課程設(shè)計(jì)---基于lpc2104的二維數(shù)控平臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　電氣與自動化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評分表</p><p>　　課程名稱： 運(yùn)動控制技術(shù) </p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 二維平臺的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)軟硬件設(shè)計(jì) </p><p>　項(xiàng)目評分比例得分</p><p>　課程設(shè)計(jì)平時(shí)表現(xiàn)20%</p>

2、<p>　課程設(shè)計(jì)報(bào)告40%</p><p>　課程設(shè)計(jì)答辯40%</p><p>　課程設(shè)計(jì)總成績</p><p>　　電氣與自動化工程學(xué)院</p><p>　　運(yùn)動控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目： 二維平臺的直線插補(bǔ) </p><p>　　和圓弧插補(bǔ)軟硬件設(shè)計(jì)

3、 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1</p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)1</p><p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)目的1</p><p>　　1.3 課程設(shè)計(jì)要求1</p><p>　　1.4 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

4、1</p><p>　　1.5 課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求1</p><p>　　1.6 課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排2</p><p>　　1.7 課程設(shè)計(jì)考核辦法2</p><p>　　2. 課程設(shè)計(jì)綜述3</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)的目的與意義3</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容3<

5、;/p><p>　　2.3 總體設(shè)計(jì)框圖3</p><p><b>　　3. 硬件設(shè)計(jì)4</b></p><p>　　3.1 LPC2104芯片介紹及設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.2 LPC2104芯片最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.2.1 電源電路設(shè)計(jì)12</p>

6、;<p>　　3.2.2 系統(tǒng)復(fù)位電路12</p><p>　　3.2.3 系統(tǒng)時(shí)鐘電路13</p><p>　　3.2.4 UART通用異步串行接口電路14</p><p>　　3.2.5 JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2.6 限位開關(guān)電路18</p><p>　　3.2.

7、7 X、Y軸驅(qū)動電路19</p><p>　　4. 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.1 多輸出電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1.1 確定多路輸出的技術(shù)指標(biāo)27</p><p>　　4.1.2 確定反饋電路27</p><p>　　4.1.3 電路設(shè)計(jì)29</p><

8、p>　　4.2 多路輸出式高頻變壓器的設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.3 多路輸出單片開關(guān)電源的改進(jìn)方案31</p><p>　　5. 軟件設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.1 工作原理33</p><p>　　5.1.1 直線插補(bǔ)原理33</p><p>　　5.1.2 圓弧插補(bǔ)原理37</

9、p><p>　　5.2 總程序流程圖設(shè)計(jì)40</p><p>　　5.3 UART通用異步串行通信的實(shí)現(xiàn)思路41</p><p>　　5.3.1 引腳描述41</p><p>　　5.3.2 結(jié)構(gòu)41</p><p>　　5.4 JTAG調(diào)試接口的系統(tǒng)仿真調(diào)試44</p><p>　　5.

10、4.1 調(diào)試框圖44</p><p>　　5.4.2 調(diào)試設(shè)置及操作44</p><p>　　5.4.3 固化程序46</p><p><b>　　6. 小結(jié)47</b></p><p>　　7. 參考文獻(xiàn)48</p><p>　　附圖1多路輸出開關(guān)電源電路圖49</p>

11、<p>　　附圖2多路輸出開關(guān)電源改進(jìn)電路圖50</p><p>　　附圖3系統(tǒng)控制電路圖51</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　題目：二維平臺的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)軟硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p>

12、<p>　　本課題根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作原理，運(yùn)用ARM系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于步進(jìn)電機(jī)的直線插補(bǔ)功能和圓弧插補(bǔ)功能的ARM控制實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以ARM為核心，結(jié)合相關(guān)的輸入和輸出接口電路，通過步進(jìn)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動并帶動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)推動二維平臺按照設(shè)計(jì)的要求運(yùn)動。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握：<

13、/p><p>　　1）步進(jìn)電機(jī)的工作原理。</p><p>　　2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器使用方法。</p><p>　　3）微機(jī)接口技術(shù)與I/O通道電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法；</p><p>　　4）電源電路的設(shè)計(jì)；</p><p>　　5）控制程序的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。</p><p><b>　　課

14、程設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1、運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，步進(jìn)電機(jī)帶動二維平臺進(jìn)行直線插補(bǔ)。</p><p>　　2、運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，步進(jìn)電機(jī)帶動二維平臺進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　1、系統(tǒng)硬件接線圖，包括相應(yīng)的輸入和輸出接口電路；</p&

15、gt;<p>　　2、軟件程序，主要流程圖；</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求</b></p><p>　　報(bào)告中提供如下內(nèi)容：</p><p><b>　　1、目錄</b></p><p><b>　　2、正文</b></p><

16、p>　?。?）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；</p><p>　　（2）課程設(shè)計(jì)綜述；</p><p>　　（3）硬件電路設(shè)計(jì)（可用Atium軟件）；</p><p>　?。?）電源電路設(shè)計(jì)（可用Atium軟件）；</p><p>　?。?）軟件設(shè)計(jì)，主要流程圖。</p><p><b>　　3、總結(jié)</b&g

17、t;</p><p><b>　　4、參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)考核辦法</b></p><p>　　本課程設(shè)計(jì)滿分為100分，從課程設(shè)計(jì)平時(shí)表現(xiàn)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告及課程設(shè)計(jì)答辯三個(gè)方面進(jìn)行評分，其所

18、占比例分別為20%、40%、40%。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)綜述</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)的目的與意義</b></p><p>　　通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)自己綜合運(yùn)用所學(xué)知識、獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，并獲得科學(xué)研究的基礎(chǔ)訓(xùn)練，加深對ARM芯片的了解；熟悉ARM芯片各個(gè)引腳

19、的功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口，中斷等相關(guān)原理，鞏固學(xué)習(xí)嵌入式的相關(guān)內(nèi)容知識。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　利用ARM芯片模擬實(shí)現(xiàn)直線、圓弧插補(bǔ)。自行選擇所需ARM芯片，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，熟悉所選ARM芯片，了解所選ARM芯片各個(gè)引腳功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口，中斷等相關(guān)原理，通過軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)利用ARM芯片完成

20、交通燈的模擬控制。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)框圖</b></p><p>　　用ARM7系列芯片LPC2104作為系統(tǒng)的主控芯片，控制X軸、Y軸的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動。</p><p>　　圖2.1總體設(shè)計(jì)框圖</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>

21、;　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，自行選擇電子元件，畫出電氣原理圖，并調(diào)試。一個(gè)完整的系統(tǒng)除了主控芯片以外，還需配上電源系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。獨(dú)立的芯片是不能工作的。 </p><p>　　LPC2104芯片介紹及設(shè)計(jì)</p><p>　　LPC2104是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32 位ARM7TDMI-SCPU 的微控制器，具有JTAG調(diào)試、ISP編程等功能。并帶有128kB 的嵌

