；调整机床主轴。 05 内孔表面粗糙度值高 1）产生原因。切削速度过高；切削液选择不合适；铰刀主偏角过大，铰切削刃口不在同一圆周上；铰孔余量太大；铰孔余量不均匀或太小，局部表面未铰到；铰刀切削部分摆差超差、刃口不锋利，表面粗糙；铰切削刃带过宽；铰孔时排屑不畅；铰刀过度磨损；铰刀碰伤，刃口留有毛刺或崩刃；刃口有积屑瘤；由于材料关系，不适用于零度前角或负前角铰刀。 2）解决措施。降低切削速度；根据加工材料选择切削液；适当减小主偏角，正确刃磨铰切削刃口；适当减小铰孔余量；提高铰孔前底孔位置精度与质量或增加铰孔余量；选用合格铰刀；修磨刃带宽度；根据具体情况减少铰刀齿数，加大容屑槽空间或采用带刃倾角的铰刀，使排屑顺利；定期更换铰刀，刃磨时把磨削区磨去；铰刀在刃磨、使用及运输过程中，应采取保护措施，避免碰伤；对已碰伤的铰刀，应用特细的油石将碰伤的铰刀修好，或更换铰刀；用油石修整到合格，采用前角5°－10°的铰刀。 06 铰刀的使用寿命低 1）产生原因。铰刀材料不合适；铰刀在刃磨时烧伤；切削液选择不合适，切削液未能顺利地流动，切削处以及铰切削刃磨后表面粗糙度值太高。 2）解决措施。根据加工材料选择铰刀材料，可采用硬质合金铰刀或涂层铰刀；严格控制刃磨切削用量，避免烧伤；经常根据加工材料正确选择切削液；经常清除切屑槽内的切屑，用足够压力的切削液，经过精磨或研磨达到要求。 07 铰出的孔位置精度超差 1）产生原因。导向套磨损；导向套底端距工件太远；导向套长度短、精度差以及主轴轴承松动。 2）解决措施。定期更换导向套；加长导向套，提高导向套与铰刀间隙的配合精度；及时维修机床、调整主轴轴承间隙。 08 铰刀刀齿崩刃 1）产生原因。铰孔余量过大；工件材料硬度过高；切削刃摆差过大，切削负荷不均匀；铰刀主偏角太小，使切削宽度增大；铰深孔或盲孔时，切屑太多，又未及时清除以及刃磨时刀齿已磨裂。 2）解决措施。修改预加工的孔径尺寸；降低材料硬度或改用负前角铰刀或硬质合金铰刀；控制摆差在合格范围内；加大主偏角；注意及时清除切屑或采用带刃倾角铰刀；注意刃磨质量。 09 铰刀柄部折断 1）产生原因。铰孔余量过大；铰锥孔时，粗精铰削余量分配及切削用量选择不合适；铰刀刀齿容屑空间小，切屑堵塞。 2）解决措施。修改预加工的孔径尺寸；修改余量分配，合理选择切削用量；减少铰刀齿数，加大容屑空间或将刀齿间隙磨去一齿。 10 铰孔后孔的中心线不直 1）产生原因。铰孔前的钻孔偏斜，特别是孔径较小时，由于铰刀刚性较差，不能纠正原有的弯曲度；铰刀主偏角过大；导向不良，使铰刀在铰削中易偏离方向；切削部分倒锥过大；铰刀在断续孔中部间隙处位移；手铰孔时，在一个方向上用力过大，迫使铰刀向一端偏斜，破坏了铰孔的垂直度。 2）解决措施。增加扩孔或镗孔工序校正孔；减小主偏角；调整合适的铰刀；调换有导向部分或加长切削部分的铰刀；注意正确操作。

时间：2020-05-14 关键词：智能化数控
为数控龙门铣床自制具有旋转功能的夹具完成4轴加工

数控龙门铣床是近几年陆续登上一些老工业基地的设备，为不少加工场景做出了贡献。但是，它也被限制在三维空间内进行各种加工，对于四轴及五轴的加工也是无能为力的。不过通过自制具有简单而精确旋转功能的先进夹具，可以完成4轴的加工技术，完善和充实该机床之不足。一、技术分析如图1的数控龙门铣床加工支架，该件除上下面具有定位销孔外，在Z方向还有两斜面，并在斜面内各自有各坐标孔。图1 该支架采用Q235—A焊接件，是用于汽车装配线上重要部位的零部件。支架上下面均有坐标定位孔，关键加工部位是两侧斜面的相交点（436.5±0.02）mm，及该相交点至各斜面的坐标孔。二、工艺编制 1.镗：刀校中间连接筋一侧面，平面度≤0.05mm。 2.镗：粗铣上下面，凹台面加工至成品，其余各面各留1～1.5mm。 3.龙门铣：粗铣两斜面，坐标孔面各留1～1.5mm（用专用夹具）。 4.龙门铣：精铣上下面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝。 5.龙门铣：精铣两斜面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝（用专用夹具）。 6.摇臂钻：各螺纹孔。为了保证加工件的几何公差，所有的坐标孔面均应分粗精加工。并且，该件在粗加工后应放置一段时间，至少不小于24h，待工件消除切削应力后再进行各部位的精加工。三、工装设计原则该工件两侧斜面的加工，必须采用高精度的角度调整功能，就是四轴旋转功能。而龙门铣床不具备加工斜面功能，只能设计专用的角度旋转夹具，当工件精加工时，一次性将两侧斜面加工成品，该夹具应具备以下功能和特点： ①该夹具是典型的一面两销定位方法，即以底面和两坐标孔定位。坐标孔应选择两距离较远位置。还必须具备一次性装夹的功能，即夹具需具备左右翻转±30？功能，且翻转角度的误差必须≤±0.05？。 ②夹具底座需安装在龙门加工中心工作台上，并必须用平键和工作台定位，该工作台定位槽宽度24H7，而夹具定位键宽度公差采用基孔制h7即可。图2 1.中心旋转轴 2.中心莫氏套3.工作台4.底座 5.两侧旋转轴 ③该夹具翻转装置采用焊接件即可，分别焊接在底座和工作台上下面，其位置应合理配置。夹具角度旋转应采用精度较高的分度头。且各关键件的加工精度，不得小于8级公差精度。根据以上分析，该夹具应根据角度工件的形状特点，既要具备较高精度，又要考虑其通用性；既要具备安装中大型工件的能力，又要考虑制作方便可行的经济效益。四、关键件的设计情况 1.底座底座是该夹具的基础件（见图3），它必须具备以下条件： ①外形360mm×600mm即可，该大小既要适用于本次工件的加工范围，又要具备一定的通用性和广泛的使用性能，属于中型加工件的专用夹具。 ②该件底面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工作台安装后的平面精度提供条件。图3 ③该孔左右各一个，除保证与底面的尺寸公差外，还必须对称中心0.02mm。 ④该底座底面定位键槽宽24H7，与机床本身工作台配套使用。 ⑤该定位槽应与旋转孔中心对称0.02mm，以防止使用时旋转中心偏移。 ⑥该底座的4个定位槽是固定各种角度定位柱的基面，应与底面统一尺寸（16±0.01）mm。 2.工作台工作台是和底座链接在一起的关键件（见图4），它除了担负装夹各种加工件的任务外，很重要的是负责旋转各种角度，这就要求具备以下技术要求： ①外形360mm×600mm，与底座配套使用。工作台平面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工件精加工时提供合理的装夹精度。 ②该件的中间旋转定位孔φ40H7前后各一个，是与底座旋转孔配套使用的，前孔需安装模式4号锥套，后孔则担负着固定安装旋转轴的功能。前后孔对工作台上平面尺寸精度（71±0.01）mm。图4 ③该件两侧各有4个φ30H7通过孔，在定位孔上安装高精度的转轴，转轴上安装同一高度的旋转定位柱，当角度确定后，用两侧随角度配套使用的角度定位柱，检测旋转角度的正确与否，同时起到固定工作台和稳定工件的作用。 ④为防止各套在旋转过程中松动，在中间旋转套的侧面钻有螺钉孔，待套安装后，用沉头螺钉压紧。 3.中心莫式套该件是安装在工作台中间的前旋转孔上，它除了担负着底座和工作台上下联接的作用外，更重要的是担负着联接分度头安装使用的作用，所以它必须具备以下功能：图5 ①材料采用45钢，精加工前需热处理硬度48HRC，并且表面发蓝处理。莫氏孔需涂色检查，接触精度≥85%。 ②φ40h7外圆与莫氏孔的同心度要求≤0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8mm。为防止转动，在套的端面划两个固定窝，安装时用螺钉将其固定。 4.双莫氏连接轴双莫氏连接轴是该夹具的附件，它是紧紧联接夹具和分度头的关键工件，承担着联接夹具和分度头承前启后的作用，它既要传递分度头到夹具的转矩，又要保证左右旋转角度的精度。所以，该连接轴的精度需达到以下要求：图6 ①材料采用40Cr，粗加工后进行调质处理，精加工前进行表面热处理硬度48HRC。前后莫氏锥外圆需涂色检查，接触精度≥85%，同心度≤0.01mm。 ③前后孔需采用60？中心孔，表面粗糙度值Ra=1.6mm，并带有120？保护窝。中间连接轴需和两端锥外圆同时磨出，待分度头和夹具联接后，用卡盘轻轻夹紧，即可增加两个联接件的稳定性。五、被加工件安装过程根据工艺安排，精加工时，龙门铣床担负工序4：精铣上下面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝；工序5：精铣两斜面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝（用专用夹具）。工序4在这里不做论述，只介绍一下加工两斜面及斜面上坐标孔的内容。夹具安装前，按规定位置，在工作台上钻出装夹工件的螺钉孔M16-6H共9个。夹具安装分三步： ①安装前，须将各接触面清洗干净。 ②按定位键确定的位置，将夹具安装在龙门铣床的合理位置。 ③分度头安装。首先将连接轴安装在分度头的主轴孔内；然后用螺杆拉紧；其次，将分度头轻轻推进夹具的中间莫氏4号孔内，在用螺杆拉紧；最后，用卡盘扳子将连接杆轻轻夹紧，再用扳子将分度头紧固在龙门铣工作台上。此时夹具和分度头安装完毕，其状态如图7所示。图7 找正工作台平面，用分度头调整左右角度，将分度头盘左侧螺钉松开，将定位销插在分度盘内，旋转时，只需旋转插上定位销的分度盘即可，待用百分表找平后，再将左侧螺钉紧固。图8 工件安装前，销柱、压板及各螺钉摆放位置该夹具是一面两销定位。首先，要在工作台上钻出定位孔，两定位孔要按着图样要求在工件中心偏离1.1mm处，用探针确定夹具旋转中心位置，即检测连接轴外圆，当中心确定后，机床主轴移动至相应位置。工件的夹压螺钉孔，是在把该夹具安装于龙门铣床之前完成的。安装销子后，以销孔定位，将工件安装在工作台上，用螺钉和压板将工件夹紧。按图8所示要求，用分度头左右旋转夹具角度－19.5°、22°。图9 角度确定后，须在该夹具两侧安装左右定位柱，以稳定夹具，并在机床工作台上自找合适位置，将该夹具压紧。在以上工作完成后，实施加工时，关键加工部位是在Y方向加工左右两侧面时，需要用探针将旋转中心零点确定，加工时，每面各留1～1.5mm用探针检测其实际尺寸，按要求尺寸移动Y方向坐标。然后再反复精加工各斜面成品，两斜面成品的相交点与夹具旋转点距离是保证精度的重点。

