plc毕业设计说明书（论文）

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1 机床数控化设计概述

本毕业设计是机床CK6163的数控化改造，要求是：

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1）进给两坐标联动，采用单片机的半闭环控制；

2）脉冲当量：纵向（X）0.01mm/步，横向（Y）0.005mm/步； 3）系统能实现直线插补，圆弧插补； 4）电动刀架转位数为4；

5）其它要求：要能实现螺纹加工。

1．1 伺服系统的选择

对于机床的数控化改造，有开环、闭环和半闭环三种。开环控制是没有输出反馈的一类控制系统，开环控制系统的优点是简单、经济、容易维修。缺点是精度低、对环境变化和外界干扰十分敏感。闭环系统是在工业与国防领域，应用十分广泛。闭环系统较开环系统，具有一系列的优点，例如精度高、动态性能好、对环境变化灵敏度低，以及抗干扰能力强等。缺点是结构比较复杂，价格比较昂贵，不容易维修。而闭环系统虽然可以获得十分良好的控制精度。但是，受机械传动件的非线性影响严重，只有在要求高精度的场合，才采用闭环控制。因为各种部影响定位精度的因素都可以得到补偿。一般的，经济、实用型的数控机床则采用半闭环控制。显然，半闭环控制比全闭环控制容易实现，可节省投资。因此，本课题改造采用半闭环控制。对于本系统改造，闭环与半闭环的区别在于位置反馈传感器的安装位置。如安装在滚珠丝杠上为间接测量；安装在工作台上为直接测量。位置控制环内仅包含丝杠的扭转刚度及部分间隙，所以稳定性不是问题。因此半闭环控制系统可避免传动机构非线形（如齿隙、齿轮摩擦、非刚性等）引起系统产生极限环和爬行震荡。但丝杠与螺母之间的滞后得不到补偿，所以定位精度比闭环低。如图1.1：

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工作台计算机数控装置控制电路伺服电机反馈位置反馈速度检测元件转角检测元件

图 1.1 半闭环控制系统

1．2 运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。

如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。因此，本机床的数控化改造后具有在点位控制系统中不具有连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。

1．3 执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低

摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适宜阻尼比的要求。设计中需要考虑了以下几点：

1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用了滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等

2）尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。

3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。

1．4 计算机的选择

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根据机床要求,采用16位微机.由于MCS-96系列单片机具有集成度高,可靠性好功能强速度快、抗干扰功能强等特点，采用了MCS-96系列的8098单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、直流伺服电机功率放大电路及光电编码器反馈电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

2 机床机械传动设计

机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感器部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和稳定性，尽量做到无间隙、低摩擦、低惯量、高精度、高谐振频率、适当阻尼等要求。

2．1 滚珠丝杠螺母副

图 2.2 滚珠丝杠螺母副

普通的螺旋传动广泛地用于将回转运动变换为直线运动。由于螺杆与螺母之间为滑动摩擦，在磨损和精度方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求。滚珠丝

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杠螺母副则是为了克服普通螺旋等方面的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动螺旋摩擦，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温度低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙的突出优点，对于机电一体化系统性能的改善大有益处。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要加锁紧装置，结构复杂，成本高。在丝杠和螺母上先加工出弧形螺旋槽，再将两者套装在一起形成螺旋滚道，在螺旋滚道中装满滚珠。当丝杠螺母相对运动时，两者发生相对轴向移动，而滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动，以此将普通螺旋传动的滑动摩擦变为滚动摩擦。

本设计采用内循环式。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。 2.1.2 间隙消除及预紧

滚珠丝杠螺母副广泛用于闭环伺服控制系统中，如果传动存在间隙非线性，将使控制性能变差，故一般要采取措施消除间隙并适当预紧。本设计中采用双螺母螺纹式。通过拧紧圆螺母达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单，但较难控制，容易松动，准确性和可靠性均较差。

2．2 轴系

轴系是由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩、及传递精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。对于中间传动轴系一般要求不高。对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗震性等要求较高。

2.2.1.1 齿轮的特点

齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最重要的一种传动。它具有以下特点：

1、传动平稳，传递运动准确可靠。

2、齿轮传动的功率和圆周速度的范围较大。 3、齿轮传动结构紧凑，体积小，效率高。 4、承载能力强，使用寿命长。

缺点是制造和安装精度要求高，因此，成本比较大。 2.2.1.2 齿轮的最佳速比分配条件

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齿轮系常用于机电伺服系统的减速增矩。在本数控机床进给系统的齿轮箱中，有四个齿轮。设齿轮传动比第一级为i1，第二级为i2。当i2近似等于i1*i2/1.414时为最佳速比分配条件。该条件也近似使用于多级减速装置。一般，齿轮传动级数增加，齿轮传动的总惯量就减少。但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。因此应在传动级数和传动比的分配方面综合权衡。 2.2.1.3 齿轮间隙的消除