22、入的高速Flash 存儲器。64KB/32KB/16KB的SRAM，無需拓展存儲器，使系統(tǒng)更為簡單、可靠；功能強(qiáng)大；體積小，3.3V和1.8V系統(tǒng)電源，內(nèi)部PLL時(shí)鐘調(diào)整，功耗更低。較小的封裝和極低的功耗使 LPC2104可理想地用于小型系統(tǒng)中，具有以下一些特性：</p><p>　　小型LQFP48封裝</p><p>　　64KB/32KB/16KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM 和128k的片內(nèi)F

23、lash 程序存儲器。</p><p>　　128位接口/加速器使其實(shí)現(xiàn)了60MHz的高速操作</p><p>　　通過片內(nèi)Boot-loader軟件實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）</p><p>　　和在應(yīng)用編程（IAP）</p><p>　　Flash編程時(shí)間1ms　</p><p>　　可編程（512）字節(jié)</p

24、><p>　　單扇區(qū)擦除和整片擦除只需400ms　</p><p><b>　　向量中斷控制器　　</b></p><p>　　可配置優(yōu)先級和向量地址　　</p><p>　　嵌入式跟蹤宏單元對指令的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了非插入的高速實(shí)時(shí)跟蹤　　</p><p>　　多個(gè)串行接口包括雙UART（16C550）高速

25、</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 總線接口和I2C總線可用于測試和診斷 　</p><p>　　可配置為主機(jī)，從機(jī)或主/從機(jī)　　</p><p>　　可編程時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)通用速率控制　　</p><p>　　主機(jī)從機(jī)之間雙向數(shù)據(jù)傳輸　　</p><p>　　多主機(jī)總線(無中央主機(jī))　　</p><p

26、>　　同時(shí)發(fā)送的主機(jī)之間進(jìn)行仲裁，避免了總線數(shù)據(jù)的沖突　　</p><p>　　串行時(shí)鐘同步使器件在一條串行總線上實(shí)現(xiàn)不同位速率的通信　　</p><p>　　串行時(shí)鐘同步可作為握手機(jī)制使串行傳輸掛起和恢復(fù)　</p><p>　　圖3.1 LPC2104的內(nèi)核結(jié)構(gòu) </p><p><b>　　引腳信息</b>&l

27、t;/p><p>　　圖3.2 LPC2104引腳排列圖 </p><p><b>　　表3.1 引腳描述</b></p><p><b>　　續(xù)表3.1</b></p><p><b>　　續(xù)表3.1</b></p><p><b>　　續(xù)表3.

28、1</b></p><p><b>　　續(xù)表3.1</b></p><p><b>　　續(xù)表3.1</b></p><p>　　LPC2104芯片最小系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　電源電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b&

29、gt;　　圖3.3電源電路</b></p><p>　　LPC2104要使用兩組電源，I/O口供電電源為3.3V，內(nèi)核供電電源為1.8V，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。首先，交流電壓AC220V輸入多路開關(guān)電源，然后，輸出直流DC40V、直流DC10V、直流DC5V，再使用LDO芯片（低壓差電源芯片）穩(wěn)壓輸出3.3V及1.8V電壓。LDO芯片采用了S-1131B33UC和S-1131B18UC，其特

30、點(diǎn)為輸出電流大，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。如系統(tǒng)電源電路附圖一，ON/OFF腳接到+5V上，使能Vout輸出。</p><p><b>　　系統(tǒng)復(fù)位電路</b></p><p>　　由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性及電源監(jiān)控可靠性能等諸多方面也提高了更多的要求。本實(shí)驗(yàn)板的復(fù)位電路使用了微處理器電源監(jiān)控芯

31、片MAX708S,提高了系統(tǒng)的可靠性。由于在進(jìn)行JTAG調(diào)試時(shí)，、TRST是可由上位機(jī)控制復(fù)位的，所以使用了74HC125進(jìn)行驅(qū)動。系統(tǒng)復(fù)位電路如圖 所示。</p><p>　　圖3.4 系統(tǒng)復(fù)位電路 </p><p><b>　　系統(tǒng)時(shí)鐘電路</b></p><p>　　圖3.5 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 </p><p>　

32、　LPC2104可使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘頻率10～25 MHz，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快（CPU最大操作時(shí)鐘頻率為60MHz)。系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖所示，用1MΩ電阻R6并接到晶振的兩端，使系統(tǒng)更容易起振。</p><p>　　UART通用異步串行接口電路</p><p>　　圖3.6 UART通用異步串行接口電路 </p><p>　　L

33、PC2104具有兩個(gè)UART，16字節(jié)的收發(fā)FIFO，寄存器位置符合“550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，內(nèi)置波特率發(fā)生器，兩個(gè)串口具有基本相同的寄存器，在使用UART與上位機(jī)PC通信時(shí)，需要一個(gè)RS232電平電路轉(zhuǎn)換電路，即MAX3232。</p><p>　　UART0的基本操作方法：</p><p>　　設(shè)置I/O連接到UART0；</p><p>　　設(shè)置串口波特率（U0DL

34、M、U0DLL）；</p><p>　　設(shè)置串口工作模式（U0LCR、U0FCR）；</p><p>　　收發(fā)數(shù)據(jù)（U0THR、U0RBR）；</p><p>　　檢查串口狀態(tài)字或等待串口中斷（U0LSR）。 </p><p>　　JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.7 JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì) </p

35、><p>　　JTAG是Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行動小組）的簡稱。IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)就是由JTAG這個(gè)組織最初提出的，最終由IEEE批準(zhǔn)并且標(biāo)準(zhǔn)化的，所以IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)一般也俗稱JTAG標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　JTAG標(biāo)準(zhǔn)主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試，JTAG技術(shù)是嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的電路測試訪問口（Te

36、st Access Port，簡稱TAP）,通過專用的JTAG測試工具對內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。目前，大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM、DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG借口是4線：TMS、TCK、TDI和TDO，分別為測試模式選擇、測試時(shí)鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。JTAG測試允許多個(gè)器件通過JTAG借口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)器件分別測試。JTAG借口還常用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可編程（In-System

37、Programmable，簡稱ISP）功能，如對Flash器件進(jìn)行編程等。</p><p><b>　　1、邊界掃描</b></p><p>　　在JTAG調(diào)試中，邊界掃描（Boundary-Scan）是一個(gè)很重要的概念。邊界掃描技術(shù)的基本思想是靠近芯片的輸入/輸出引腳增加一些移位寄存器單元。因?yàn)檫@些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上，所以又被稱為邊界掃描寄存器（Bo

38、undary-Scan Register Cell）。</p><p>　　在正常的運(yùn)行狀態(tài)下，這些邊界掃描寄存器芯片來說是透明的，所以正常的運(yùn)行不會收到任何影響。這樣，邊界掃描寄存器就提供了一個(gè)便捷的方式以觀測和控制所需要調(diào)試的芯片。另外，芯片輸入/輸出印引腳上的邊界掃描（移位）寄存器單元可以相互連接起來，在芯片的周圍形成一個(gè)邊界掃描鏈（Boundary-Scan Chain）。一般的芯片都會提供幾條獨(dú)立的邊界