时间：2020-05-11 关键词：机床数控
CNC-H4-T数控系统在数控立车上的应用———CNC-H4-T数控系统在数控立车上的应用

［编辑简介］：本文主要介绍利用中达电通cnc-h4-t数控系统开放式系统架构和台达伺服定位功能，应用于数控立车之中的案例。文章对系统架构、i/O点规划及控制模式进行了详细的描述。［摘要］：［关键词］：CNC-H4-T 数控系统数控立车台达伺服1 引言立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。本文主要介绍利用中达电通cnc-h4-t数控系统强大的开放式系统架构和台达伺服快速精确的定位功能，应用于数控立车之中，从而更好地满足市场的需求。2 技术要求2.1数控立车参数要求：加工能力最大旋转外径ø700mm最大切削外径ø600mm最大切削高度 650mm行程进给 x 轴行程 -350/30mmz轴行程 700mmx轴快速进给 15m/minz轴快速进给 15m/min精度控制定位精度:0.01mm重复定位精度:0.008mm2.2对伺服提出的要求：（1）运动很平稳顺滑。（2）往复运动够快速且精准。（3）车刀切削瞬间,或者其他外力突然介入,伺服定位或定速被影响很少。2.3对数控提出的要求：（1）数控系统的基本功能要求——g代码功能，辅助功能——m代码。工件程序容量要大。（2）rs232通讯和dnc在线加工。（3）联动轴数：2个（4）控制精度：0.001mm（5）操作画面可以自由规划。2.4对工作台电机的要求：采用三相异步交流电机，电机功率是11/14kw,实现两极变速,高速和低速。点动（走低速）和制动（高速方式下延时5秒钟后制动，低速方式下延时3秒后制动）；另外需要一个+5v的外挂手轮，实现手动对刀和程序测试功能。3 系统方案的确定此机床为小型数控车床，采用中达cnc-h4-t专用的数控系统配以两套asda交流伺服驱动器和马达，用以控制刀架横向（x轴）和滑架纵向（z轴）的快速运动和进给运动，其中z轴的伺服电机带有抱闸功能。工作台电机采用双速交流电机驱动，机械变速。4 方案可行性分析4.1中达电通cnc-h4-t的主要功能和特点：（1）开放式的系统架构，内含嵌入式可编程plc，可配合更多的机械设计。（2）全功能cnc键盘，配合plc开发，可自定义按键功能。（3）提供4组+/-10v模拟量接口，其中二路用于控制交流伺服驱动进给轴。一路控制变频主轴（或者伺服主轴），一路可选用控制伺服刀塔。（4）解析度可设定7位数，响应速度可达1000kpps。配合编码器或者光栅检测，可实现半闭环/全闭环控制，控制精度0.001mm。（5）诊断功能和plc状态显示。（6）手摇轮安全测试（防撞机功能）。（7）离线描图和加工描图功能。（8）除标准g代码外，提供多种固定切削循环和复式循环编程，编程更简便。（9）支持更高阶的macro宏指令，可灵活的设计nc程序。（10）程序存储容量256kbyte,关机后电池维持。（11）提供rs232c标准接口，可接个人电脑（pc）实现dnc在线加工功能。通过比较分析，中达cnc-h4-t数控系统完全可以满足作为立床的上位控制要求。4.2台达交流伺服的主要特点：（1）具有多种控制模式，可与上位控制器灵活配合，应用广泛。（2）强健式的控制模式，在负载惯量大范围的变化时，系统仍然可以保持优异的性能。（3）具有位置p-curve和速度s-curve平滑功能，且命令来源不论是外部模拟量输入还是内部寄存器设定均有平滑功能。（4）丰富的软件功能，方便用户调试。通过比较分析，台达交流伺服系统也完全能够满足作为做下位控制器要求。对机械结构、负载惯量、输出扭矩的分析计算，故选用asda1kw*2台伺服驱动器做下位控制器。5方案的功能实现（1）自由规划客户所需求的画面，给客户带来极大的方便。（2）全功能cnc键盘，配合plc开发，可自定义按键功能自定义键： “d1”键定义为主轴低速键，控制工作台低速连续运行。“主轴正转”键定义为主轴高速键，控制工作台高速连续运行。“主轴反转”键定义为主轴点动键，控制工作台低速点动运行。“主轴停止”键定义为主轴停止键，停止工作台的运行。（3）可实现手摇对刀功能，自动模式下，激活程式预测，进行手摇轮安全测试,加工进给速度以手摇轮旋转速度的快慢决定。加工描图-nc程序执行时，激活描图功能，能够边走边显示刀具运动轨迹。（4）系统连接架构提供4组+/-10v模拟量接口，其中二路用于控制交流伺服驱动进给轴，一路控制变频主轴（或者伺服主轴）一路可选用控制伺服刀塔。输入信号点24个，可以连接按钮，行程开关，继电器触点等传感信号输出信号点16个，可以控制继电器，微型电磁阀等负载。图1系统连接架构（5）伺服采用速度控制模式图2伺服速度控制模式架构在大范围负载惯量变化,系统依然保有优秀性能对命令和干饶有不同的补偿控制阻尼刚性优良, 低速转矩特性优良超越量很小。（6）机床有下列几种供电电压：•驱动交流接触器用的ac110v电压，照明灯用的ac24v电压，指示灯用的ac6v电压，以及主电机制动用的65v-75v-85v制动电源。•cnc-h4-t数控系统的电源及开关电源gs所需的ac220v由变压器tc3提供。•伺服驱动器所需的三相ac220v电源，由驱动变压器tc2提供。•i/o信号的dc24v，使能信号和z轴抱闸电机的直流24v由开关电源gs供给。（7）机台有以下几种运动状态：•工作台主电机m1有连续和点动两种工作状态。点动运行停止时,无制动过程。连续运行停止时,有制动过程。•工作台主电机为双速电机，所以分高、低速两档。工作台连续运行时有高低速，点动时只有低速。•刀架横向（x轴）运动，由伺服电机m2驱动，滑架的纵向（z轴）由伺服电机m3驱动，为防止滑架受重力作用因惯性而不能精确停，故电机m3带抱闸。图3 应用中达数控系统数控立车外观图图4 中达伺服产品电器柜接线图（8）ｉ／ｏ点规划通过机床的最后调试后，此次立车的整体技术要求均已实现，无论每个动作还是精度的要求，都达到了客户所要求的标准。6 结束语台达的伺服驱动与cnc车床专用的控制器的结合，为客户提供了低成本和全功能的控制方案。随着中国数控机床产业化惊人的速度向前迈进，中达电通的数控系统强大的开放式系统架构和台达伺服快速精确的定位功能，完全能够为客户提供更有价值的整合方案。参考文献（略）

时间：2019-04-02 关键词：嵌入式开发数控系统数控 cnc 车上
基于凌阳单片机的数控直流电流源的设计与实现

　　在电子设备中经常用到稳定性好、精度高、输出可预置的直流电流源。本文设计的数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化、温漂等原因造成的输出误差，输出电流在20mA～2000mA可调，输出电流可预置、具有“+”、“-”步进调整、输出电流信号可直接显示和语音提示等功能。硬件电路采用凌阳单片机SPCE061A为控制核心，利用闭环控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环，在软件方面主要利用PID算法来实现对输出电流的精确控制。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友好。　　系统硬件实现方案　　本设计采用单片机作为主要控制部件，通过键盘预置输出电流值并采用液晶模块实时显示。整个系统硬件部分由微控制器、电压-电流转换、键盘、显示、直流稳压电源和语音提示等模块组成。系统组成框图如图1所示。图1 数控直流电流源的基本模块方框图　　微控制器是整个系统的核心，负责整个系统的运作。为了实现简化硬件电路、系统性能稳定可靠，便于实现语音播报、键盘设置和信息的实时显示等功能的协调，通过多种方案论证后，微控制器选用凌阳公司的SPCE061A，该单片机内部集成有ADC、DAC、PLL、AGC、DTMF、LCD-Driver等电路(与IC型号有关)。它采用精简指令集(RISC)，指令周期均以CPU时钟数为单位。另外，它还兼有DSP功能，内置16位硬件乘法器和加法器，并配备有DSP拥有的特殊指令，大大加速了各种算法的运行速度。同时可以在Windows环境下使用凌阳单片机应用开发工具，该工具支持标准C语言和凌阳单片机汇编语言，集汇编、编程、仿真等功能于一体，大大加快了软件开发过程。用该单片机作为控制器比较合适，在硬件电路简单的前提下，容易实现A/D和D/A转换、语音提示、PID运算等功能。　　显示模块主要实现的功能是显示设置的电流输出值和其它人机交互信息。本部分可以采用七段数码LED显示器，显示数字、简单字母和小数点等信息，但由于其显示信息单一，人机交互不友好，本文采用字符型液晶显示屏LCDSMC1602A模块。该模块具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，且可视面积大、面效果好、分辨率高、抗干扰能力强，适合用于显示字母、数字、符号等信息，而且不需要扩展过多外围电路，可由单片机直接进行控制输出显示。

时间：2019-03-26 关键词：凌阳电流单片机嵌入式处理器数控
基于AVR单片机的数控直流稳压电源的设计

摘要：将单片机数字控制技术有机地融入直流稳压电源的设计中，设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。详细介绍PWM输出、A/D采样、单片机等。该设计除了实现对电压的数字控制外，还具有高精度、多功能、液晶显示的特点。关键词： AVR单片机；直流稳压电源；电压表；数字控制从20世纪90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。本文设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电路等部分组成。其中数控电源采用按键盘，可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置，输出由单片机通过D/A控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机控制, 单片机通过A/D采样输出电压，与设定值进行比较，若有偏差则调整输出，越限则输出报警信号并截流。工作过程中，稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出驱动LCD显示，由键盘控制进行动态逻辑切换。以单片机为核心设计智能化高精度简易直流电源，电源采用数字调节，输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。具有以下明显优点：(1)智能化程度更高，性能更完美；(2)控制灵活，系统升级方便；(3)控制系统的可靠性提高，易于标准化。1 直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。如图1所示。稳压电路经常采用三端稳压器，应用电路如图2所示，只要把正输入电压U1加到LM7805的输入端，LM7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压U2。实际应用中，输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量电容到地。C1用于抑制自激振荡，C2用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。如图2所示。2 数控恒压源的实现方案传统的直流稳压电源通过粗调波段开关及细调电位器来调节，并由电位表指示电压值的大小。这种稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、精度不高、不易调准、电位构成复杂、体积大等缺点，基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压的功能，而且没有上述的缺点。2.1 设计要求输出电压范围：0.0 V～9.9 V；输出电压的调整方式：步进，步进数值为0.1 V；显示方式：LCD1602液晶显示；监测D/A的输出电压值。2.2 数控电源的方案图3所示为数控电源的设计框图，其输出电压数值由键盘控制。通过键盘把需要输出的电压值以步进方式输入到单片机。这里电压采用单片机的PWM模拟电压输出。显示电路既可用来显示输出的电压值，也可用来显示键盘电路的调整过程。如果不满足输出电压的要求，将需要添加一个电压放大器。经过LM324线性转换后，得到所需电压值，另外对监测电压实际输出电压值进行采样，并将采样值通过单片机的A/D采样口送回单片机处理后显示。在该数字控制电源中，使用AVR芯片完成系统控制按键输入判断、电压数值显示以及对外部芯片的各种数字控制。3 数字控制部分 ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器；数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。本系统的D/A选择常用的DAC0832。当其与单片机相连时电路和程序简单，只需把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可。其各个引脚的连接及外围如图4所示。

时间：2019-03-21 关键词：单片机 AVR 嵌入式处理器数控直流稳压电源
设计一款基于DSP的数控DC-DC开关电源(一)

PDF摘要：第一部分：利用直接数字设计构建DC-DC转换器系统由于利用数字信号处理器 (DSP) 对电源进行控制变得越来越发人深思，因此嵌入式系统设计人员在数字控制环路的设计和实施中要处理许多相关因素。首先，准确表示控制模块和相关控制参数对模拟设计人员来说是至关重要的，以使他们能使用大家所熟悉的模拟控制设计方法实施基于 DSP 的数字控制技术。下载PDF格式全文

时间：2019-03-05 关键词： DSP 开关电源 dc 嵌入式处理器数控
基于双ARM的高性能数控平台研究与实现

摘要: 本文分析了当前数控系统的开发和应用现状，并针对中小型数控系统，提出了一个基于双ARM 控制器的数控平台设计方案，给出了其技术方案和实现方法。该平台运行稳定，具有很高的性价比，可以应用到数控系统的产品研发中，缩短系统的开发周期，有利于较复杂的中小型数控系统微型化和产业化。关键词: 数控系统；ARM；Modbus 1 引言数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势[1-2]。随着科学技术和生产工艺的进步，数控系统的实现方案也越来越多，目前的数控系统，比较常见的实现方案有以下几种：基于PLC 控制器

