|
摘要: 本文設計了一種在激光打標機中是使用的數字控制器，由以下幾部分組成:AT89C52為核心的最小系統、串行通訊接口、步進電機控制與驅動電路、光柵尺信號處理模塊以及鍵盤與數碼顯示接口電路。步進電機的控制與驅動電路采用步進電機控制專用芯片TA8435H構成。可以對步進電機進行細分控制，電路設計簡潔，性能可靠。
關鍵字: 控制器；步進電機；驅動電路；激光打標
1 引言
在激光打標機中，數字控制器是電控系統的關鍵部分之一，它由硬件電路和程序兩部分組成，控制規律以及控制算法由數字控制器完成。數字控制器通過前向通道完成對位置信號的采集，經數據處理，通過控制算法輸出經執行機構驅動完成閉環的運動控制，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字控制系統的設計。
2 數字控制器的設計
數字控制系統是激光打標機的關鍵部分之一，控制器是電控系統的核心。控制器要完成通信、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復位電路WDT、存儲電路NOVRAM、通信電平轉換接口MAX2Q2、電機驅動接口、鍵盤及顯示接口、控制電光開關輸出接口以及光柵尺接口智能處理模塊等。控制系統的硬件組成如圖1 所示。
2.1 最小系統設計
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。其最小系統組成如下:
1、系統的時鐘。在AT89C52 的XTALI, XTAL2 兩端(Pinl8, Pinl9)接11. 059MHz 的晶體振蕩器，AT89C52 片內電路即可產生振蕩，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CPU 程序‘跑飛’而盲目運行甚至死機的現象，此時若復位信號有效，使系統重新恢復正常運行，這種****CPU 運行的電路稱為看門狗電路。該系統中選用了單片機UP 監控電路為MAX813 的芯片。
3、存儲器。激光打標機中有一些參數是需要存儲的，例如步進電機每走一步X-Y 平臺所移動的微米數(即步長)、PC 計算機下載的加工文檔等，這些參數需要即使在電源掉電后仍能保存下來。AT89C52 內置256RAM，但是在電源掉電后，其內部信息會產生改變。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、鍵盤與數碼顯示接口電路
控制器運行的狀態以及X--Y 平臺的位置是通過數碼管顯示來完成的，在控制面板，人工指令通過鍵盤來輸入。由于AT89C52 引腳有限，系統通過擴展一片8255 來完成鍵盤掃描和數碼顯示，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，加工軌跡的有關參數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，因為該芯片內帶電壓提升泵，片內可產生±12V 電源。
3、MCU 與光柵尺信號處理模塊的接口
位移信號經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、鎖存以及三態控制等功能。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動電路
激光微加工控制系統的后向通道(執行機構)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。TA8435H 的輸出電流接在電機的兩個繞阻上。電機驅動部分電源為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部光耦導通，驅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，起續流作用。通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而準確定位;同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而調速。當信號電壓較高時，應根據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 所示是限位開關檢測以及電機脈沖發生電路， 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，脈沖的個數決定了電機運動的步數，而方向信號決定了電機運動的方向。兩個信號的產生是由控制器的程序的要求產生的。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，就不能繼續運動，否則，將會引起機械的損傷。為了避免這一情況的發生，在平臺的左右端(零位和滿位)各安裝了兩個限位開關。
4 智能處理模塊與AT89C51 的接口電路
如圖5 所示，A1, B1, A2, B2 信號經過整形以后，進入基于FLEXIOK 構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、鎖存以及三態控制等功能。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) 雙向的數據總線D0-D7，通過數據總線可以相互交流數據信息，MCU 具有對計數器清零的功能，同時，MCU 可以通過數據總線光柵尺的位置計數信息;
(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，決定數據的流向。當/WR 低有效時，數據流向由MCU 到處理模塊，當/RD 低有效時，數據流向由處理模塊到MCU。
數據處理模塊的計數信息包括:X 方向正向計數(18 位)，X 方向逆向計數(18 位)，Y 方向正向計數(18 位)，Y 方向逆向計數(18 位)。AT89C52 為8 位的MCU，因此各個數據的讀取分不同的地址，地址的分配由FPGA 內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，再對結果進行仿真、調試與修正、優化，最后將優化結果下載到所選的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試的弊端。EDA 技術使設計過程簡化，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果，使設計的一次成功率大為提高。
本文作者創新點:
本數字控制系統的步進電機的驅動與控制電路選用專用控制芯片構成，功能強大，自保護，功率高，體積小，性能穩定。光柵尺輸出信號的智能處理模塊采用一片大規模邏輯芯片(FPGA) EPF10K10 芯片構成，電路簡潔，性能可靠。
參考文獻:
[1] 徐志軍等，CPLD/FPGA 的開發與應用[M].北京:電子工業出版社.2002
[2] 安毓英，激光民用技術[J].激光與紅外.2003.05.33 卷
[3] 王彥芳，用可編程邏輯器件EPM7128SL84 實現細分電路[J].半導體情報.2001, 1:44-47.
[4] 常毅,譚寧. 基于單片機的激光打標系統控制器設計[J]. 微計算機信息, 2007, 5-1:43-45
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，主要研究領域為計算機應用。 |
66821730(技術支持)