39、掃描鏈，用來實(shí)現(xiàn)完整的測試功能。邊界掃描鏈可以串行的輸入和輸出，通過相應(yīng)的時(shí)鐘信號和控制信號，就惡意方便的觀察處在調(diào)試狀態(tài)下的芯片。</p><p>　　當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)的時(shí)候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍輸入/輸出隔離開來。通過這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對芯片輸入/輸出信號的觀察和控制。如果需要捕獲芯片某個(gè)引腳上的輸出，首先需要把該引腳上的輸出裝載到邊界掃描鏈的寄存器單元里去，然后通過TDO輸出，

40、這樣就可以從TDO上得到相應(yīng)引腳上輸出信號。如果要在芯片的某個(gè)引腳上加載一個(gè)特定的信號，則首先需要通過TDI把期望的信號移位到與相應(yīng)的引腳相連的邊界掃描鏈的寄存器單元里去，然后把該寄存器單元的值加載到相應(yīng)的芯片引腳上。</p><p><b>　　2、TAP接口</b></p><p>　　利用邊界掃描鏈可以實(shí)現(xiàn)對芯片的輸入/輸出進(jìn)行觀察和控制，而對邊界掃描鏈的控制主

41、要是通過TAP控制器來完成的。在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里面，寄存器被分為兩大類：數(shù)據(jù)寄存器（Data Register，簡稱DR）和指令寄存器（Instruction Register，簡稱IR）。邊界掃描鏈屬于數(shù)據(jù)寄存器中很重要的一種。指令寄存器用來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)寄存器（包括掃描鏈）的控制，例如:在芯片提供的所有邊界掃描鏈中，選擇一條指定的邊界掃描鏈作為當(dāng)前的目標(biāo)掃描鏈，并作為訪問對象。</p><p>　　T

42、AP是一個(gè)通用的端口，通過TAP可以訪問芯片提供的所有數(shù)據(jù)寄存器（DR）和指令寄存器（IR）。對整個(gè)TAP的控制是通過TAP控制器來完成的。TAP總共包括5個(gè)信號接口TCK、TMS、TDI、TDO和TRST，其中前4個(gè)是輸入信號接口，最后1個(gè)是輸出信號接口。</p><p>　　TCK：測試時(shí)鐘（Test Clock Input）。為TAP的操作提供了一個(gè)獨(dú)立的、基本的時(shí)鐘信號，TAP的所有操作都是通過這個(gè)時(shí)鐘信

43、號來驅(qū)動的。TCK在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里強(qiáng)制要求的。</p><p>　　TMS：測試模式選擇（Test Mode Selection Input）。用來控制TAP狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換。通過TMS信號，可以控制TAP在不同的狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換。TMS信號在TCK的上升沿有效。TMS在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里是強(qiáng)制要求的。</p><p>　　TDI：數(shù)據(jù)輸入（Test Data Input

44、）。所有要輸入到特定寄存器的數(shù)據(jù)都是通過TDI接口一位一位串行輸入的。TDI在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里是強(qiáng)制要求的。</p><p>　　TDO：數(shù)據(jù)輸入（Test Data Output）。所有要從特定寄存器中輸出的數(shù)據(jù)都是通過TDO接口一位一位串行輸出的。TDO在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里是強(qiáng)制要求的。</p><p>　　TRST：JTAG復(fù)位信號（Test Reset Inp

45、ut）?？梢杂脕韺AP控制器復(fù)位，進(jìn)行初始化。因?yàn)橥ㄟ^TMS也可以對TAP控制器進(jìn)行復(fù)位，所以該信號接口在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)里是可選的，并不是強(qiáng)制要求的。</p><p><b>　　3、接口電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　通過JTAG接口可對芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，因而是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。目前JTAG接口的連接有兩種標(biāo)準(zhǔn)：即

46、14針接口和20針接口。根據(jù)芯片的選擇，綜合考慮后，最終我們選擇20針的接口。如圖3.7所示，其定義如表3.2 所列。</p><p>　　表3.2 20針JTAG接口定義</p><p>　　簡單的JTAG接口電路設(shè)計(jì)如圖3.7所示。該電路既可作成一小塊電路板，包含在下載電纜內(nèi)，也可以直接設(shè)計(jì)在開發(fā)板上，只要保證接口信號的正確連接即可。</p><p><b

47、>　　限位開關(guān)電路</b></p><p>　　圖3.8 限位開關(guān)電路 </p><p>　　在兩個(gè)坐標(biāo)軸的設(shè)置四個(gè)極限位置起限位保護(hù)的功能，在實(shí)現(xiàn)軸向位移、直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)過程中，只要有任一方向上的限位開關(guān)動作，就有可能使本次操作中途失敗，此時(shí)的癥狀是：插補(bǔ)尚未到位，但電動機(jī)已經(jīng)不轉(zhuǎn)動了。在這種情況下，可以先觀察在哪個(gè)方向上最有可能發(fā)生了限位動作，然后選擇在與該方向相

48、反的方向上再進(jìn)行一次操作，這樣，就有可能擺脫原有的困境。</p><p>　　例如，發(fā)現(xiàn)在X-方向的限位有可能已經(jīng)動作了，只需選擇X+方向的軸向位移20mm就能夠使該電動機(jī)恢復(fù)運(yùn)行。</p><p><b>　　X、Y軸驅(qū)動電路</b></p><p>　　圖3.9 X、Y軸驅(qū)動電路圖 </p><p>　?。?）步進(jìn)電

49、機(jī)的基本原理</p><p>　　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是一種非常重要的自動化執(zhí)行元件，它能將電脈沖轉(zhuǎn)化為電動機(jī)軸的角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號, 它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”), 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器一個(gè)一個(gè)地接收到若干個(gè)脈沖時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。因此，可以通過控制進(jìn)給脈沖的個(gè)數(shù)來控制電動機(jī)的角位移量, 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；與此同時(shí)，還可以通過控

50、制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度, 從而達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，采用給不給脈沖的方式就能夠在“一剎那”使步進(jìn)電機(jī)啟動或停轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)速率一般為200—1000步/秒，如果步進(jìn)電機(jī)從最低速度逐漸加速到最高轉(zhuǎn)速，然后再逐漸減速到0，其間，雖步進(jìn)速率變化1-2倍，仍不會失掉一步。</p><p>　　因

51、此步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)之中。</p><p>　　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)有：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)( VR) 、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM) 、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB) 和單相式步進(jìn)電機(jī)等。</p><p>　?。?）ULN2803芯片介紹</p><p>　　8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管，連接在

52、陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路（例如TTL，CMOS或PMOS上/ NMOS）和較高的電流/電壓，如電燈，電磁閥，繼電器，打印錘或其他類似的負(fù)載，廣泛的使用范圍：計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用。所有設(shè)備功能由集電極輸出和鉗位二極管瞬態(tài)抑制。 該ULN2803是專為符合標(biāo)準(zhǔn)TTL，而制造ULN2804適合6至15V的高級別CMOS或PMOS上。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導(dǎo)通工作。</p><p>&