时间：2019-01-16 关键词： ARM 平台嵌入式处理器高性能数控
基于51单片机的数控电源设计

华强电子世界网　　本文介绍了以51系列单片机为控制单元，以数模转换器dac0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块lm350的输出电压大小。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。　　关键词：单片机（mcu），数模转换器（da），掉电存储器（eeprom）。　　引言　　目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。利用数控电源，可以达到每步0.1v的精度，输出电压范围0~15v，电流可以达到2a。　　系统结构图1：硬件系统结构图　　对选用芯片说明　　dac0832是一款常用的数摸转换器，它有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式，为了设计的方便，选用电压输出模式，如电路图所示，iout1和iout2之间接一参考电压，vref输出可控制电压信号。它有三种工作方式：不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式，由电路图可知，由于/wr2=/xfer=0，dac寄存处于直通状态。又由于ile=1，故只要在选中该片（/cs=0）的地址时，写入（/wr=0）数字量，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至dac寄存器，经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压，一旦写入操作结束，/wr1和/cs立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。　　at24c02是一款常用的可掉电保存数据的rom，2k比特容量，采用i2c总线操作，关于它的具体操作方法参考相关资料。图2：主硬件电路图图3：参考电压电路图　　硬件电路设计　　采用常用的51芯片作为控制器，p0口和dac0832的数据口直接相连，da的/cs和/wr1连接后接p2.0，/wr2和/xefr接地，让da工作在单缓冲方式下。da的11脚接参考电压，参考电压电路如图2所示，通过调节可调电阻调节lm336的输出电压为5.12v，所以在dac的8脚输出电压的分辨率为5.12v/256=0.02v，也就是说da输入数据端每增加1，电压增加0.02v。　　da的电压输出端接放大器op07的输入端，放大器的放大倍数为 r8/（r8+r9）=1k/（1k+4k）=5，输出到电压模块lm350的电压分辨率=0.02v×5=0.1v。所以，当mcu输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1v，当调节电压的时候，可以以每次0.1v的梯度增加或者降低电压。　　本电路设计三个按键，key1为翻页按键，最近设置的电压大小保存在eerom里面，比如10个电压，按一下key1，电压变为下一个，省去了反复设置电压的麻烦，key2为电压+，key3为电压+，按一下key2，当前电压增加0.1v，按一下key3，当前电压减小0.1v。　　限于篇幅原因，未画出数码管显示电路，该系统使用3个数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示12.5v，采用动态扫描驱动方式。本主电路的原理是通过mcu控制da的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块lm350输出。　　为了达到2a的输出电流，lm350必须选用金属外壳封装，并且带稍大面积的散热片。　　软件流程　　软件系统　　软件的设计主要完成三方面的功能:　　1.设置电压并且保存，主要是对eerom的操作。　　2.把设置的电压送到da，主要是对da的操作。　　3.中断显示，把设置的电压显示到led数码管上。　　该数控电压源实现保存最近10电压功能，当打开电源的时候，它显示和输出的必须是上次使用电压大小，所以在eerom中使用11个地址保存数据，第一个地址保存当前电压编号，大小为1

时间：2019-01-09 关键词：单片机电源嵌入式处理器数控
基于DSP的经济型车床的多功能化数控改造———基于DSP的经济型车床的多功能化数控改造

［编辑简介］：本文作者在实践中采用了DSP TMS320F240微处理器作为数控系统的控制核心，实现了经济车床可进行车、铣、削等加工的多功能综合性数控改造。文章较为详细地介绍了改造的软硬件方案。［摘要］：［关键词］：DSP 数控系统改造　在我国，经济型车床因其价廉而得到广泛的应用。在数控化改造过程中，常使用的是单片机系统，如MCS-51系列单片机作为控制核心，控制系统的速度和精度因CPU的性能影响都不够高，改造后的功能也仅仅是单一数控车床而已。在实践中采用了DSP TMS320F240微处理器作为数控系统的控制核心，提高了伺服系统控制的速度、稳定性、精度等性能，同时，实现了经济车床可进行车、铣、削等加工的多功能综合性数控改造。　　1.经济型车床的多功能化改造　　以改造经济型车床C616 A为例，车床结构参见图1所示。图1 C616A车床结构示意图　　具体方法是：与普通数控车床改造的不同在于：将原来车床刀架(或电动刀架)更换为动力铣头，用来夹持各类柄(棒)状铣刀，动力铣头的主轴轴线与车床中心线等高且垂直(也可转动900与车床中心线平行)。动力铣头由单独的电动机进行控制。更换动力铣头为车床刀架(或电动刀架)，即与普通数控车床相同。车床纵向(Z向)、车床横向(X向)运动由第1套二轴联动的数控主系统进行控制。　　在C616A车床主轴箱的Ⅺ轴左端部位，拆除原车床中连接Ⅺ轴、Ⅻ轴的齿轮(Z＝100)，用FWl60型万能分度头与Ⅺ轴左端连接，选用另一步进电机(与X向步进电机技术参数相同，t＝5mm，位移控制精度为0．005 mm)为Y向步进电机与FWl60型万能分度头输入蜗杆连接，因此，可以实现车床主轴Ⅵ的旋转控制(此时使车床主轴Ⅵ处于空挡位置)。FWl60型万能分度头和Y向步进电机安装在铸铁支架上。移开铸铁支架，装上Z＝100的齿轮，就可恢复普通车床原主轴箱与进给运动的传动连接。主轴的旋转运动即由第2套二轴联动的数控子系统进行控制。该数控子系统由数控主系统的发信指令控制启动运行。2套数控系统最好相同，以方便加工编程和数控加工的同步进行。　　Y向步进电机与分度头的输入蜗杆直接连接，选择分度头的传动比为i＝1：40，Y向步进电机转动1转，带动分度头主轴转动1／40转，Y向步进电机转动40转，可带动分度头主轴转动1转。而由车床主轴传动系统(见图1)可知，分度头主轴转动1转，带动车床主轴转动1转。　　在数控车床X向的运行控制中，X向步进电机与横向滚珠丝杠直接连接，当给定t＝5 mm的运行长度时，滚珠丝杠转动1转，X向步进电机也转动1转。当给定Y向运行长度Ly＝5×40＝200mm时，可以控制Y向步进电机转动40转，即控制车床主轴转动1转，以实现对工件的旋转控制。另外，从《机修手册》查得，C616A车床主轴传动链中，可调整离合器弹簧的松紧以得到不同的极限压力传递切削动力。　　经上述改造后的C616A车床，具有三坐标联动和任意2套二坐标联动的功能。　　2 控制系统的改造　　控制系统的核心采用美国TI公司的电机控制专用DSP微处理器芯片TMS320F240。它具有高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能，已成为MCS-51等传统的微控制系统和昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品。与其他方案相比，它不但具有高速信号处理和数字控制功能，而且为步进电机和其他电机控制应用提供了单片解决方案所必需的外围设备。　　2.1 DSP TMS320F控制系统的实现　　DSP TMS320F240主要由CPU（20MIPS的高速运算能力）、544×16的片内RAM、16K×16FLASHEEPROM、事件管理器、片内外围接口模块（EMIF）等几部分组成。具有电机控制的独特资源有：通用定时器、12路PWM脉宽调制输出，2路10位8通道A/D转换器、SPI和SCI:同步串行外设接口、看门狗（WATCHDOG）与实时中断定时器(RTI)。由于数控系统高速度和高精度的要求，选用12bits串行D/A转换器TLV5616,该器件带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接F240串行口，采用12bits并行A/D转换器，采集受控对象的输出并传送给F240,F240根据控制算法实时准确地修正控制输入。由于TMS320F240 的内部存储器不能满足需要，必须进行扩展，将程序存储器扩展为64K×16的SRAM存放零件加工程序,数据存储器扩展为64K×16的FLASH ROM存放系统程序。用DSP TMS320F240实现的C616A车床控制系统结构框图如图2所示，整个车床的DSP硬件路结构原理图如图3所示图2 DSP控制系统结构框图图3 DSP车床控制系统硬件原理框图　　2.2 车铣多功能加工的数控原理　　经过上述的数控改造后，数控主系统可以控制Z向、X向运动的运行；也可以与数控子系统串联，同时实现控制与Y向运动的联动运行(数控子系统Y向由数控主系统的发信指令控制启动运行)。数控主系统与子系统的联动加工流程控制如图4所示。图4 主、子数控系统联动加工流程图　　3 结束语　　采用该方法对我院数控中心的经济型车床C616A进行了改造，实现了在一个车床上可以进行一定的数控车、铣、削等多功能的加工。可以进行的加工主要有：轴类零件上的等分或不等分平面；轴类零件上的各类键槽；铣削加工丝杠；铣削轴类零件端面的沟槽及凸轮型面；车削加工轴类零件；抛磨加工轴类零件。另外，DSP系统的优良性能保证了数控伺服系统控制的高精度、高稳定性、高速度，实践证明，大大提高了零件加工的精度，拓展了数控车床的加工范围和质量，具有很强的实用性。

