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摘要: 本文設計了一種在激光打標機中是使用的數(shù)字控制器，由以下幾部分組成:AT89C52為核心的最小系統(tǒng)、串行通訊接口、步進電機控制與驅(qū)動電路、光柵尺信號處理模塊以及鍵盤與數(shù)碼顯示接口電路。步進電機的控制與驅(qū)動電路采用步進電機控制專用芯片TA8435H構(gòu)成�？梢詫Σ竭M電機進行細分控制，電路設計簡潔，性能可靠。
關(guān)鍵字: 控制器；步進電機；驅(qū)動電路；激光打標
1 引言
在激光打標機中，數(shù)字控制器是電控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，它由硬件電路和程序兩部分組成，控制規(guī)律以及控制算法由數(shù)字控制器完成。數(shù)字控制器通過前向通道完成對位置信號的采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，通過控制算法輸出經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動完成閉環(huán)的運動控制，完成通信、檢測與控制的功能。本文主要完成激光打標機的數(shù)字控制系統(tǒng)的設計。
2 數(shù)字控制器的設計
數(shù)字控制系統(tǒng)是激光打標機的關(guān)鍵部分之一，控制器是電控系統(tǒng)的核心�？刂破饕瓿赏ㄐ�、檢測與控制的功能，控制器中必須有高性能的微控制器。本系統(tǒng)控制器的核心采用了高性能低價格的AT89C52 芯片，控制器中還包含了系統(tǒng)復位電路WDT、存儲電路NOVRAM、通信電平轉(zhuǎn)換接口MAX2Q2、電機驅(qū)動接口、鍵盤及顯示接口、控制電光開關(guān)輸出接口以及光柵尺接口智能處理模塊等�？刂葡到y(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。
2.1 最小系統(tǒng)設計
控制器以AT89C52 單片機為核心，它屬于MSC-51 單片機系列，其管腳分類及功能與51 系列單片機完全兼容。其最小系統(tǒng)組成如下:
1、系統(tǒng)的時鐘。在AT89C52 的XTALI, XTAL2 兩端(Pinl8, Pinl9)接11. 059MHz 的晶體振蕩器，AT89C52 片內(nèi)電路即可產(chǎn)生振蕩，為其本身提供時鐘信號，電容作用為輔助起振。
2、復位電路。微機電路在運行中受到干擾后，容易出現(xiàn)CPU 程序‘跑飛’而盲目運行甚至死機的現(xiàn)象，此時若復位信號有效，使系統(tǒng)重新恢復正常運行，這種****CPU 運行的電路稱為看門狗電路。該系統(tǒng)中選用了單片機UP 監(jiān)控電路為MAX813 的芯片。
3、存儲器。激光打標機中有一些參數(shù)是需要存儲的，例如步進電機每走一步X-Y 平臺所移動的微米數(shù)(即步長)、PC 計算機下載的加工文檔等，這些參數(shù)需要即使在電源掉電后仍能保存下來。AT89C52 內(nèi)置256RAM，但是在電源掉電后，其內(nèi)部信息會產(chǎn)生改變。不掉電存儲電路常用的方法是用SRAM 加后備電池的方法加以解決，在該系統(tǒng)中我們采用了一體化的不掉電NOVRAM HK1235。
2.2 控制器接口設計
1、鍵盤與數(shù)碼顯示接口電路
控制器運行的狀態(tài)以及X--Y 平臺的位置是通過數(shù)碼管顯示來完成的，在控制面板，人工指令通過鍵盤來輸入。由于AT89C52 引腳有限，系統(tǒng)通過擴展一片8255 來完成鍵盤掃描和數(shù)碼顯示，如圖2 所示。
2、串行通訊接口
上位計算機與AT89C52 的通訊是雙向的。計算機形成的加工軌跡文檔可以下載至控制器，加工軌跡的有關(guān)參數(shù)及加工命令下傳至控制器;控制器以及X-Y 平臺的實時信息要能夠上傳至計算機。這就需要控制器有一個雙向的通訊口。PC 機與89C52 是利用串口進行通訊的，PC 機有串行RS-223 接口，89C52 也有串行接口UART，它們之間可以進行雙向通訊，PC 機的RS-232 接口是±12V 電平，而89C52 電平是TTL 電平0-5V,需要接口芯片加以轉(zhuǎn)換。MAX202 就是為±12V 到TTL 電平而設計的，MAX202 芯片只需要單5 伏供電，因為該芯片內(nèi)帶電壓提升泵，片內(nèi)可產(chǎn)生±12V 電源。
3、MCU 與光柵尺信號處理模塊的接口
位移信號經(jīng)光柵尺傳感器輸入到光柵尺信號智能處理模塊，處理模塊完成信號的細分、辨向、計數(shù)、鎖存以及三態(tài)控制等功能。與MCU 接口時，處理模塊是一個智能芯片，作為MCU 的并行外圍接口電路。
3 步進電機的控制與驅(qū)動電路
激光微加工控制系統(tǒng)的后向通道(執(zhí)行機構(gòu))選用TSA 100-A 二維電控移動平臺，通過它完成對X-Y 平臺的驅(qū)動，使X-Y 平臺的位置跟隨設定值。該步進電機控制選用專用芯片TA8435H 為核心構(gòu)成的兩相步進電機控制電路。
3.1 基于TA8435H 芯片的步進電機控制電路