53、lt;b>　　圖3.10 引腳圖</b></p><p><b>　　引腳信息</b></p><p>　　1-8引腳：輸入端11-18引腳：輸出端9引腳：地端10引腳：電源+5V</p><p>　?。?）兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器 SH-20403</p><p><b>　　特點(diǎn)

54、</b></p><p>　　10V—40V直流供電</p><p><b>　　H橋雙極恒相流驅(qū)動</b></p><p>　　最大3A的八種輸出電流可選</p><p>　　最大64細(xì)分的七種細(xì)分模式可選</p><p><b>　　輸入信號光電隔離</b>&

55、lt;/p><p><b>　　標(biāo)準(zhǔn)共陽單脈沖接口</b></p><p><b>　　脫機(jī)保持功能</b></p><p>　　半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更嚴(yán)苛環(huán)境</p><p>　　提供節(jié)能的自動半電流鎖定功能</p><p><b>　　通過CE認(rèn)證</b>

56、</p><p><b>　　性能指標(biāo)</b></p><p>　　表3.3 電氣性能(環(huán)境溫度 Tj =250C時(shí))</p><p><b>　　功能及使用</b></p><p><b>　　電源電壓</b></p><p>　　驅(qū)動器內(nèi)部的開關(guān)電源

57、設(shè)計(jì)保證了可以適應(yīng)較寬的電壓范圍，用戶可根據(jù)各自的情況在10V到40VDC之間選擇。一般來說，較高的額定電源電壓有利于提高電機(jī)的高速力矩，但卻會加大驅(qū)動器的損耗和溫升。</p><p><b>　　輸出電流選擇</b></p><p>　　本驅(qū)動器最大輸出電流值為3A/相（峰值），通過驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第5、6、7三位可組合出八種狀態(tài)，對應(yīng)八種輸出電流，從0.

58、9A到3A（詳見電流選擇表）以配合不同的電機(jī)使用。</p><p>　　說明：面板上的白色方塊對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際位置。</p><p><b>　　細(xì)分選擇</b></p><p>　　本驅(qū)動器可提供整步、改善半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分和64細(xì)分七種運(yùn)行模式，利用驅(qū)動器面板上六位撥碼開關(guān)的第1、2、3三位可組合出不同的狀態(tài)（詳見細(xì)分模

59、式選擇表）。</p><p>　　說明：面板上的白色方塊對應(yīng)開關(guān)的實(shí)際位置。</p><p><b>　　自動半電流</b></p><p>　　若上位控制機(jī)在半秒鐘內(nèi)沒有發(fā)出步進(jìn)脈沖信號，驅(qū)動器將自動進(jìn)入節(jié)電的半電流運(yùn)行模式，電機(jī)繞組的相電流將減為設(shè)定值的一半，在此狀態(tài)下電機(jī)和驅(qū)動器的功耗得以降低，但電機(jī)的輸出力矩也相應(yīng)下降。在下一個(gè)脈沖到來

60、時(shí)驅(qū)動器自動恢復(fù)輸出電流為額定值。</p><p><b>　　錯(cuò)相保護(hù)</b></p><p>　　兩相電機(jī)與驅(qū)動器連接時(shí)，用戶極易接錯(cuò)相，從而嚴(yán)重?fù)p壞驅(qū)動器。本驅(qū)動器設(shè)計(jì)了錯(cuò)相保護(hù)電路。用戶即使接錯(cuò)相，驅(qū)動器也不會損壞，不過電機(jī)運(yùn)行會不正常，主要表現(xiàn)在出力小。遇此情況，應(yīng)檢查電機(jī)接線是否正確。</p><p><b>　　關(guān)于散熱

61、</b></p><p>　　工作溫度過高是大部分線路故障的根源，有效散熱對于提高可靠性和運(yùn)行壽命尤其重要。建議將驅(qū)動器緊密地固定在用戶的金屬機(jī)箱上，同過機(jī)箱底板協(xié)助散熱。有條件的話，還可在接觸面上加硅脂等導(dǎo)熱材料。如果外加散熱風(fēng)扇，驅(qū)動器的溫升會大為降低。</p><p><b>　　輸入信號</b></p><p>　　驅(qū)動器的

62、接線端子采用可插拔端子，可以先將其拔下，接好線后再插上。注意：為避免端子上的螺釘意外丟失，在不接線時(shí)也應(yīng)將端子的螺釘擰緊。</p><p><b>　　公共端</b></p><p>　　本驅(qū)動器的輸入信號采用共陽極接線方式，用戶應(yīng)將輸入信號的電源正極連接到該端子上，將輸入的控制信號連接到對應(yīng)的信號端子上?？刂菩盘柕碗娖接行?，此時(shí)對應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號輸入驅(qū)動器

63、中。</p><p><b>　　脈沖信號輸入</b></p><p>　　共陽極時(shí)該脈沖信號下降沿被驅(qū)動器解釋為一個(gè)有效脈沖，并驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行一步。為了確保脈沖信號的可靠響應(yīng)，共陽極時(shí)脈沖低電平的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于10us。本驅(qū)動器的信號響應(yīng)頻率為70KHZ，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應(yīng)。</p><p><b>　　方向信號輸入

64、</b></p><p>　　該端信號的高電平和低電平控制電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向。共陽極時(shí)該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平。</p><p>　　控制電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)確保方向信號領(lǐng)先脈沖信號至少10us建立，可避免驅(qū)動器對脈沖的錯(cuò)誤響應(yīng)。</p><p><b>　　脫機(jī)信號輸入</b></p><p>　　該端接受控制機(jī)

65、輸出的高/低電平信號，共陽極時(shí)低電平時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。共陽極時(shí)高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。</p><p><b>　　典型接線圖</b></p><p>　　為了更好的使用本驅(qū)動器，用戶在系統(tǒng)接線時(shí)應(yīng)尊循功率線（電機(jī)線、電源線）與弱電信號分開的原則，以避免控制信號被干擾。在無法分別布線或強(qiáng)干擾源（變頻器、電磁閥等）存在的情況下，

66、最好使用屏蔽電纜傳送控制信號；采用較高電平的控制信號對抵抗干擾也有一定的意義。</p><p><b>　　輸入接口電路</b></p><p>　　圖3.11輸入接口示意圖</p><p><b>　　注意：</b></p><p>　　當(dāng)控制信號不是TTL電平時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號電壓大小分別在各輸入信

67、號端口（而非公共端）外串限流電阻。每路信號都要使用單獨(dú)的限流電阻，不要共用。</p><p>　?。?）X、Y軸驅(qū)動電路　</p><p>　　開關(guān)電源的40V直流輸出電壓分別接入X、Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的電源端子。該驅(qū)動器的型號為SH20403。在上述電路圖中，X、Y驅(qū)動器上各有10個(gè)接線端子，分成兩組，其中，六端子組為步進(jìn)電動機(jī)接口端子，該端子組最右側(cè)的兩個(gè)為電源端子，分別接40V電壓的