时间：2018-12-24 关键词：多功能嵌入式处理器数控车床经济型
基于嵌入式的数控雕刻机控制系统设计

引言随着科学技术和制造技术的不断发展进步，数字控制的雕刻机渐渐成为雕刻行业的专用工具。数控雕刻机从加工原理上讲是一种钻铣组合加工，是一种典型的机电一体化产品，在模具雕刻、广告制作、装潢等行业有着广泛的市场应用。目前市场上的数控雕刻机控制器硬件平台所用的微处理器主要包括：以8位单片机为内核，这类产品的价格低廉，设计比较简单，但是有功能单一、性能差、效率低、存储容量小、独立工作能力较弱、实用性能不强、定位精度不高、人机交互复杂、操作不方便等缺陷；以DSP为内核，这类雕刻机具有较强的性能及效率，实时性较强，成本适中，但是功能还是比较少，同样缺少独立工作能力，无法满足人机交互界面、外围电路接口、网络等方面的要求。本文提出了利用32位ARM9处理器与FPGA相结合来取代上述单片机与工控机的联机控制，以Windows CE.net操作系统为平台，由ARM完成速度控制， FPGA完成轨迹控制。在轨迹控制中结合了步进电机的转矩-频率特性，使电机的轨迹精确而且平稳。整个控制系统一体化完成从原始数据读取到最终控制信号的输出，彻底摆脱了对工控机的依赖；通过控制键盘设置不同的脉冲当量及电机运行参数，可与适用于各种场合的雕刻机床相配合使用，控制精度高、通用性强。控制系统设计一个嵌入式系统必定是由嵌入式硬件和嵌入式软件组成；嵌入式硬件主要包括嵌入式处理器、外设控制器、接口电路等；嵌入式软件主要包括启动程序、嵌入式操作系统、应用软件等。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心；嵌入式操作系统是嵌入式软件的核心。硬件系统硬件系统主要由以下三个部分组成：(1)处理器(ARM9)：作为控制器的处理器，在ARM上移植了Windows CE.net操作系统，人机互动方面要完成对LCD显示的控制和读取控制键盘的控制命令；在雕刻方面要完成对原始数据的读取（通过USB接口）、预处理、分析和计算，并将计算结果传递给FPGA，与FPGA协同完成对步进电机的控制。(2)FPGA：对接收到ARM发出的数据进行插补运算，并根据插补结果计算出控制步进电机的脉冲数目和延时，最终完成对步进电机的控制实现三轴联动的雕刻。(3)人机交互界面：人机交互界面主要包括了键盘和LCD。几乎所有关于雕刻的信息都实时的显示在LCD上；机床的脉冲当量以及雕刻最大速度和加速度等参数则是通过键盘设定的，同时在雕刻中键盘还可以根据需要输入特殊指令。硬件系统总体框架如图1所示。整个硬件核心为基于ARM920T的三星S3C2440处理器，搭配有64MB SDRAM作为系统的内存，128MB FLASH作为系统的外存，相当于硬盘，以便在断电后保存各种系统程序以及调试下载电路。外围辅助设备包括USB接口：大部分加工文件保存在U盘中，需要读取时从U盘调入，以节省FLASH存储空间；触摸式LCD：用来提供系统的显示以及操作；网络接口：用来提供网络服务，方便远程更新程序；控制键盘：用来提供加工时所需的操作，包括点控、起停和加减速等。与上位机通信通过串口或者USB接口，可实现在线调试或者在上位机中显示实时信息。FPGA与ARM以及过桥板相连，从ARM中获取数据并转换成控制信号，经过桥板放大电路放大，发送到步进电机的控制电路中。图1 硬件系统总体框架软件系统系统的软件选用了嵌入式实时多任务操作系统Windows CE.net。根据雕刻机控制系统的需求，系统任务模块可以分为：人机界面模块，USB接口模块和雕刻控制模块。其中人机界面模块包括LCD显示和键盘指令的读取；通过USB接口模块读取原始设计数据；雕刻控制模块对读取的数据分析计算后完成速度控制和轨迹控制。软件结构图如图2所示。控制系统中，ARM通过对设计数据的分析和计算完成速度控制，FPGA通过插补运算完成轨迹控制。控制系统应用程序流程图如图3所示。图2 系统软件结构图图3 控制系统应用程序流程图(1)读取数据，找出可在速度不出现突变的情况下可雕刻的最小单位的线条数，称之为判“S”。分别计算“S”中各轴的位移总量，定义“Sx”，“Sy”和“Sz”分别为x，y和z轴的位移总量。(2)根据操作设置的雕刻最大速度和加速度，计算出该段位移中各轴的速度分量和加速度分量。(3)判断当前数据处于哪种速度段，根据不同的情况计算各段位移的加速、匀速、减速段的脉冲数和各速度段的初始频率等这些数据，并把数据发送给FPGA。(4)FPGA根据接收到的数据进行插补运算，最终控制步进电机的转速，实现三轴联动。雕刻机连续轨迹控制在数控加工中，运动控制器通过插补算法来控制刀具相对于工件以一定的速度，按照给定的路径运动切屑出零件轮廓。插补技术是数控系统的核心技术，它主要解决控制刀具与工件运动轨迹的问题。本系统的插补运算是在以ARM9为核心的嵌入式处理器中完成的。以二维基本直线条的插补运算为例，首先根据脉冲当量，分别计算出XY轴各自的总待发送脉冲数mx和my。设定XY中脉冲数较多者为基础轴并将其作为参考轴，目的在于选取一个稳定的参考轴，以方便各脉冲发送的计算。实际运算时（以X轴为基础轴），根据加工速度以及脉冲当量，计算出基础轴发送脉冲的频率f，在每一个时间间隔内，均发送一个基础轴脉冲并累加发送次数m。当时，则在式1时，发送一次短轴脉冲。当时，则需要在 ([ ]为取整运算）后，延时后发送一次短轴脉冲。在式1中，倍数n亦可以看作是短轴的计数器，则当m=mx，即n=my时，插补运算完毕。该数字积分法脉冲发送示意图如图4所示：在图4(a)中，线段XY两轴比例为2:1，如果刻画动点按照既定路径运动，则XY两轴运动速度比为2:1。依据步进电机的控制规律，控制两轴的脉冲频率比同为2:1，且两轴脉冲发送数量比为2:1。根据上面的数字积分插补算法，首先计算出X轴的脉冲发送频率，在每一个时间间隔内，均发送一个基础轴脉冲，并且每隔2个基础轴脉冲即发送一个短轴脉冲，从而使短轴脉冲的频率为0.5，当基础轴发送完毕时，短轴脉冲亦发送完毕，数量与计算得出的相符。当两轴比例为3:2时，如图4(b)所示，则在每1.5个基础轴脉冲发送后发送一个短轴脉冲，有效的保证了脉冲发送比例，从而保证了刻画线段的精度。圆弧插补时，首先依据圆弧允许半径误差er计算出拟合弦长：(r为圆弧半径) 式2再根据拟合弦长l计算出对应的圆心角：式3图4 插补算法脉冲发送示意图通过弦长对应的圆心角将原圆弧重新划分为多条拟合直线，然后通过直线插补的方式完成圆弧刻画。该运算方式不再依赖每一次计数器的累加运算，而是依据速度矢量合成原理，通过控制各轴脉冲的发送比例，使合成点按照加工轨迹的方向运动，达到加工目的，避免了重复性的积分累加运算，可以一次性将所有脉冲数据运算完毕，只要按照一定的频率发送即可。插补算法的程序流程图如图5所示：图5 数字积分法插补流程图首先判断是否有外部中断信息输入，包括系统需求中的机械信号，如机床原点、工件加工原点、换刀、主轴调速和断电保护等输入/输出信号等，以及操作人员输入的暂停、停止加工、人为加、减速控制等信息。中断程序响应时需要保护好程序已经运算出的相关关键信息，包括读取的加工段落数据信息以及已经加工的段落位置信息。其次依据脉冲当量的定义：相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量，得各个加工轴脉冲总数为：（其中l为每一轴的长度分量）式4并选出具有最大加工脉冲数的轴作为基础轴。电机控制器还需要脉冲的方向信息，脉冲方向由事先约定好的方向规定来确定，可通过读入的数据文件判断。插补计算初始化阶段设置各计数参量初始值，如图5数字积分法插补流程图中所示，COUNT存储基础轴与短轴之间的比例值，其数值为：基础轴脉冲数/短轴脉冲数；LONG为基础轴的累加统计变量，基础轴每发送一个脉冲，其值加1；SHORT为短轴的累加统计变量，初始化阶段将COUNT的值赋予SHORT。每次插补运算以基础轴发送一个脉冲开始，并累加LONG中的值；然后判定LONG的值与SHORT值的整数部分，当两者相等时，表示此时将发送一个短轴脉冲，不等时则继续发送一个基础轴脉冲。发送短轴脉冲时，由于短轴的脉冲是跟随基础轴发送，所以计算其继基础轴发送后，所需的延时发送时间，其延时数值为1/f（SHORT-LONG），并将COUNT的值累加到SHORT中，新的SHORT值作为下一次发送短轴脉冲的判断基准。每次计算各个发送轴后，都将产生一组固定的信息：脉冲发送标志位，脉冲延时时间和脉冲方向标志位，这些信息将被进一步加工生成发送到FPGA中的控制脉冲信息。结果分析将ARM作为主运算处理器时，其上不仅要运行插补程序，进行实时的加工信息读入、速度控制预算以及脉冲发送的计算，同时还要运行后台操作系统，并处理用户输入信息，如果再在其上设定延时程序并控制脉冲发送，则ARM的运算负担将变得过重。因此，采用FPGA协处理运算方案，辅助ARM进行脉冲的延时发送。设FPGA的频率为，则其进行一次基数累加计算时间为，电机的当前执行速度为Vs，脉冲当量为，则当前的发送脉冲的频率为：式5则此时每个脉冲的间隔换算为FPGA的累加次数则为：式6在加减速阶段，采用指数方式，其中基础轴每一段的频率变化为事先计算好的，即式6中的fs为特定值，而对于短轴来说，其延时发送频率值可由计算时使用到的公式1/f（SHORT-LONG）求得，即每一步脉冲的频率用式6即可确定。ARM在计算每一次脉冲的发送时，需要将脉冲的延时计数次数一并计算，然后与脉冲发送的方向一起送到FPGA中。步进电机控制器对控制脉冲的持续时间有一定要求，设其需求的脉冲持续时间为TP，则FPGA中，脉冲的持续时间计数：式7FPGA通过送来的脉冲方向以及脉冲计数次数，即可以计数延时的方式，将此脉冲按照理论的计算频率发送至步进电机控制器，完成对电机控制器的控制脉冲发送。发送的控制波形图如图6所示：图6 各轴脉冲发送波形图由图6可以看出，该插补算法不仅发送脉冲均匀且成比例发送，短轴可依据自己的频率变化规律对电机进行控制。结语根据雕刻机的实际需求和步进电机的转矩-频率特性，开发出了基于嵌入式的数控雕刻机控制系统。该系统硬件上以ARM与FPGA为核心，软件上以Windows CE.net操作系统为平台，结合步进电机的固有特性和插补程序，使得雕刻机三轴联动完成各种雕刻文件。实践表明，该控制器可以脱离工控机的支持，独立完成对原始设计数据的分析和计算，并最终通过插补算法控制电机完成雕刻，在雕刻过程中可以精确的做到速度控制和轨迹控制。

时间：2018-11-20 关键词：嵌入式控制系统嵌入式开发数控雕刻机
台达变频器在数控机床的应用

一、简介数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量都有着很重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。目前对客户来说由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。台达M系列变频器以其独特的性能和优越的性价比，在数控机床的应用上迅速崛起，成为目前市场上一支强大的生力军。二、变频器特点的介绍 1．体积小，属于迷你型产品，占用控制柜空间较小； 2．控制方式为正弦波SPWM（提供无速度反馈矢量控制），控制性能较以前的VF控制方式有很大性能上的改善，特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求，5HZ时起动转矩能够达到150%以上； 3．载波频率范围0-15KHz，减小电机的电磁噪音； 4．提供标准的0-10V模拟量接口（输入阻抗47Kohm，输出阻抗250Kohm），能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强； 5．过负载能力强，150%以上额定输出电流超过一分钟； 6．提供多功能的输出端子信号，例如零速信号，运转中信号，速度到达信号，故障指示，满足系统对于主轴速度状态的监控； 7．自动转矩补偿，满足机床主轴在低速情况下的加工需求； 8．提供三组异常纪录，供维修人员从侧面了解机床主轴实际的运行状况； 9．电机参数自动整定功能，在线识别电机参数，保证系统的稳定性和精确性。三、调试环境以及接线、调试方法客户选配电机为3.0KW/50Hz/380V，选用变频器型号为VFD037M43，制动电阻400W/150ohm。变频器AVI/GND端子提供与数控系统速度模拟量，AVI接数控系统模拟量接口正信号，GND接负信号，信号为0-10V模拟电压信号，控制主轴转速。M0/M1/GND为变频器的正转/反转信号端子，通常由数控系统发出正转信号FWD或者反转REV，来驱动中间继电器，中间继电器的常开接点接入变频器M0/GND或者M1/GND，从而控制变频器的正反转。在参数调整过程中，需要注意： 1．P00参数为选择主频率输入设定来源，设置为模拟信号0-10V输入（1）； 2．P01参数为运转信号来源设定，设置为外部端子信号控制（2）； 3．P03最高操作频率选择，对应于模拟信号10V输入时变频器的输出频率，由于是在0-3500rpm范围内调速，将机械减速比这算进去以后，此参数需要设置为184HZ； 4．P04和P05按照电机铭牌设置，P04=50Hz，P05=380V； 5．P10和P11为加速时间和减速时间，根据客户的要求，P10=5S，P11=5S； 6．P105为控制方式的选择，需要选择矢量控制，P105=1；特别需要注意，由于矢量控制需要提供电机参数（阻抗），变频器提供电机参数自整定功能P103，选择P103=2，通过面板运行键，变频器会自动运行。自动运行过程中，除了计算出电机参数以外，还能够检测出空载电流，这几个参数对于矢量控制能够表现出较高的性能非常重要，这个过程会持续十几秒钟时间。在执行自整定功能前，一定要确认电机侧是否没有任何连接，包括减速皮带。四、调试结果测试结果如下：表1 空载电流测试结果表2 负载电流测试结果从上表可以看出在恒转矩输出的频率段（0-50Hz），矢量控制的空载电流几乎只有VF控制的一半，负载时电流也比VF小一些；而且负载切削时，VF控制在初期有很明显的速度下降，而且空载速度和负载速度有比较大的差值。而相对于矢量控制，主轴转速初期虽然也会有下降，但是下降值较小，并且速度会很快回升，最终空载速度和负载速度相差不是很明显。经过上面的调试，相比较原来的VF控制，性能有了很大的改善，无论从空载电流，低速力矩，还是速度的变化，效果都是非常明显的，完全能够满足数控机床的需求。