數(shù)字控制器中的MCU 通過I/O 引腳，輸出4 個信號，兩套獨立的時鐘和方向信號，時鐘信號接在TA8435H 的CK1(引腳6)、CK2(引腳7)端，方向信號接在CW/CCW(引腳5)端，控制電機的正反轉(zhuǎn)。TA8435H 的輸出電流接在電機的兩個繞阻上。電機驅(qū)動部分電源為24V，屬于高電大電流(對于MCU 部分而言)，為保證系統(tǒng)的可靠性，兩部分的接口采用光電隔離，使二者沒有電氣上的聯(lián)系。TA8435H 集成芯片與CPU 接口電路見圖3。
MCU 與光耦器件連接，K1K2 為細分控制信號，DIR 為方向信號，GK 為始終脈沖信號。脈沖信號的低電平使內(nèi)部光耦導通，驅(qū)動器將對脈沖信號下降沿(光耦導通)響應。脈沖的有效寬度不小于5μS。為了可靠響應，脈沖占空比為10%~90%。過大的脈沖寬度和較低的信號幅度都會影響對信號的良好響應并易引入干擾。光耦器件與TA8435H 之間的M1M2 信號是細分控制信號。TA8435H 芯片的外圍電路中，ΦA, Φ/A, ΦB, Φ/B 線圈還接有二極管，起續(xù)流作用。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而準確定位;同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而調(diào)速。當信號電壓較高時，應根據(jù)需要外串電阻進行限流(24V 時應使用2KΩ 限流電阻)。
3.2 步進電機的限位保護
電機驅(qū)動電路是將微控制器的控制信號(時鐘脈沖信號和方向信號)轉(zhuǎn)化為矢量步進電機所需要的電流功率信號，這里將討論時鐘脈沖信號和方向信號的發(fā)生電路。
圖4 步進電機的限位脈沖譯碼電路
圖4 所示是限位開關(guān)檢測以及電機脈沖發(fā)生電路， X-Y 平臺為二維移動平臺，因此脈沖信號和方向信號需要兩組。每一個電機驅(qū)動電路需要2 個信號:脈沖信號VP 和方向信號VD，脈沖的個數(shù)決定了電機運動的步數(shù)，而方向信號決定了電機運動的方向。兩個信號的產(chǎn)生是由控制器的程序的要求產(chǎn)生的。因為每一個方向的運動是有極限的，X-Y 平臺的運動范圍是有限制的，當電機走到每個極限位置時，就不能繼續(xù)運動，否則，將會引起機械的損傷。為了避免這一情況的發(fā)生，在平臺的左右端(零位和滿位)各安裝了兩個限位開關(guān)。
4 智能處理模塊與AT89C51 的接口電路
如圖5 所示，A1, B1, A2, B2 信號經(jīng)過整形以后，進入基于FLEXIOK 構(gòu)成的光柵尺信號處理模塊，處理模塊完成信號的細分、辨向、計數(shù)、鎖存以及三態(tài)控制等功能。與MCU接口時，處理模塊是一片智能芯片，作為MCU 的并行外圍接口電路。
處理模塊與MCU 接口通過三總線方式完成:
(1) 雙向的數(shù)據(jù)總線D0-D7，通過數(shù)據(jù)總線可以相互交流數(shù)據(jù)信息，MCU 具有對計數(shù)器清零的功能，同時，MCU 可以通過數(shù)據(jù)總線光柵尺的位置計數(shù)信息;
(2) 地址總線A8-A15，地址總線決定了尋址地址;
(3) 控制總線/RD 和/WR，決定數(shù)據(jù)的流向。當/WR 低有效時，數(shù)據(jù)流向由MCU 到處理模塊，當/RD 低有效時，數(shù)據(jù)流向由處理模塊到MCU。
數(shù)據(jù)處理模塊的計數(shù)信息包括:X 方向正向計數(shù)(18 位)，X 方向逆向計數(shù)(18 位)，Y 方向正向計數(shù)(18 位)，Y 方向逆向計數(shù)(18 位)。AT89C52 為8 位的MCU，因此各個數(shù)據(jù)的讀取分不同的地址，地址的分配由FPGA 內(nèi)部的譯碼器單元來完成。
光柵尺智能處理模塊運用EDA(電子設計自動化)技術(shù)進行設計，降低了成本，縮短了設計周期。設計時先對所設計電路進行模擬，再對結(jié)果進行仿真、調(diào)試與修正、優(yōu)化，最后將優(yōu)化結(jié)果下載到所選的FPGA 芯片中。設計中可能遇到的諸多問題，該方法將它們的解決放在硬件組裝之前，避免了硬件組裝之后進行電路調(diào)試的弊端。EDA 技術(shù)使設計過程簡化，減少設備投資，縮短設計周期，增強設計者對設計過程的分析和制造的可控性。在設計過程中即可預知設計的結(jié)果，使設計的一次成功率大為提高。
本文作者創(chuàng)新點:
本數(shù)字控制系統(tǒng)的步進電機的驅(qū)動與控制電路選用專用控制芯片構(gòu)成，功能強大，自保護，功率高，體積小，性能穩(wěn)定。光柵尺輸出信號的智能處理模塊采用一片大規(guī)模邏輯芯片(FPGA) EPF10K10 芯片構(gòu)成，電路簡潔，性能可靠。
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作者簡介：張定群(1971.04－)，男，河南省南陽市，講師，華中科技大學碩士，主要研究領(lǐng)域為計算機自動化。楊新鋒（1979.02-），男，河南省南陽市，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域為計算機應用。 |
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