68、正端和地端，其接線的顏色對應(yīng)為紅和藍(lán)，其余四個(gè)端子分別接X、Y軸的兩個(gè)步進(jìn)電動機(jī)的兩相繞組，其接線的顏色對應(yīng)為黑、綠、紅、藍(lán)。</p><p>　　四端子組是LPC2104控制接口端子，該端子組中最左邊的一個(gè)端子接+5V電源，接線顏色為黃色，其余三個(gè)端子分別為脈沖、轉(zhuǎn)向和鎖定端子，分別用紅、黃、藍(lán)三色的導(dǎo)線聯(lián)結(jié)。</p><p><b>　　系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)</b>&

69、lt;/p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)采用的是多路輸出電源，而對于多路輸出電源，都希望所選擇的電源電壓只要負(fù)載不超過電源功率最大值，無論系統(tǒng)的各路負(fù)載特性如何變化，各路電源電壓都要精確無誤。僅就這點(diǎn)來講，目前絕大多數(shù)的多路輸出電源特性不夠理想。圖5.1所示為多路輸出開關(guān)電源框圖，從圖5.1可以看到，真正構(gòu)成閉環(huán)控制的只有輸出，其他、</p><p>　　等輔輸出都處在失控狀態(tài)。從控制理論可知，只

70、有無論輸入、輸出如何變動（包括電壓變動，負(fù)載變動等），在閉環(huán)反饋控制作用下都能保證相當(dāng)高的精度（一般優(yōu)于0.5%)，也就是說在很大程度上只取決于基準(zhǔn)電壓和采樣比例。對、而言，其精度主要依賴以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）T1變壓器的匝數(shù)比，這里主要取決于或。</p><p>　?。?）輔輸出電路的負(fù)載情況。</p><p>　?。?）主輸出電路的負(fù)載情況。

71、</p><p>　　以上3點(diǎn)設(shè)定后，輸入電壓的變動對輔輸出的影響已經(jīng)很有限了。在以上3點(diǎn)中，作為一個(gè)具體的開關(guān)電源變壓器，變壓器匝比已經(jīng)設(shè)定，所以影響輔助輸出電壓精度最大的因素為主輸出和輔輸出的負(fù)載情況。在開關(guān)電源產(chǎn)品中，有專門的技術(shù)指標(biāo)說明和規(guī)范電源的這一特性，即交叉負(fù)載調(diào)整率。</p><p>　　在圖5.1所示電路中，主控電路僅反饋主輸出電壓，其他輔輸出完全開放。此時(shí)假設(shè)主、輔輸出

72、的功率比為1:1。從實(shí)際測量得主電路交叉負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于0.2%，而輔電路的交叉負(fù)載調(diào)整率大于50%，無論開關(guān)電源設(shè)計(jì)還是應(yīng)用，對大于50%的交叉負(fù)載調(diào)整率都將是不能接受的。如何降低輔輸出交叉負(fù)載調(diào)整率，最直接的方法就是給輔輸出電路加一個(gè)線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器（包括三端穩(wěn)壓器、低壓差三端穩(wěn)壓器）。在多輸出電源設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則是：</p><p>　?。?）主電路實(shí)際使用的電流最小應(yīng)為最大滿輸出電流的30%。</p&

73、gt;<p>　?。?）主電路電壓精度應(yīng)優(yōu)于0.5%。</p><p>　?。?）輔輸出電路功率最好小于主電路功率的50%.</p><p>　　（4）輔輸出電路交叉負(fù)載調(diào)整率不大于10%。</p><p>　　圖4.1 多路輸出開關(guān)電源框圖 </p><p><b>　　多輸出電路設(shè)計(jì)</b></p

74、><p>　　確定多路輸出的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　假定要設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有3路輸出：主輸出V01（5V，2A，10W）,輔輸出為V02（10V，3A，30W）和V03（40V，1.5A,60W）。總輸出功率為100W。技術(shù)指標(biāo)見表5.1 。</p><p>　　表4.1 多路輸出的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　各路輸出的穩(wěn)壓性能對于電路結(jié)

75、構(gòu)和高頻變壓器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，通常，主輸出的穩(wěn)定性要高于輔助輸出?，F(xiàn)將+5V作為主輸出，其負(fù)載調(diào)整率，其余兩路優(yōu)于。</p><p><b>　　確定反饋電路</b></p><p>　　多路輸出的反饋電路有4種類型：基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路，以第四種電路的穩(wěn)壓性能為最佳。4種反饋電路性能比較見表5.2 。&

76、lt;/p><p>　　表4.2 4種反饋電路性能比較</p><p>　?。?）基本反饋電路利用反饋繞組間接獲取輸出電壓的變化型號，因此不需要使用光電耦合器。該方案的電路最為簡單，但穩(wěn)定性不高，難于把負(fù)載調(diào)整率S1降至以下。若僅為改善輕載時(shí)的負(fù)載調(diào)整率，可在輸出端并聯(lián)一只合適的穩(wěn)壓管，使其穩(wěn)定電壓Vz=V01，此時(shí)輕載下的S1<。</p><p>　?。?）改

77、進(jìn)型（也稱增強(qiáng)型）基本反饋電路的特點(diǎn)是在反饋電路中串聯(lián)一只22V的穩(wěn)壓管，再并聯(lián)一只0.1uF電容器。</p><p>　?。?）配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路利用一只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓作為次級參考電壓，由穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓（Vz）、光電耦合器中LED的正向壓降（VF）和用于控制環(huán)路增益的串聯(lián)電阻R1上的壓降（VR1）三者之和，來決定輸出電壓值。當(dāng)Vz的偏差小于20%以內(nèi)。該電路的缺點(diǎn)是參考電壓的穩(wěn)定度不高，并且只對主輸出進(jìn)

78、行反饋，其他各路輔輸出未加反饋，因此輔輸出的電壓穩(wěn)定性較差。</p><p>　?。?）配TL431的光耦反饋電路利用TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器構(gòu)成次級誤差電流放大器，再通過光電耦合器對主輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。除主輸出作為主要的反饋信號之外，其他各路輔輸出也按照一定比例反饋到TL431的2.50V基準(zhǔn)端，這對于全面提高多路輸出式開關(guān)電源的穩(wěn)壓性能具有重要意義。</p><p><

79、b>　　電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)成的多路輸出式100W開關(guān)電源電路如附圖一所示。該電路采用TOP223Y器件，交流輸入電壓范圍是85-265V。高頻變壓器的次級有3個(gè)獨(dú)立繞組，僅在主輸出端（+5V）設(shè)計(jì)了帶TL431的光耦反饋電路。附一圖所示的多路輸出式開關(guān)電源電路有兩種工作方式：</p><p>　?。?）不連續(xù)模式（DCM），其優(yōu)點(diǎn)是在同