时间：2018-11-15 关键词：机床变频器调试电源技术解析数控
基于嵌入式的数控雕刻机控制系统设计

引言随着科学技术和制造技术的不断发展进步，数字控制的雕刻机渐渐成为雕刻行业的专用工具。数控雕刻机从加工原理上讲是一种钻铣组合加工，是一种典型的机电一体化产品，在模具雕刻、广告制作、装潢等行业有着广泛的市场应用。目前市场上的数控雕刻机控制器硬件平台所用的微处理器主要包括：以8位单片机为内核，这类产品的价格低廉，设计比较简单，但是有功能单一、性能差、效率低、存储容量小、独立工作能力较弱、实用性能不强、定位精度不高、人机交互复杂、操作不方便等缺陷；以DSP为内核，这类雕刻机具有较强的性能及效率，实时性较强，成本适中，但是功能还是比较少，同样缺少独立工作能力，无法满足人机交互界面、外围电路接口、网络等方面的要求。本文提出了利用32位ARM9处理器与FPGA相结合来取代上述单片机与工控机的联机控制，以Windows CE.net操作系统为平台，由ARM完成速度控制， FPGA完成轨迹控制。在轨迹控制中结合了步进电机的转矩-频率特性，使电机的轨迹精确而且平稳。整个控制系统一体化完成从原始数据读取到最终控制信号的输出，彻底摆脱了对工控机的依赖；通过控制键盘设置不同的脉冲当量及电机运行参数，可与适用于各种场合的雕刻机床相配合使用，控制精度高、通用性强。控制系统设计一个嵌入式系统必定是由嵌入式硬件和嵌入式软件组成；嵌入式硬件主要包括嵌入式处理器、外设控制器、接口电路等；嵌入式软件主要包括启动程序、嵌入式操作系统、应用软件等。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心；嵌入式操作系统是嵌入式软件的核心。硬件系统硬件系统主要由以下三个部分组成：(1)处理器(ARM9)：作为控制器的处理器，在ARM上移植了Windows CE.net操作系统，人机互动方面要完成对LCD显示的控制和读取控制键盘的控制命令；在雕刻方面要完成对原始数据的读取（通过USB接口）、预处理、分析和计算，并将计算结果传递给FPGA，与FPGA协同完成对步进电机的控制。(2)FPGA：对接收到ARM发出的数据进行插补运算，并根据插补结果计算出控制步进电机的脉冲数目和延时，最终完成对步进电机的控制实现三轴联动的雕刻。(3)人机交互界面：人机交互界面主要包括了键盘和LCD。几乎所有关于雕刻的信息都实时的显示在LCD上；机床的脉冲当量以及雕刻最大速度和加速度等参数则是通过键盘设定的，同时在雕刻中键盘还可以根据需要输入特殊指令。硬件系统总体框架如图1所示。整个硬件核心为基于ARM920T的三星S3C2440处理器，搭配有64MB SDRAM作为系统的内存，128MB FLASH作为系统的外存，相当于硬盘，以便在断电后保存各种系统程序以及调试下载电路。外围辅助设备包括USB接口：大部分加工文件保存在U盘中，需要读取时从U盘调入，以节省FLASH存储空间；触摸式LCD：用来提供系统的显示以及操作；网络接口：用来提供网络服务，方便远程更新程序；控制键盘：用来提供加工时所需的操作，包括点控、起停和加减速等。与上位机通信通过串口或者USB接口，可实现在线调试或者在上位机中显示实时信息。FPGA与ARM以及过桥板相连，从ARM中获取数据并转换成控制信号，经过桥板放大电路放大，发送到步进电机的控制电路中。图1 硬件系统总体框架软件系统系统的软件选用了嵌入式实时多任务操作系统Windows CE.net。根据雕刻机控制系统的需求，系统任务模块可以分为：人机界面模块，USB接口模块和雕刻控制模块。其中人机界面模块包括LCD显示和键盘指令的读取；通过USB接口模块读取原始设计数据；雕刻控制模块对读取的数据分析计算后完成速度控制和轨迹控制。软件结构图如图2所示。控制系统中，ARM通过对设计数据的分析和计算完成速度控制，FPGA通过插补运算完成轨迹控制。控制系统应用程序流程图如图3所示。图2 系统软件结构图图3 控制系统应用程序流程图(1)读取数据，找出可在速度不出现突变的情况下可雕刻的最小单位的线条数，称之为判“S”。分别计算“S”中各轴的位移总量，定义“Sx”，“Sy”和“Sz”分别为x，y和z轴的位移总量。(2)根据操作设置的雕刻最大速度和加速度，计算出该段位移中各轴的速度分量和加速度分量。(3)判断当前数据处于哪种速度段，根据不同的情况计算各段位移的加速、匀速、减速段的脉冲数和各速度段的初始频率等这些数据，并把数据发送给FPGA。(4)FPGA根据接收到的数据进行插补运算，最终控制步进电机的转速，实现三轴联动。雕刻机连续轨迹控制在数控加工中，运动控制器通过插补算法来控制刀具相对于工件以一定的速度，按照给定的路径运动切屑出零件轮廓。插补技术是数控系统的核心技术，它主要解决控制刀具与工件运动轨迹的问题。本系统的插补运算是在以ARM9为核心的嵌入式处理器中完成的。以二维基本直线条的插补运算为例，首先根据脉冲当量，分别计算出XY轴各自的总待发送脉冲数mx和my。设定XY中脉冲数较多者为基础轴并将其作为参考轴，目的在于选取一个稳定的参考轴，以方便各脉冲发送的计算。实际运算时（以X轴为基础轴），根据加工速度以及脉冲当量，计算出基础轴发送脉冲的频率f，在每一个时间间隔内，均发送一个基础轴脉冲并累加发送次数m。当时，则在式1时，发送一次短轴脉冲。当时，则需要在 ([ ]为取整运算）后，延时后发送一次短轴脉冲。在式1中，倍数n亦可以看作是短轴的计数器，则当m=mx，即n=my时，插补运算完毕。该数字积分法脉冲发送示意图如图4所示：在图4(a)中，线段XY两轴比例为2:1，如果刻画动点按照既定路径运动，则XY两轴运动速度比为2:1。依据步进电机的控制规律，控制两轴的脉冲频率比同为2:1，且两轴脉冲发送数量比为2:1。根据上面的数字积分插补算法，首先计算出X轴的脉冲发送频率，在每一个时间间隔内，均发送一个基础轴脉冲，并且每隔2个基础轴脉冲即发送一个短轴脉冲，从而使短轴脉冲的频率为0.5，当基础轴发送完毕时，短轴脉冲亦发送完毕，数量与计算得出的相符。当两轴比例为3:2时，如图4(b)所示，则在每1.5个基础轴脉冲发送后发送一个短轴脉冲，有效的保证了脉冲发送比例，从而保证了刻画线段的精度。圆弧插补时，首先依据圆弧允许半径误差er计算出拟合弦长：(r为圆弧半径) 式2再根据拟合弦长l计算出对应的圆心角：式3图4 插补算法脉冲发送示意图通过弦长对应的圆心角将原圆弧重新划分为多条拟合直线，然后通过直线插补的方式完成圆弧刻画。该运算方式不再依赖每一次计数器的累加运算，而是依据速度矢量合成原理，通过控制各轴脉冲的发送比例，使合成点按照加工轨迹的方向运动，达到加工目的，避免了重复性的积分累加运算，可以一次性将所有脉冲数据运算完毕，只要按照一定的频率发送即可。插补算法的程序流程图如图5所示：图5 数字积分法插补流程图首先判断是否有外部中断信息输入，包括系统需求中的机械信号，如机床原点、工件加工原点、换刀、主轴调速和断电保护等输入/输出信号等，以及操作人员输入的暂停、停止加工、人为加、减速控制等信息。中断程序响应时需要保护好程序已经运算出的相关关键信息，包括读取的加工段落数据信息以及已经加工的段落位置信息。其次依据脉冲当量的定义：相对于每一脉冲信号的机床运动部件的位移量，得各个加工轴脉冲总数为：（其中l为每一轴的长度分量）式4并选出具有最大加工脉冲数的轴作为基础轴。电机控制器还需要脉冲的方向信息，脉冲方向由事先约定好的方向规定来确定，可通过读入的数据文件判断。插补计算初始化阶段设置各计数参量初始值，如图5数字积分法插补流程图中所示，COUNT存储基础轴与短轴之间的比例值，其数值为：基础轴脉冲数/短轴脉冲数；LONG为基础轴的累加统计变量，基础轴每发送一个脉冲，其值加1；SHORT为短轴的累加统计变量，初始化阶段将COUNT的值赋予SHORT。每次插补运算以基础轴发送一个脉冲开始，并累加LONG中的值；然后判定LONG的值与SHORT值的整数部分，当两者相等时，表示此时将发送一个短轴脉冲，不等时则继续发送一个基础轴脉冲。发送短轴脉冲时，由于短轴的脉冲是跟随基础轴发送，所以计算其继基础轴发送后，所需的延时发送时间，其延时数值为1/f（SHORT-LONG），并将COUNT的值累加到SHORT中，新的SHORT值作为下一次发送短轴脉冲的判断基准。每次计算各个发送轴后，都将产生一组固定的信息：脉冲发送标志位，脉冲延时时间和脉冲方向标志位，这些信息将被进一步加工生成发送到FPGA中的控制脉冲信息。结果分析将ARM作为主运算处理器时，其上不仅要运行插补程序，进行实时的加工信息读入、速度控制预算以及脉冲发送的计算，同时还要运行后台操作系统，并处理用户输入信息，如果再在其上设定延时程序并控制脉冲发送，则ARM的运算负担将变得过重。因此，采用FPGA协处理运算方案，辅助ARM进行脉冲的延时发送。设FPGA的频率为，则其进行一次基数累加计算时间为，电机的当前执行速度为Vs，脉冲当量为，则当前的发送脉冲的频率为：式5则此时每个脉冲的间隔换算为FPGA的累加次数则为：式6在加减速阶段，采用指数方式，其中基础轴每一段的频率变化为事先计算好的，即式6中的fs为特定值，而对于短轴来说，其延时发送频率值可由计算时使用到的公式1/f（SHORT-LONG）求得，即每一步脉冲的频率用式6即可确定。ARM在计算每一次脉冲的发送时，需要将脉冲的延时计数次数一并计算，然后与脉冲发送的方向一起送到FPGA中。步进电机控制器对控制脉冲的持续时间有一定要求，设其需求的脉冲持续时间为TP，则FPGA中，脉冲的持续时间计数：式7FPGA通过送来的脉冲方向以及脉冲计数次数，即可以计数延时的方式，将此脉冲按照理论的计算频率发送至步进电机控制器，完成对电机控制器的控制脉冲发送。发送的控制波形图如图6所示：图6 各轴脉冲发送波形图由图6可以看出，该插补算法不仅发送脉冲均匀且成比例发送，短轴可依据自己的频率变化规律对电机进行控制。结语根据雕刻机的实际需求和步进电机的转矩-频率特性，开发出了基于嵌入式的数控雕刻机控制系统。该系统硬件上以ARM与FPGA为核心，软件上以Windows CE.net操作系统为平台，结合步进电机的固有特性和插补程序，使得雕刻机三轴联动完成各种雕刻文件。实践表明，该控制器可以脱离工控机的支持，独立完成对原始设计数据的分析和计算，并最终通过插补算法控制电机完成雕刻，在雕刻过程中可以精确的做到速度控制和轨迹控制。

时间：2018-10-15 关键词：嵌入式控制系统数控雕刻机
一种高精度数控直流稳压电源的设计

摘要：本文介绍了一种以常用电子元器件构成的高精度数控直流稳压电源，该电源具有调整方便、步进精度高等特点，可作为电子仪器直流标准电压源。0 引言在厂矿企业和大中专院校的实验室中，直流稳压电源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用。而目前常见的直流稳压电源，大都采用串联反馈式稳压原理，通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄（约300 ），使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。本文给出一种输出电压在0~15V 之间并以3.6621mV 为步进值进行电压精确调整的数控直流稳压电源电路，其最大输出电流可达3A.1 系统工作原理及各单元电路的组成系统工作原理为：计数器产生的可增加或减少的二进制数字量通过D/A 转换把数字量转换为模拟电压，经功率放大后输出并显示。1.1 系统电源单元由市电AC 220V 经降压、整流、滤波后得到±21V 直流电压作为功率放大部分的电源电压该电压，再经三端稳压器7815 、7915、 7805、 7905 稳压后输出±15V 、±5V 电压，作为系统数字控制及模拟放大部分的电源电压。电路如图1 所示。图1 系统电源原理图全文PDF下载：一种高精度数控直流稳压电源的设计.rar4次

时间：2018-09-21 关键词：电源技术解析数控直流稳压电源
数控直流稳压电源设计

随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，传统应用技术，由于功率器件性能的限制使开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，为了提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源，十分必要。1 几种数控直流稳压电源设计方案比较1．1 几种设计方案电路原理方案1：采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出±5 V、±12 V、±15 V并能可调输出0～30 V电压，见图1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。方案2：此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D／A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。方案3：此方案不同于方案1之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D／A变换后控制误差放大同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。方案4：此方案采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理。利用单片机程控输出数字信号，经过D／A转换器(DA0830)输出模拟量，再经开关电源控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流／电压转变后，通过A／D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，经过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。而且采用PWM控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。 2 方案的比较与论证(1)输出模块方案1采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加／减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响，此输出只能是用万用表量出。而方案2、方案3中使用运算放大器做前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以减少输出端的纹波电压。在方案1中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入，方案4中的输出电压波形与D／A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统有一定驱动能力的信号源。(2)数控模块方案1利用纯硬件来控制电压的输出，其中最基本的电路原理分析，需要计算负载的大小，稳压管的选择有关，方案2、方案3中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，如方案1中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。在方案4中采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时，AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。(3)控制模块在该系统中，采用具有D／A转换功能的PWM调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管(LM317)去控制输出参考电压，在利用A／D转换采样，使输出更准确，且纹波小，电流亦可扩展，容易保护电路。(4)显示模块方案2、方案3中的显示输出地对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D／A变换的输入量，由于D／A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案4中采用A／D转换电路，通过对输出电压的采样，经过单片机的分析处理，通过数据的反馈环节，使电压更加稳定，这样使得显示值与实际输出之间的偏差减为最小。方案4采用4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理，还采用了键盘／显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。3 结束语如前所述，虽然方案3比前两者有许多优点，但方案1、方案2对于完成设计要求并非不可行，而且在某些方面还具有优势，之所以采用方案4，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步的功能扩展较为方便。