80、等輸出功率的情況下，高頻變壓器能使用尺寸較小的磁芯。</p><p>　　（2）連續(xù)模式（CCM），其優(yōu)點(diǎn)是能提高TOPswitch器件的利用率。</p><p>　　多路輸出式開關(guān)電源一般選擇連續(xù)方式，因高頻變壓器尺寸不是重要問題，此時(shí)需關(guān)注的是多個(gè)次級繞組如何與印刷電路實(shí)現(xiàn)最佳配合。</p><p>　　多路輸出式高頻變壓器的設(shè)計(jì)</p><

81、p>　　高頻變壓器采用EE9型鐵氧體磁芯，其有效磁通面積=0.76cm，留出的磁芯氣隙寬度，骨架有效寬度為26mm。初級繞組采用0.3mm漆包線繞77匝，反饋繞組用0.3mm漆包線繞9匝。在計(jì)算次級各繞組的匝數(shù)時(shí)，可取相同的“每伏匝數(shù)”。每伏匝數(shù)由下列公式確定：</p><p>　　式中，每伏匝數(shù)的單位是。取4匝，主輸出VO1=5V，取0.4V（肖特基整流管壓降）。</p><p>

82、　　由=0.74匝/V可計(jì)算其他繞組的匝數(shù)。對于10V輸出，已知Vo2=10V，取0.7V（快恢復(fù)整流管壓降），因此=0.74匝/V*（10V+0.7V）=7.9匝。實(shí)取7匝。</p><p>　　對于40V輸出，因=40V，取0.7V（硅整流管壓降），故=0.74匝/V*（40V+0.7V）=30.1匝。實(shí)取30匝。</p><p>　　次級繞組有兩種繞制方法，一種是分離式饒法，另一種是

83、堆疊式繞法。表5.3列出二者的優(yōu)缺點(diǎn)，分離式的每個(gè)繞組上僅傳輸與該路特定負(fù)載有關(guān)的電流，因3個(gè)次級繞組互相獨(dú)立，故在確定各繞組的排列順序上有一定靈活性?，F(xiàn)考慮到5V（2A）繞組和10V（3A）繞組輸出絕大部分的功率，因此可將這兩個(gè)繞組中的一個(gè)靠近初級。最佳排列順序是先繞5V繞組，再繞10V繞組，最后繞40V繞組，使次級各繞組之間耦合最好，漏感最小。反之，若將40V繞組緊靠初級，由于5V繞組及10V繞組漏感較大，就會降低電源效率，并且增加

84、干擾。</p><p>　　表4.3 次級繞組兩種繞法的比較</p><p>　　堆疊式繞法是變壓器生產(chǎn)廠家經(jīng)常采用的方法，特點(diǎn)是由5V繞組給10V繞組提供部分匝數(shù)及接地端；而40V繞組中則包含5V、10V繞組和新增加的匝數(shù)。各繞組的線徑必須滿足該線路輸出電流與其他路輸出流過它上面電流總和的要求。堆疊式繞法的技術(shù)先進(jìn)，不僅能節(jié)省導(dǎo)線，減少繞組體積和降低成本，而且還可增加繞組之間的互感量，加

85、強(qiáng)耦合度。</p><p>　　若當(dāng)5V繞組輸出滿載，而10V和40V繞組輸出輕載時(shí)，由于5V繞組兼做10V、40V繞組的一部分，因此能減小這些繞組的漏感，可以避免因漏感使10V和40V繞組輸出電路中的濾波電容被尖峰電壓充電到峰值（也稱峰值充電效應(yīng)），而引起輸出電壓不穩(wěn)定。堆疊式繞法的不足之處是在確定哪個(gè)次級繞組靠近初級時(shí)，靈活性較差?，F(xiàn)將5V繞組作為次級繞組的始端。在繞制時(shí)，特別推存將多股導(dǎo)線并聯(lián)后平行繞在骨架

86、上。這樣，能保證良好的覆蓋性，增強(qiáng)次級與次級的耦合程度。</p><p>　　在選取輸出整流管的參數(shù)時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：整流管的額定工作電流（）至少為該電路最大輸出電流的3倍；整流管的最高反向工作電壓（）必須高于最低耐壓值（）。根據(jù)上述原則所選輸出整流管的型號及參數(shù)見表5.4。由表5.4可見，所選整流管的技術(shù)指標(biāo)均留有一定的裕量。</p><p>　　表4.4 各路輸出整流管的選擇<

87、/p><p>　　多路輸出單片開關(guān)電源的改進(jìn)方案</p><p>　　附圖1所示的開關(guān)電源電路僅從5V主輸出上引出反饋信號，其余各路未加反饋電路。這樣，當(dāng)5V輸出的負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，會影響10V輸出的穩(wěn)定性。解決方法是給10V輸出也增加反饋，改進(jìn)電路附圖2所示。在10V輸出端與TL431的基準(zhǔn)端之間并上電阻R6，并將R4的阻值從10增至21。由于10V輸出也提供一部分反饋信號，因此可改善該路

88、的穩(wěn)定性。在改進(jìn)前，當(dāng)5V主輸出的負(fù)載電流從0.5A變化到2.0A（從滿載電流的25%變化到100%）時(shí)，10V輸出的負(fù)載調(diào)整率=；經(jīng)改進(jìn)后，=1.5%。</p><p>　　10V輸出的反饋量由R6的阻值來決定。假定要求10V輸出與5V輸出的反饋量相等，各占總反饋量的一半，即反饋比例系數(shù)K=50%。此時(shí)通過R6、R4上的電流應(yīng)相等，即=。TL431的基準(zhǔn)端電壓=2.5V。改進(jìn)前，全部反饋電流通過R4，因此<

89、;/p><p>　　改進(jìn)后，50%的電流從R6上通過，即=250uA/2=125uA。R6的阻值由下式確定：</p><p><b>　　式中， </b></p><p>　　可取標(biāo)稱阻值60。由于已從250降至125，因此還須按下式調(diào)整的阻值：</p><p><b>　　式中，</b></p&

90、gt;<p>　　考慮到接上R6之后，5V輸出的穩(wěn)定度會略有下降，應(yīng)稍微增大R4的阻值以進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)取 。若，則可按下式計(jì)算R6阻值。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　數(shù)控機(jī)床在加工過程中，移動部件（刀具或工

91、件）要進(jìn)行移動，移動部件的最小位移量是一個(gè)脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量是與一個(gè)脈沖相當(dāng)?shù)奈灰屏?。移動部件的運(yùn)動是以一個(gè)一個(gè)脈沖當(dāng)量步進(jìn)移動的。</p><p>　　所謂插補(bǔ)就是數(shù)控系統(tǒng)以一定的方法來確定刀具運(yùn)動軌跡的過程，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的“密化”。</p><p>　　根據(jù)被加工零件的有限坐標(biāo)（直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心和半徑）、加工輪廓的特征、刀具參數(shù)，進(jìn)給速度和進(jìn)給方向的要求等，運(yùn)用一

92、定的算法，自動地在輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而自動地對各坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)輪廓的軌跡運(yùn)行，這就是插補(bǔ)要完成的任務(wù)。</p><p>　　在對加工路徑數(shù)據(jù)密化過程中，由于每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需要的時(shí)間直接影響到系統(tǒng)的控制速度，而每個(gè)插補(bǔ)中間點(diǎn)的計(jì)算精度又影響到整個(gè)系統(tǒng)控制精度，所以插補(bǔ)算法對整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。可以說，插補(bǔ)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的核心。</p>&l

93、t;p>　　逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是，刀具在進(jìn)給過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給。</p><p>　　具體來說是，每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較，視該點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方，或在給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進(jìn)給方向，使之趨近加工軌跡。</p><p>　　逐點(diǎn)比較法是以折線來逼

94、近直線、圓弧或各類曲線，它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量。因此，只要將脈沖當(dāng)量取得足夠小，就可以達(dá)到加工精度的要求。</p><p><b>　　直線插補(bǔ)原理</b></p><p><b>　　偏差計(jì)算公式</b></p><p>　　假定加工如圖5.1所示第一象限的直線OA。取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，直

95、線終點(diǎn)A坐標(biāo)（Xe，Ye）是已知的。m（Xm，Ym）為加工點(diǎn)（動點(diǎn)），若m在OA直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系可得</p><p>　　取 （5-1） 稱為直線插補(bǔ)的判別式。</p><p>　　若Fm=0，表明m點(diǎn)在直線OA上；若Fm>0，表明m點(diǎn)在直線OA上方的m’處；若Fm<0時(shí)，表明m點(diǎn)在直線OA下方的m’’處。</p><p

96、>　　對于第一象限直線，從起點(diǎn)出發(fā)，沿+X軸方向走一步，當(dāng)Fm<0時(shí)，沿+Y方向走一步，當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)（Xe，Ye）相等時(shí)，發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號，停止插補(bǔ)。</p><p>　　設(shè)在某加工點(diǎn)處，若Fm≥0時(shí)，應(yīng)沿+X方向進(jìn)給一步，走一步后新的坐標(biāo)值為 </p><p>　　Xm+1=Xm +1

97、 Ym+1=Ym</p><p>　　新的偏差為 Fm+1= Ym+1Xe-Xm+1Ye= Fm-Ye （5-2）</p><p>　　若Fm<0, 應(yīng)向+Y方向進(jìn)給一步，走一步后新的坐標(biāo)值為</p><p>　　Xm+1=Xm Ym+1=Ym +1</p><p>　　新的偏差為Fm+1= Fm +Xe （

98、5-3）</p><p>　　式（5-2）、（5-3）為簡化后的偏差計(jì)算公式，在公式中只有加，減運(yùn)算，只要將前一點(diǎn)的偏差值與等于常數(shù)的終點(diǎn)坐標(biāo)Xe，Ye相加或相減，即可得到新的坐標(biāo)點(diǎn)的偏差值。加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)的偏差是已知的，即F0=0，這樣隨著加工點(diǎn)的前進(jìn)，新加工點(diǎn)的偏差Fm+1都可以由前一點(diǎn)的偏差Fm和終點(diǎn)坐標(biāo)值相加或相減得到，稱為遞推法。</p><p><b>　

99、　終點(diǎn)判別</b></p><p>　　逐點(diǎn)比較法的終點(diǎn)判斷有多種方法，下面介紹兩種。</p><p>　　第一種方法 設(shè)置X、Y兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，加工開始前，在X、Y計(jì)數(shù)器中分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值Xe、Ye，在X坐標(biāo)（或Y坐標(biāo)）進(jìn)給一步時(shí)，就在X計(jì)數(shù)器（或Y計(jì)數(shù)器）中減去1，直到這兩個(gè)計(jì)數(shù)器中的數(shù)都減到零時(shí)，便到達(dá)終點(diǎn)。</p><p>　　第二種方法

100、用一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，寄存X和Y兩個(gè)坐標(biāo)，從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)的總步數(shù)∑=︱Xe︱+︱Ye︱；X、Y坐標(biāo)每進(jìn)給一步，∑減去1，直到∑為零時(shí)，就到了終點(diǎn)。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)中采取了第二種方法。 </p><p><b>　　插補(bǔ)運(yùn)算過程</b></p><p>　　插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，每走一步，都要進(jìn)行以下四個(gè)步驟（又稱四個(gè)節(jié)拍）的算術(shù)

101、運(yùn)算或邏輯判斷，其工作循環(huán)如5.2圖所示。</p><p>　　方向判定 根據(jù)偏差判定進(jìn)給方向。</p><p>　　坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)判定的方向，向該坐標(biāo)方向發(fā)一進(jìn)給脈沖。</p><p>　　偏差計(jì)算 每走一步到達(dá)新的坐標(biāo)點(diǎn)，按偏差公式計(jì)算新的偏差。</p><p>　　終點(diǎn)判別 判別是否到達(dá)終點(diǎn)，就結(jié)束該插補(bǔ)運(yùn)算；如未到達(dá)，再重復(fù)上述循環(huán)步

102、驟。</p><p>　　逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)計(jì)算流程如下圖5.3所示。</p><p>　　以上是采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)的工作原理及程序流程圖。</p><p>　　需要說明的是，我們在實(shí)驗(yàn)室做插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，是不能直接采用教科書中的相關(guān)例題中的數(shù)據(jù)的。原因很簡單，因?yàn)閷τ趯?shí)驗(yàn)室中由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的二維平臺來說，其脈沖當(dāng)量很小，（當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分設(shè)置值選定在

103、4時(shí)，實(shí)測脈沖當(dāng)量大約在5um左右，實(shí)際數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量可能更?。┒n本上的例題，為了在有限的篇幅中說明插補(bǔ)的全過程，一般都把插補(bǔ)的總步數(shù)限制在20步以內(nèi)。所以，如果按照課本例題所給的數(shù)據(jù)，在二維平臺上做實(shí)驗(yàn)，那么，20步的總移動量僅為20×5um=0.1mm，顯然，用這樣的數(shù)據(jù)來演示插補(bǔ)過程是很難收到預(yù)期的效果的。</p><p>　　我們希望通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^地看出插補(bǔ)的效果，那么，每次插補(bǔ)，平臺

104、至少應(yīng)當(dāng)移動10mm左右，那就起碼應(yīng)當(dāng)進(jìn)行2000步左右的插補(bǔ)運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　不同象限的直線插補(bǔ)計(jì)算</p><p>　　上面討論的為第一象限的直線插補(bǔ)計(jì)算方法，其他三個(gè)象限的直線插補(bǔ)計(jì)算法，可用相同的原理獲得。表5.4列出了在四個(gè)象限中的直線插補(bǔ)時(shí)，其偏差計(jì)算公式和進(jìn)給脈沖方向。計(jì)算時(shí)，公式中Xe，Ye均用絕對值。</p><p>　　表5.4