时间：2018-09-20 关键词：直流稳压电源电源技术解析数控
基于C8051F500的数控恒流源设计

引言放射法测井是测井方法的重要组成部分，相对于r射线，X射线具有获得容易、辐射可控、环保等优点而得到广泛应用X射线管的灯丝经过大电流（0~2A）的加热产生大量的自由电子，自由电子在高压电源的强电场作用下加速，加速后的高速自由电子轰击阳极靶材，产生X射线X射线管的灯丝供电电流能够调节射线的强度若使用电压源供电，由于灯丝电阻会随着通电时间增加而发热，导致灯丝电阻并不是一个恒定值，灯丝电阻的波动会引起电流的波动，进而影响X射线机发出的射线强度的稳定性X射线具有较强的辐射能力，长期照射对人体组织伤害很大，昕以应避免操作人员近距离操作基于以上问题，本文设计并研制了一种硬件电路1、硬件系统框图硬件系统如图l所示，整个系统包含单片机、按键、液晶显示、D/A转换器、A／D转换器、485通信接口及由开关电源构成恒流电路，本系统单片机选用SiliconLab公司的处理器芯片C8051F500，该芯片为8位51内核结构，主频可达50MHz，片内集成12位逐次比较型A/D转换器，最高采样率可达200KPS，且片内自动提供参考电压外部有48个引脚，一个UART、一个通用SPI、一个CAN总线等丰富的通信接口。片内集成多达64KFLASHROM空间，可存储较为复杂的代码，并有4KXRAM，无需再外部扩展RAM。2、系统各模块设计实现2.1、Buck型开关电源及其反馈电路设计Buck型变换器又称为降压变换器，结构如图2所示Udo是稳定的直流电源，VT为开关管，VD1为续流二极管，L1为储能电感，电容C1、C2滤除纹波并且储能反馈回路由电流采样电阻Rl、运放OP07、片内A/D转换器和DAC0800构成，单片机为控制核心，D/A转换器为PWM控制器提供参考电压Ur。当开关管VT导通时，电压U．与输入电压Uout相等，二极管VD．处于反向截止状态，电流IVD，为零电流IVT=ILI，流经电感Ll，电流线性增加当PWM波电平改变，开关管截止时，电感L．为了保持其电流IL1不会突变，电感L．中的磁场将改变其两端的电压极性，这时二极管VD1承受正向偏压，并有电流IVD，流过，二极管VD．使电感L两端的电流IL1保持连续变化，因此VD1为续流二极管当时ILl《lout，电容Cl、C2处于放电：l犬态；当ILl》lout电容Cl、C2处于充电状态电容Cl、C2有利于输出电流Iout，和输出电压Uout保持恒定开关电源的开关频率取决于PWM控制器Sg3525的振荡频率在输出端，输出电流Iout流经电阻R1，R1两端产生压降，对电阻Rl两端电压进行采样，经运算放大器放大后送入单片机内部A/D，根据运算放大器理论可知：Usamp=RlIout（l+R3/R2）根据上式可得：Iout=Usamp/（R1+RIR3/R2）使用C8051F500内部自带A/D转换器，采样得到数据反映着电源输出的电流值每次采样结束启动采样中断，通过中断函数计算采样电流IOLit，将预设的电流值Iset与采样得到的电流值I进行比较，根据误差大小调整参考电压Uref，经D/A转换器DAC0800将参考电压传给PWM控制器Sg3525，进而改变PWM波的占空比便可调节开关管VT的导通时间，调节输出电压U，U与占空比D的关系如式：Um=DUdo2.2、按键和液晶显示接口电路设计系统设计了按键输入和液晶显示功能，与单片机接口如图4所示四个按键分别接四个4.7K的上拉电阻R1～R4，当有按键按下时，单片机对应的检测端口检测到低电平，当无按键按下时为高电平在整1、程序执行过程中，若采用查询方式检测按键，会占用较大的CPU资源，固本计采用中断和查询相结合的方式，通过在程序中使用无条件转移指令和死循环相结合来实现。2.3、通信接口电路设计RS485是异步串行通信接口，它的优点是比RS232拥有更高的传输速度和更远的传输距离，最远可达1200米。本文设计数控恒流源为了更好保护操作人员免受X射线伤害，操作人员需要远离现场，故选择了RS485通信接口进行远程控制。LTC485M与单片机的接口如图6所示，于采用半双工通信，RE_A引脚用于控制单片机处于发送数据状态（高电平）或者接收数据状态（低电平）。A、B两引脚用于将要发送UART的信号翻译成485差分信号，或者将接收到的差分信号翻译成UART信号。2.4、系统设计实现本系统中C8051F500单片机的开发软件使用KEIL开发工具，用C语言编程方便、简单，程序可读性好。程序通过JTAG调试接口可以对程序在线调试、下载。程序的硬件电路板如图7所示。3、总结本系统结合X射线发射条件的原理，根据X射线管灯丝所需电流要求，设计控制范围为0—2A的数控恒流源。由于核心功能电路部分使用开关电源实现，前期所提供的直流电压的稳定性对后续恒流源精度影响较大、对于采样电阻Rs要求电阻功率大、阻值小、温漂小，才能保证反馈的精度。经试验使用RS485通信接口控制恒流源的控制距离至少30m，可以使操作人员在远离射线源的情况下远程控制。

时间：2018-09-20 关键词：恒流源电源技术解析数控
基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计

1 设计任务设计并制作数控直流电流源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压≤10V。原理框图如1所示。要求：输出电流范围：200mA～2000mA；可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1％+10mA；具有步进调整功能，步进≤10mA；纹波电流≤2mA；改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1％+10mA。 2 系统设计方案鉴于目前数控直流源一般采取运放构成的电流-电压转换电路与单片机结合，设计方案大多为开环系统，主控制器仅用于数字给定及显示，没有对输出电流进行检测和控制。本文在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，引入电流负反馈，在采样电阻上获取和电流成正比的采样电压，并接人运算放大器的反向输入端，实现负反馈，形成恒流输出的闭环控制系统；软件方面，将具有全局寻优能力但收敛速度慢的遗传算法和具有收敛速度快且局部寻优能力强的直接搜索法结合在一起，设计基于遗传算法和直接搜索策略的混合优化算法，充分利用了遗传算法的全局搜索能力并以此作为优化过程的“粗调”，同时利用直接搜索法良好的局部搜索能力作为优化过程的“微调”，集中了两者的优点，而克服了两者的弱点，得到的目标函数值较遗传退火策略更优，而且一致性更好，用于PID参数整定是具有整定速度快，调节时间短，稳态误差小等优点。同时结合PID算法，形成软件闭环，实现对输出电流的精确控制。系统工作原理如下：由键盘预置电流值，输入到单片机；采样电阻采集的电流信号经A／D转换器送入单片机，当两值之差绝对值为零或不大于设定值时，不作任何调整；当两值之差大于设定值时，运用PID算法进行调整，送人D／A转换，调整输出电流，直到差值在允许的范围内。单片机控制液晶显示电流的设定值、实际输出值和电流步进值。其原理示意图如2所示。 3 硬件电路设计数控直流电流源由自制电源电路、键盘输入电路、显示电路、单片机最小系统、D／A转换电路、恒定电流源电路、A／D转换电路和输出电流采集等模块电路组成。 3.1 采用比较适合的新型的Atmega128单片机目前大多数控恒流源设计方案是以51系列单片机作为电流源控制器，该系列单片机性价比高，接口电路开发成熟，应用广泛。但执行速度慢，集成的电路稳定性差，且容易受干扰，内部没有看门狗电路，容易死机，没有集成A／D、D／A转换芯片。与51系列单片机相比，ATmega128具有高速运行处理能力，电路稳定性好，内部有可编程带内部振荡器的看门狗定时器，带有8通道单端或差分输入的10位A／D转换芯片。本系统选用ATmega128作为电流源控制器，使用高精度、具有比较匹配中断功能的定时器，实现高精度的PID算法。控制器主要实现以下功能：(1)控制键盘输入电流设定值；(2)控制A／D转换电路把实测电流值转换成数字量；(3)比较电流设定值与实测值的大小，根据比较结果，用PID算法进行调整；(4)控制D／A转换电路把调整好的数字电流量转换为模拟电压量；(5)显示设定电流值、实测电流值和步进电流值；(6)记录故障持续时间。 3.2 恒定电流源设计本设计采用集成有运放的线性恒流源。电路由两个低漂移运放LM358、晶体管TIP41C、负载电阻R、限流电阻R3和直径为1mm康铜丝绕制成的电流反馈采样电阻RF组成，如图3所示。采样电阻Rf将电流信号以电压的形式加到运放的输入端，构成电流并联负反馈电路，减轻后级电路对D／A的影响，同时可以得到恒流输出，使电流源具有较好的稳定性。TIP41C是大功率晶体管，工作在线性放大区时，最大集电极电流为4 A，放大倍数为20～70倍。负载电流仅由输入电压决定，而与负载R的大小无关。由于运放电源的限制，负载只能在一定范围内变化。当输入电压不变时，负载电阻在一定范围内变化，输出电流将保持不变，构成恒流源电路。本方案的另外一个特色是，采用康铜丝组成采样电阻，康铜丝的温度系数为5ppm／℃，通过电流时引导起的温度升高对其电阻阻值并不会有太大影响，温度特性好，同时采用反向对称绕法把其绕制成空心绕线电阻，以减少绕制电阻时产生附加的电感，达到减少纹波电流的目的。为保证足够的V-I转换精度，电路中各电阻应选用精密电阻。 3.3 A／D转换器设计本系统的电流测量部分由12位A／D芯片TLC2543构成，该芯片是一种12位开关电容逐次逼近A／D转换器，芯片共有11个模拟输入通道。芯片的串行三态输出数据端、输人数据端、输入／输出时钟3个控制端能形成与微处理器之间数据传输较快和较为有效的串行外设接口。12位A／D可以达到该系统的1％+1mA的精度要求。 3.4 声光报警电路数控直流电流源有过流保护功能，即当实际电流输出超4000mA，可实现报警，并使输出电流降为0mA。 3.5 自制电源模块设计本设计需要12V及5V直流电压。整个系统的电压外接220 V交流电压，将外接电压通过整流变压器得到15 V左右交流电压，再经过电桥整流得到直流电压，15 V直流电压经过电容的滤波，然后再通过三端稳压块7805转换得到5 V电压，通过三端稳压块7812得到12 V电压。 3.6 人机交互界面与数码管相比，液晶显示屏具有功耗低、可视面积大，分辨率高，抗干扰能力强，字符操作方便等特点，并且编程容易，占用控制器的资源不多等优点。本设计采用LCD1602显示0～2300mA电流，发光二极管LED1、LED2指示电流测量方式和电流设定方式，当二者交替点亮表示当前为交替显示电流的给定值和实测值，LED3、LED4、LED5分别指示3种步长(1mA、10mA、100mA)。因编码键盘扫描采用中断方式，具有占用I／O口较少的优势，本设计采用2×8编码键盘，共16个按键。编码键盘采用硬件电路代替软件判断按键编号的方式，当按键按下时，键盘通过优先编码器进行编码，编码器同时向单片机发出中断信号，单片机读取键号，调用按键子程序进行相应处理。 3.7 D／A转换器设计为实现输出电流范围10mA～4000mA、步进1mA的要求，应选用分辨率高的DAC，本设计采用MAX538为D／A转换电路的核心器件。 MAX538是12位串行数模转换器，具有转换速度快、精度高、功耗低等特点。本芯片为8脚串口数据输入D／A转换芯片，占用单片机引脚资源少，程序编辑方便,外围电路扩展简单。由于MAX538具有内部基准电压为4.096V，由公式()可得MAX538输出电压精度为1(mV)，加在阻值为1Ω的康铜丝电阻两端可使其产生1(mA)电流(即步进1mA)，试验显示能达到指标。 3.8 系统的组成 (1)控制器件：ATmega128单片机； (2)键盘输入电路：2 × 8编码键盘； (3)显示电路：LCD1602； (4)恒定电流源电路：LM358、TIP41C、采样电阻RF； (5)声光报警电路：发光二极管和蜂鸣器； (6)记录故障时间：ATmega128单片机内置的定时器／计数器； (7)A／D转换器：TLC2543； (8)D／A转换器：MAX538； (9)自制电源模块：整流变压器、整流桥、电容、三端稳压块7812及7805 4 软件设计在数控恒流源闭环控制系统中，为保持负载电流恒定，并且负载电流随设定值变化时没有超调，同时又希望系统有较好的抗扰动性能，本设计采用PID控制器来改善系统的性能。具体控制过程为：ATmega128经A／D转换器读取实际输出电流I，然后和设定的电流IS相比较，得出差值Ek=IS-I，主控制器根据Ek的正负大小，调节PID控制器，计算出本次电流调节的增量△Ik，然后根据前一次D／A芯片输出的电流Iq-1，计算本次的输出电流。PID控制器的参数由自行设计的混合最优算法确定。 4.1 混合最优算法设计鉴于遗传算法收敛慢，易早熟，且对参数依赖性大，而直接搜索法在局部有很好的搜索能力。本设计综合利用两种算法的优良性能，克服各自的缺点，先用遗传算法在给定的区域上作“全局粗略”搜索，然后用直接搜索法对其中部分较优个体在这些个体所在极小区域作“局部精绌”搜索，找出它的极小值，反复进行，可以比较迅速地找出PID算法参数的全局最优解。控制器ATmega128主要用来实现遗传算法参数自整定，数据存储器存储一些专家经验，用来初步确定整定目标域，同时也存储遗传算法的每代样本数据及控制参数。严格地说，遗传算法的迭代何时停止，在理论上尚无定论。在许多应用实例中，若发现群体中个体的进化已趋于稳定状态，则迭代终止。对于PID参数自整定，调节过程进入相对稳定状态，则终止迭代算法。所以把迭代次数等于最大迭代数目M或者精度调节变化量小于某个预设值作为算法终止的条件，混合最优算法流程图如图4所示。4.2 软件实现基于模块化思想，系统软件设计部分由C语言和汇编语言混合编写而成，发挥了C语言高效运算和快速开发以及汇编语言的灵活的特点。系统软件主要完成输出设定、电流调整等功能。包括主程序、A／D采样子程序、D／A输出电流给定值及按键控制、PID算法子程序、混合最优算法子程序、LCD显示等其他子程序。主程序流程图如图5所示。 5 系统功能测试 (1)系统输出电流范围为10mA～4000mA； (2)具有3种步长可选的电流步进功能，可通过“+”、“-”按键方便地进行正负步进调整； (3)可交替显示电流的给定值和实测值，实际测量输出电流误差的绝对值≤测量值的0.1％+1mA； (4)改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，输出电流的绝对值≤输出电流值的0.1％+1mA； (5)纹波≤0.15Ma 6 结论本数控直流电流源系统以Atmega128为主控制器，采用软硬件双闭环反馈方法，使电源的稳定性和输出精度得到保证，并有普通稳压源实现了稳流输出。通过按键来设置电流源的输出电流，设置步进级可选。在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，以满足系统的设计要求。编辑：博子