105、 四個(gè)象限中的直線插補(bǔ)進(jìn)給方向判定和偏差計(jì)算公式 </p><p><b>　　圓弧插補(bǔ)原理</b></p><p><b>　　偏差計(jì)算公式</b></p><p>　　下面以第一象限逆圓弧為例討論偏差計(jì)算公式。如圖5.6所示，</p><p>　　設(shè)需要加工圓弧AB，圓弧圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，已知圓

106、弧起點(diǎn)為A（），終點(diǎn)為B（Xe，Ye），圓弧半徑為R。令瞬時(shí)加工點(diǎn)為Rm(Xm,Ym),它與圓心的距離為R。比較Rm和R來反映加工偏差</p><p>　　因此，可得圓弧偏差判別式如下，即</p><p>　　若=0，表明加工點(diǎn)m在圓弧上；表明加工點(diǎn)m在圓弧外；表明加工點(diǎn)m在圓弧內(nèi)。</p><p>　　設(shè)加工點(diǎn)正處于R點(diǎn)，其判別式為。若Fm≥0，對于第一象限的逆圓

107、，為了逼近圓弧，應(yīng)沿-X方向進(jìn)給一步，到（m+1）點(diǎn)，其坐標(biāo)值為新加工點(diǎn)的偏差為 </p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　若Fm<0,為了逼近圓弧應(yīng)沿+Y方向進(jìn)給一步，到點(diǎn)其坐標(biāo)值為,新加工點(diǎn)的偏差為</p><p><b>　?。?-5）</b></p>

108、<p>　　由式（5-4）和式（5-5）可知，只要知道前一點(diǎn)的偏差，就可以求出新一點(diǎn)的偏差。因?yàn)榧庸な菑膱A弧的起點(diǎn)開始，起點(diǎn)的偏差所以新加工的偏差總可以根據(jù)前一點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算出來。</p><p><b>　　終點(diǎn)判別</b></p><p>　　圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判別方法和直線插補(bǔ)相同。可將從起點(diǎn)到終點(diǎn)X、Y軸走步步數(shù)的總和||+||存入一個(gè)計(jì)數(shù)器中，每走一

109、步，從∑中減區(qū)1，當(dāng)Σ=0時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到達(dá)信號，也可以選擇一個(gè)坐標(biāo)的走步數(shù)作為終點(diǎn)判斷。注意，此時(shí)應(yīng)選擇到達(dá)終點(diǎn)坐標(biāo)步數(shù)小的那一個(gè)坐標(biāo)。</p><p><b>　　插補(bǔ)計(jì)算過程</b></p><p>　　圓弧插補(bǔ)過程和直線插補(bǔ)計(jì)算過程相同，但是偏差計(jì)算公式不同，而且在偏差計(jì)算的同時(shí)還要進(jìn)行動點(diǎn)的瞬間坐標(biāo)值計(jì)算，以便為下一點(diǎn)的偏差計(jì)算做好準(zhǔn)備。逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)終點(diǎn)

110、判別方法與直線插補(bǔ)時(shí)類似，但同樣出于二維平臺插補(bǔ)足夠的總步數(shù)的需求，在編寫實(shí)際插補(bǔ)程序時(shí)，采用了雙字節(jié)運(yùn)算的方案。</p><p>　　第一象限逐點(diǎn)比較法逆圓弧插補(bǔ)計(jì)算流程如圖5.7所示。</p><p><b>　　總程序流程圖設(shè)計(jì)</b></p><p>　　總的流程圖是由五個(gè)程序所構(gòu)成的，即串口中斷程序，外部中斷程序，直線插補(bǔ)程序，圓弧插

111、補(bǔ)程序，以及停止程序。當(dāng)上位機(jī)下達(dá)命令時(shí)，通過查詢方式，進(jìn)行串口掃描，判斷是直線插補(bǔ)，還是圓弧插補(bǔ)，或是停止命令。最后實(shí)現(xiàn)其功能。總程序流程圖如下圖5.8。</p><p>　　圖5.8 總程序流程圖</p><p>　　UART通用異步串行通信的實(shí)現(xiàn)思路</p><p><b>　　引腳描述</b></p><p>　

112、　UART0引腳描述如表5.5所列</p><p>　　表5.5 UATR0引腳描述</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖5.9 UART0的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　UART0的結(jié)構(gòu)如圖5.9所示，VPB接口提供CPU或主機(jī)UART0之間的通信連接。</p><p&g

113、t;　　接收器模塊UART0 Rx監(jiān)視串行輸入線RxD的有效輸入。UART0 Rx移位寄存器（U0RSR）通過RxD接受有效的字符。當(dāng)U0RSR接收到一個(gè)有效字符時(shí)，它將該字符傳送到UART0 Rx緩沖寄存器FIFO中，等待CPU或主機(jī)接口進(jìn)行訪問。</p><p>　　UART0發(fā)送器模塊Tx接受CPU或主機(jī)寫入的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)緩存到UART0 Tx保持寄存器FIFO(U0THR)中。UART0 Tx移位寄存器（

114、U0TSR）讀取THR中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串行輸出引腳TxD發(fā)送。</p><p>　　波特率發(fā)生器模塊U0BRG產(chǎn)生Tx模塊所使用的定時(shí)。U0BRG模塊時(shí)鐘源為pclk。主時(shí)鐘與U0DLL和U0DLM寄存器所定義的除數(shù)相除得到Tx模塊所使用的時(shí)鐘。該時(shí)鐘為16倍過采樣時(shí)鐘NBAUDOUT。</p><p>　　中斷接口包含寄存器U0IER和U0IIR。中斷接口接收幾個(gè)由U0Tx和U0Rx

115、發(fā)出的單時(shí)鐘寬度的使能信號。</p><p>　　U0Tx和U0Rx的狀態(tài)信息保存在U0LSR中。U0Tx和U0Rx的控制信息保存在U0LCR中。</p><p>　　在使用UATR0時(shí)，先要設(shè)置TXD0﹑RXD0引腳連接，然后設(shè)置串口的波特率及工作模式，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。如程序清單1所示，外部晶振使用11.0592MHz晶振，不使用PLL，VPB為4分頻，即FPCLK=FCCLK

116、/4=11.0592MHZ/4=2.7684MHZ;設(shè)置UART0波特率為9600，則除數(shù)值N=FPCLK/(16Xbaud)=2.7684MHZ/(16X9600)=18，即12H。</p><p>　　程序清單1，UART0初始化設(shè)置</p><p>　　LDR R0，=PINSEL0</p><p>　　MOV R1，#0x05</p>

117、<p>　　STR R1，[R0];PINSEL0=0X05，連接TXD0、RXD0功能</p><p>　　LDR R0，=UART0_BASE</p><p>　　MOV R1，#0x83</p><p>　　STR R1，[R0，#0x0C]；U0LCR=0x83，DLAB=1.可設(shè)置波特率</p><p>