时间：2018-09-20 关键词：电源技术解析数控电源设计 atmega128 最优算法
基于VUSB的数控直流稳压电源的设计

摘要：介绍了一种调节精度高，操作简便的数控直流稳压电源。采用AVR系列单片机Atmega8作为主控单元，通过不同的数字量输入设置D/A转换芯片MAX522的输出电压。DAC输出电压则经过μA741组成的两级运放电路及射极输出器ZTX453进行电压电流放大。其中DAC输入的5.12V参考电压是由LM366集成稳压器产生的。上位机通过基于AVR单片机特有的VUSB技术与下位机进行通讯，同时介绍了Windows平台下USB设备驱动程序的实现。此电压源实现了电压值读取与设置的可见与可控性，可作为部分测试设备的嵌入式电源模块使用。0 引言数控直流稳压电源是电子技术中常用的设备之一，目前所使用的大多是通过旋钮开关调节电压值，调节精度不高，而且经常出现跳变，使用起来极不方便。本数控直流稳压电源通过上位机设置输入到DAC的数字量，输出步进可调的电压。上位机与下位机通过软件模拟的USB进行通信。传统的单片机与计算机进行USB通信，需要使用专用的接口芯片进行USB 协议转换，如CP2101、FT232、CH342、PDIUSBD12、SL811等。像CP2101、FT232这样的芯片使用起来虽然简单，但是功能比较单一；而PDIUSBD12、SL811功能较强，但是使用复杂。并且这些专用芯片的价格都相对较高，增加了系统的成本。而VUSB简单易用，成本低廉，只需要一个普通的低成本AVR单片机以及很少的几个外部元件，就可以组成一个USB系统。1 系统硬件设计系统组成框架如图1所示，主要由8路串行输入DACMAX522、稳压输出电路、VUSB接口电路、信号调理电路、单片机Atmega8及其他外围元件组成，可以输出0~12V的电压，步进精度为0.1V,电流可达2A.同时可以通过上位机设置输出的电压值。图1 数控直流稳压源组成1.1 模数转换。D/A 转换主要是利用MAX522 芯片来实现的。MAX522芯片内有2路8位电压缓冲输出D/A 转换器（DAC A和DAC B），8脚节省封装和DIP封装，DAC A端缓冲器工作电流可达5mA,DAC B端缓冲器工作电流可达500μA,MAX522工作在单向电压+2.7V~+5.5V.MAX522具有3线串行接口，可直接与SPITM、QSPITM,MicrowireTM 兼容。它有一个16位输入移位寄存器，包含8位DAC输入数据和8位DAC选择和关断控制。在/CS的正边沿数据能够存入到DAC寄存器。模数转换模块电路如图2所示。单片机的PB0端口接串行数据输入口DIN、PB1接片选信号、PB2端口接时钟信号SCLK.选择DAC A作为输出，输出和参考电压输入端分别接上一个0.1μF的电容，提高电路输出稳定性。芯片的VDD与参考电压端均由5.12V稳压电路提供。图2 模数转换及稳压电路LM336集成电路是精密的5V稳压器，其工作相当于一个低温度系数的、动态电阻为0.2Ω的5V齐纳二极管，其中微调端（G）可以使基准电压和温度系数得到微调。通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V.所以MAX522输出电压的分辨率为5.12/256=0.02V,也就是说MAX522数字输入量每增加1,电压就增加0.02V.由于电源输出电压范围为0~12V,步进精度为0.1V,则最大输入数据为120（二进制值为11110000），此时MAX522输出值为2.4V.即MAX522的输出电压在0~2.4V变化。1.2 电压电流放大由于MAX522输出的电压范围为0~2.4V,而要求的电压输出范围为0~12V,所以需要将MAX522输出放大5倍。同时，为了提高电源的驱动能力，在放大电路后面加入了一个射极输出器。电压电流放大电路如图3所示。主要包括2个μA741高增益运算放大器组成的放大部分及三极管ZTX453组成的射极输出部分。第一级μA741AN 为负反馈缓冲电路，用以减小输出电阻并使放大频率频宽增大。第二级μA741ANA构成电压正向比例放大电路。放大后的电压信号接入射极输出器ZTX453,放大输出信号的电流。注意，此部分电路发热量比较大，需要再扩接散热片进行散热。图3 电压电流放大电路。1.3 VUSB接口VUSB是用普通的通用AVR单片机，配以较高频率的晶振（12MHz或16MHz），模拟产生USB所需信号，从而模拟出标准的USB HID设备（鼠标、键盘、简单通信）的解决方案，构成一个低成本的USB设备。USB共有4根线，2根5V电源，两根差分信号线D+、D-.由于是低速设备，D-必须要有1.5kΩ的上拉电阻。VUSB接口电路如图4所示，单片机的PD1和PD2通过68Ω的限流电阻分别接入标准USB接口的D-、D+.需要注意的是D+必须接上单片机的外部中断0管脚，在此为了简化连接直接将PD2（INT0）接入作为其中的一根信号线使用。由于USB信号线的电压最大为3.6V,所以在D-和D+上分别并接了一个3.6V的稳压二极管。图4 VUSB接口电路。2 系统软件设计软件设计包括下位机和上位机2部分。下位机主要负责接收上位机的设置电压值，并经过转换后输入到MAX522,从而输出设置电压。上位机则通过VUSB与下位机连接，并通过模拟的USB协议向下位机写入数据。2.1 下位机软件下位机软件流程图如图5所示。其中设备初始化包括单片机端口初始化、DAC初始化及VUSB端口初始化。在初始化之后，程序进入主循环，在其中加入了USB轮询函数usbPoll（），用来侦测USB事件。一旦侦测到上位机有USB通信请求时，usbdrv就会调用usbFunctionSetup（）函数来处理请求。在此请求函数中接收上位机传来的数据并将此数据转换后写入MAX522数据端口，启动DAC输出电压。图5 下位机软件流程。设计中需注意以下几点：1）单片机方面的VUSB 底层驱动函数使用AVRUSB,最新版本的AVR-USB为C语言编写并有详细的注释。开发平台为WinAVR.GCC项目文件夹中需包含驱动文件（usbdrv文件夹），并对usbconfig.h中的部分宏定义做一些修改。#define USB_CFG_IOPORTNAME D//这个接口连接USB总线。当配置为"D"时，寄存器PORTD,PIND and DDRD将有效。#define USB_CFG_DMINUS_BIT 1//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中连接USB D-的线。可以配置为接口的任何位。#define USB_CFG_DPLUS_BIT 2//位配置，是在USB_CFG_IOPORT 中连接USB D+的线。也可以连接到任意口，但是注意D+一定要连接都中断口INT02）单片机在接收到读取数据命令时会自动调用usbFunctionSetup（uchar data[8]），在函数内把全局指针*usbMsgPtr指向所要发送的数据首地址，然后返回（函数返回值）所发送数据的长度就可以了。由于采用的是命令包方式传输数据，每次只能接收4个字节的有效数据，存储在data[2]~data[4]中。3）初始化时需要将MAX522的输出置为关闭状态。写入MAX522时首先写入8位控制字，然后写入8位DAC数据。2.2 上位机软件上位机用C# 语言进行编写，驱动采用一款名为LibUsbDotNet的开源USB上位机驱动库文件。此驱动库文件还提供了供。NET平台调用的USB接口函数。使用时需包含相应的动态链接库文件。上位机软件主要包括显示设备连接状态、写入电压值及读取当前电压值等功能。上位机软件流程图如图6所示。图6 上位机软件流程。只有在总线请求为用户自定义类型（Vendor）时单片机才会调用usbFunctionSetup（uchar data[8]）这个函数，所以传输数据是通过发送用户自定义类型的Setup数据包来实现的。读数据时设置此数据包为IN,同时写入需要读取的字节数。写入数据时设置数据包为OUT,4字节的有效数据则包含在所建立的8字节Setup数据包的data[2]~data[4]之中。3 实验验证与分析本数控直流稳压电源在使用之前需进行校零。在初始状态下，调节集成运放μA741的外接调零电阻使集成运放输出为0,调节射极输出器偏置电阻R13使输出电压为0.在输出最大的情况下，调节输出集成运放的比例放大电阻R14,使得输出电压为12V.校零之后将上位机设置电压值与实际输出电压进行对比实验，实验数据如表1所示。表1 电压输出对比实验结果所设计电压源实际输出值与设定值偏差较小，能够满足0~12V连续可调输出，步进值为0.1V的使用要求。4 结论设计了一种以单片机为主，基于VUSB技术进行数据传输控制的数控直流稳压电源。输出电压值由单片机控制，步进调节方便，输出稳定。既可以作为单独的电源使用，也可以嵌入到其他需要步进电压模块的测试系统之中。参考文献:[1].Atmega8datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/Atmega8_144542.html.[2].MAX522datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX522_859564.html.[3].ZTX453datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ZTX453_739231.html.[4].CP2101datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CP2101_230346.html.[5].PDIUSBD12datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PDIUSBD12_544412.html.[6].PB1datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PB1_1148989.html.[7].PB2datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PB2_1202177.html.[8].LM336datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LM336_843284.html.1次

时间：2018-09-19 关键词：电源技术解析数控直流稳压电源 vusb
基于单片机的数控直流恒流源的设计

摘要：该数控直流恒流源采用模块化，通过开关和按钮的设置，配合INTEL AT89C55单片机的编程实现数字控制，数字显示，同时用DAC0832实现D/A转换，输出模拟控制电压，再用运放和功率三极管组成电流负反馈系统来完成输出电流控制及恒定。整个系统由单片机控制，输出部分使用运算放大器和功率放大器组成深度电流负反馈大大减少了输出端的电流波动，使系统输出电流误差<1mA，纹波电流≤0.2mA。关键词：数控直流恒流源,INTEL AT89C55单片机,DAC0832,纹波电流,Abstract：The Numerical controlled Constant-Current Source，we adopted the modular design. Through the setting of switches and buttons，can accomplish digital control and digital display by INTEL AT89C55 microcontroller programming，use the DAC0832 to implement D/A converter，output the analog control voltage，is using current negative feedback system constructed by operational amplifier and power transistor to accomplish output current control and constant. The system is control by Microcontroller. Output unit is using current negative feedback system constructed by operational amplifier and power transistor，must be reduce the fluctuate of output current，the system of output current error<1mA，ripple current≤0.2mA。Keyword：Numerical Controlled Constant-Current Source;INTEL AT89C55 Microcontroller;DAC0832;Ripple Current1 引言恒流源也称电流源或稳流源。能够向负载提供恒定电流的电源称作恒流源。理想的恒流源其输出是绝对不变的，但实际的恒流源只能在一定范围内保持输出电流的稳定性[1-2]。目前，恒流源被广泛用于传感技术、电子测量仪器、现代通信、激光、超导等高新技术领域、并且有良好的发展前景。2 系统组成和工作原理2.1 系统的组成本数控恒流源系统可分为单片机控制部分、变压整流和供电部分、A/D和D/A转换电路、恒流源电路、键盘或显示器接口电路等几部分组成。系统框图如图1所示。2.2 系统工作原理系统采用AT89C55单片机为核心，控制、比较调整单元基准的变化，实现高精密电压控制。交流电压经变压，整流，滤波，稳压后通过78,79系列稳压管输出提供电路所需电压，CPU根据预置开关设定的数据或键盘输入的数据，计算出相应的基准电压值，送给DAC0832转换成模拟电压，再送主控电路通过反馈控制，使电流稳定输出。在经过ADC0809转换成数字信号输出单片机。由按钮选择配合软件分别实现设定值与测试值的交替显示。控制核心采用单片机INTEL89C55，用此来控制提高了精度，人工干预自由度大，功能扩展，升级余地比较大，兼容性强，成本低廉，易于制作，生产。采样部分使用运算放大器具有很大的电源电压控制化，可以大大减少输出端的纹波电流。显示部分采用键盘/显示器接口控制器8279，不仅简化接口电路，而且还减少了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。3 主要电路设计与计算3.1 变压整流和供电部分供电部分输出200～240V，50HZ的交流电，经过变压器的变压，整流，滤波，得到系统所需的三种电压：+5V,+12V,-12V。主要是供数控部分和D/A转换芯片使用电源，同时也是稳压输出电路的主电源。系统框图如图2所示。对于滤波电容的选择，要考虑：整流管的压降;7812/7912/7815/7805的最小允许压降为Ud;电网波动为10%，所以考虑电容为4700μF/16V。因7815和7812负载重功率大，所以应加装散热器;电源为了使输出的电流纹波≤0.2mA ，在稳压器的输出端都加上了滤波器，来除去电流的纹波。图2 变压整流和供电部分的系统框图3.2 恒流源电路单片机的输出经过D/A转换为模拟信号后，经过双运放集成块放大后，再经过MOS管(2SK1062，N沟道)引入深度电流负反馈。引入电流负反馈可以稳定输出电流，提高放大倍数的稳定性，扩展频带，减小非线性失真[3]。采用场效应管的优点是双极性晶体管输出几乎是不可取电流，而MOS管电压与电流控制范围好，应而输出电阻较高，并且低噪声抗辐射，热稳定性以及功耗小等优点。电路如图3所示图3 恒流源电流场效应管与BJT最基本的差别在于场效应管是电压控制元件，输出漏极电流是由输出栅极电压控制的。跨导定义为：(1)式中：Id为输出电流，Vgs为输出电压。从栅极看进去的输入电阻近似为无穷大，漏极电流可以忽略不计。负载电阻改变及纹波电流的抑制均由深度电流负反馈来实现。输出电流范围在0.02～2A，如取样电阻Rs为5Ω，则输出电压在0.1～10V之间进行改变。改变负载电阻Rf时，输出电压在10V以内变化时，输出电流变化范围为≤输出电流值1%+1mA。供电采用+12V电压供电，用一个4.7μF的电解电容和一个0.1μF的瓷片电容去耦。3.3 数控部分89C51单片机基本系统：数控核心采用89C55单片机与EEPROM ,RAM，地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统，并对P2口的P2.0经74LS138地址译码后作为8279的选通信号。在89C51引脚X1和X2接入晶振Y1和微调电容C5,C6就构成了时钟电路，值为12MHZ[4-5]。系统采用了上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，操作按钮开关10使单片机复位。上电自动复位通过外部复位电容C4的充电来实现。按键手动复位是通过复位端经电阻和Vcc接通来实现。键盘为8×2按键式键盘，当有按下时，向CPU申请中断，CPU在中断程序中读取键盘编码，作相应处理。0-9号按键用来输入0.02～2A的预置电流，在输出端输出相对应的电流，10号按键为单片机手动复位清零键。键盘/显示接口电路：在设计键盘/显示接口电路时，使用8279键盘/显示控制器，它能实现对键盘的自动扫描，并对显示器进行自动刷新。4 电路测试与分析4.1 测试方法测试所用仪器：数字万用表，外接220V交流电源，低频毫伏表。测试方法框图如图4所示。图中RL为负载电阻，RS为取样电阻，0.5Ω。用万用表测1和2两端的值为实测电流值;用低频毫伏表测3和4两端的值为输出纹波电压值。误差百分率测试：为了比较测量值和真实值的误差，我们在20～2000mA之间选定了六个值相比较，测量数据记录如表1所示，误差百分率计算公式为：(2)式中：I1为显示值，I2为测量值。图4 测试方法框图4.2 测试结果记录负载为5Ω时，输出电流预置值、显示值和测试值的对照表，见表1所示。表1 显示值与测量值对照表(RL=5Ω) 当改变负载电阻（RL=20Ω）时对恒流值的影响，其测试数据如表2所示。表2　当RL=20Ω时，测试数据记录表4.3 误差分析从测量结果来看，系统的误差主要来源于：⑴ 运算放大器和MOS管的电流放大倍数不够大或者不稳定;⑵D/A 转换器和A/D转换器存在一定的量化误差;⑶取样电阻可能因温度的变化引起了误差;⑷基准电压的稳漂引起的误差。5 结论本文是以AT89C55单片机为核心控制部件，通过由运算放大器和功率放大电路组成电流负反馈系统，来完成输出电流的控制和恒定，从而提高了系统的精度。它的输出电流可在0.02～2A之间变化，随负载和环境温度变化较小。该系统电路简单、成本低、功耗小、可靠性高,具有较为广阔的市场前景和应用价值。参考文献:[1].DAC0832datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DAC0832_253651.html.[2].ADC0809datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ADC0809_123186.html.[3].2SK1062datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/2SK1062_39639.html.[4].89C51datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/89C51_105386.html.[5].74LS373datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS373_742872.html.[6].74LS138datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/74LS138_1054480.html.

时间：2018-09-19 关键词：单片机恒流源电源技术解析数控
基于STC12C5A60S2与PID算法的数控电源

导读：基于提高电源效率的目的，设计了采用PID算法的数控电源。系统采用STC12C5A6052自带的PWM控制BUCK电路，同时对其输出电路进行采样，组成了一个高速的闭环控制系统。文中给出了数控电源的接口电路及PID算法的软件设计。实验结果表明：该数控电源具有纹波小、高效率的优点。随着电力电子技术的飞速发展和各行业对用电没备控制要求的提高，人们对供电的电源要求也越来越高。电源的性能直接影响着整个电路系统的性能、寿命。以往所采用的电源大多数是旋钮式电位器进行调节，输出电压无法实现精确的步进。数控电源是从上世纪80年代发展起来的，到现在大多产品的电源仍存在误差较大、分辨率不高、功率较低、效率低、可靠性较差等缺点。因此，设计一款高效率、高性能、高精度的数控电源是非常有必要的。根据实际需要，本设计以输出电压可在0～24.0V范围内任意设定，精度±0.1 V，最大电流为5 A，纹波优于1%，效率达70%以上为目标。数控电源以STC12C5A60S2单片机做为CPU，通过按键设定输出电压，单片机给出一定占字比的PWM信号对BUCK电路中的开关管进行控制，经电感、电容滤波后输出一电压。输出端先采用电阻进行分压，然后经反馈电路，最后送入单片机ADC口进行采样。基于PID算法的原理，单片机将输出值与设定值进行比较，得到偏差，然后利用偏差对PWM信号的占空比进行控制，最终系统输出一个稳定的电压值。1 总体设计该数控电源系统总体结构如图1所示，主要由STC12C5A60S2单片机最小系统、变压整流滤波模块、BUCK电路、电压反馈电路、显示电路、按键控制电路等组成。单片机最小系统是数控电源的核心组成部分，负责产生BUCK电路所需的PWM信号;同时实吋检测电压反馈电路的电压。变压整流滤波模块一方面提供单片机、电压反馈电路、显示模块等所需的电源;另一方面经过降压式变换电路(BUCK电路)后直接提供给负载。显示电路主要用于显示设置电压和实际输出的电压。系统将反馈电压与按键控制电路设置的电压进行比较，得到PID算法所需的各个变量，进而控制PWM信号的占空比，得到与没定电压误差非常小的电压。2 系统硬件设计2.1 STC12C5A60S2单片机最小系统数控开关稳压电源丁作在开关状态，其能量损失只有小部分消耗在开关管的导通压降上，效率高。BUCK电路在开关稳压电源中应用非常广，故本系统选择BUCK电路进行设计。一方面，BUCK电路工作频率通常为几千赫兹到几兆赫兹，通过定时器来控制普通IO口产生PWM已无法满足;另一方面，为了实时对输出电压进行检测，这时系统必须具备A/D转换功能。采用专门的A/D转换芯片，固然可实现输出电压的检测，但电路变得复杂且成本偏高。经综合考虑，本系统采用STC12C5A60S2单片机作为系统的主控制器。STC12C5A60S2是一款功能强大，性价比高的单片机。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的1个时钟/机械周期(1T)的单片机，工作频率为0～35 MHz，相当于传统8051的0～420 MHz。内部集成MAX810专用复位电路，使系统更加稳定可靠地运行。内部集成了两路可编程计数器阵列(PCA)模块，用于输出PWM信号。常温下，使用内部RC振荡器作为单片机时钟时，可输出14～19 kHz的PWM信号;使用外部32MHz晶振作为时钟时，频率最高可达125 kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90个时钟周期转换一次，CPU工作频率32 MHz时，ADC转换速率约为356kHz。为了实现数控电源内部高速运算，本系统时钟采用外部32 MHz晶振作为时钟源。STC12C5A60S2单片机最小系统由时钟电路、复位电路组成，其电路如图2所示。单片机最小系统实现按键输入识别、显示控制、PID算法等。2.2 变压整流滤波模块的设计为了提高数控电源的效率、输出电压、输出电流，最终输出稳定的电压，变压整流滤波模块至关重要。变压器的效率为数控电源效率的关键因素之一。如果变压器功耗大，发热量大，能量就会白白地浪费变压器上。基于以上因素考虑，本系统采用效率较高的环牛变压器。变压整流滤波模块电路如图3所示，其中包含降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。市电220 V交流电经环牛变压器后得到两路的交流电。电压、功率较低的一路可经过整流、滤波、稳压电路供给单片机、显示模块、反馈电路等;电压、功率较大的一路经整流、滤波电路后直接送入BUCK电路。2.3 BUCK电路设计BUCK电路是一种压降式DC—DC变换电路。其功耗小、效率高、体积小等优势而被广泛应用于各类电源中。BUCK电路基本结构如图4所示，本系统使用N沟道的MOS管。当开关管Q导通时，通过电感的电流增加，电感L、C电容储能，其电路等效如图5所示;当Q断开时，通过电感的电流减小，电感L、C电容释放能量，其电路等效如图6所示;当Q的G极为一个高低电平交替变换的PWM信号，要求PWM信号频率比电感L、电容C储能和释放能量的频率高，此时充电速度比放电速度快，输出端就会得到一定的电压。PWM信号的占空比改变时输出的电压随之改变。2.4 电压反馈电路设计一些开环式电源容易受负载的影响，当负载变化时，输出电压波动较大。为了解决这个问题，本系统设计一个电压反馈电路，使系统为闭环系统，即：输出电压经分压电阻后得到适合单片机采集的电压，经电压跟随器后输入到STC12C5A60S2单片机的ADC0脚。系统利用单片机内置的ADC对输出电压进行实时测量，以调整PWM信号的占空比。系统电压反馈电路如图7所示。2.5 按键控制与显示电路设计一个数控电源人机交互界面是必不可少的，它包括按键控制电路和显示电路。为了简单便捷地输入设置电压，系统采用4个轻触开关作为控制按键。按键功能分别为：步进增加、步进减小、输出增加、输出减小。本系统要进行设置电压、步进电压的显示，显示电路通常有液晶显示或数码管显示。数码管成奉低、寿命长，但显示内容过少、线路复杂且亮度受供电电源影响较大，故本系统选择使用低功耗、无闪烁、可靠性高的LCD1602液晶。系统按键控制与显示电路如图8所示。3 系统软件设计3.1 总体软件设计该数控电源软件设计主要包括：PWM信号产生程序、ADC采样程序、PID控制算法程序、按键处理程序、数据显示程序。系统总体流程图如图9所示。系统开始进入初始化程序，包括LCD1602初始化、PID程序初始化、PWM相关寄存器初始化等。单片机处于按键检测状态，有按键输入时，调用按键控制程序，输出一定占空比的PWM，并将设定的电压值显示于LCD1602。另外，单片机对经BUCK电路输出的电压进行ADC釆集，与设定值比较得到PID控制的各项参数，经PID算法，调节PWM占空比，最终得到与设定值非常接近的输出电压。3.2 PID软件设计数控电源的PID算法系统组成形式如图10所示。系统通过按键设定一定的电压值r后，给出相应占空比值，同时单片机通过ADC采集输出电压，得到测量值z，与给定值对比得到偏差e，计算出PID算法中所需的P、I、D变量值，最终得到准确的被控量y。4 实验测试按键没定输出电压和实际输出电压测试，其结果如表1所示。数控电源输出的纹波测试如表2所示。由表1可见，输出电压值越低，偏差越小;输出电压值越高，偏差越大，但均不大于0.1V。由表2可见，输出电压越高，纹波越大，但均小于1%。由此可见，系统有较高的精准度。5 结论测试结果表明，文中设计的基于STC12C5A60S2单片机的数控电源能够较精确地输出设定的电压值，通过运用PWM技术和PID算法对输出的电压进行快速地调整，得到较精确的电压值。系统控制精度高、反应速度快、输出稳定、操作简单，具有一定的实用价值。5次

时间：2018-09-18 关键词：算法电源电源技术解析数控