齿轮的间隙是全闭环伺服系统中影响系统稳定的主要非线性因素之一。消除齿轮间

隙分刚性调整法和柔性调整法。对于带锥度齿轮法结构中，是将带锥度的齿

轮轴向移动直至消除齿轮副间隙为止。 2.2.2 轴承

轴承是用来支承轴的专门部件，在保持轴的旋转精度的同时，减少转动轴与支承之

间的摩擦与磨损。轴承分为滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承已标准化系列化，

有向心、推力轴承、向心轴承和推力轴承。共十种类型。

本设计中采用了深沟球轴承和推力轴承。对于轴系用球轴承有单列向心球轴承和角接触球轴承。前者一般不能承受轴向力，且间隙不能调整，常用于旋转精度和刚度要求不高的场合。后者既能承受径向载荷也能承受轴向载荷，并且可以通过内外圈之间的相对位移来调整其间隙之大小。轻载时应用广泛。推力轴承：51000系列（单向）推力球轴承，其轴向承载能力很强，支承刚度很大，但极限转速较低，运动噪声较大。

2.2.3 提高轴系性能的措施

1)、提高轴系的旋转精度

a）提高轴颈与架体（或箱体）支承的加工精度； b）用选配法提高轴承装配与预紧精度；

c）轴系组件装配后对输出轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。

2)、提高组件的抗振性

a）提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼； b）消除和减少强迫振动振源的干扰作用； c）采用吸振、隔振和消振装置。

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2．3 导轨

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导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。机电一体化对导轨副的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。 2.3.1 滚动导轨的优缺点

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.0025~0.005动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持良好；低速运行时不易出现爬行现象，因而定位精度高。它的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或面接触，所以抗振性差，接触应力大对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。 2.3.2 滚动导轨的预紧方式

滚动导轨经过预紧，可以显著地提高其精度。通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右。因此，对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。常用的预紧方法有两种：采用过益配合或采用调整元件。

2. 4 机座

机座或机架是支承其它零件的基础部件。它既能承受其它零件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工多面，几何精度和相对精度要求较高。因此，在设计时考虑到了机床的总体精度，机架或机座的变形和振动将直接影响机床的质量和正常运转，故要满足其刚度和抗振性等。

2. 5 机械设计计算

将一台CK6163普通车床改造成微机数控，采用MCS-96系列单片机控制系统，

直流伺服电机半闭环控制，具有直线和圆弧插补功能，其主要设计参数如下：

加工最大直径：在床面上 500mm

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在床鞍上 280mm 加工最大长度： 1000mm

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溜板及刀架重力：纵向 800N 横向 1100N

刀架快速速度：纵向 1.2m/min 横向 0.6m/min 最大进给速度：纵向 0.3m/min 横向 0.6m/min 主电机功率： 11KW 启动加速时间： 30ms

机床定位精度： ?0.015mm 2.5.1 根据机床精度要求确定脉冲当量

纵向：0.01mm/步；横向：0.005mm/步（半径） 2.5.2 计算切削力

1）纵车外圆

主切削力Fz（N）按经验公式估算： Fz=0.067Dmax=0.67*500=7491N

按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4

Fx=7491*0.25=1873 N Fy=7491*0.4=2996N

2）横切端面

主切削力Fz1（N）可取纵切的1/2。 Fz1=Fz/2=3745 N

此时走刀抗力为Fy1（N），吃刀抗力Fx1（N）。仍按上述比例粗略计算：

Fz1：Fy1：Fx1=1：0.25：0.4

Fy1=3745*0.25=936 N Fx1=3745*0.4=1497 N

2.5.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

1) 计算进给率引力Fm（N）

纵向进给为综合型导轨 Fm=K*Fx+f（Fz+G） (2.1) =1.15*1873+0.16（7491+800）=3529N

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f——滑动导轨摩擦系数： 0.15~0.18 G——溜板及刀架重力： G=800N。

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式中 K——考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15

2) 计算最大动负载C (2.2) C= 3L*fw*Fm L=60*n*T/1000000

n=1000*Vs/L0

式中 L0——滚珠丝杠导程，初选L0=10mm；

Vs——最大切削力下的进给速度，此处Vs=0.6m/min； T——使用寿命，按15000h；

fw——运转系数，按一般运转取fw=1.2~1.5； L——寿命、以1000000转为1单位； n=1000*0.6*0.5/10=30r/min L=60*30*15000/1000000=27 C=14251N

3) 滚珠丝杠螺母副的选型

查阅相关资料，可采用KGT-N32×10-RH内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠,外径32mm，导程10mm，额定动负载C=33400N，刚度为K=810N/um,精度等级选为3级。 4) 传动效率计算

η=tgγ/tg（γ+Ф） (2.3) 式中 γ ——螺旋升角，NL4506γ=2o26`

Ф——摩擦角取10`滚动摩擦系数0.003~0.004

η=tgγ/tg（γ+Ф）=tg2o26`/tg（2o26`+10`）=0.93

5) 刚度验算

如图2.2是纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力3528N。支承间距

L=1000mm , 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

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图 2.3 进给滚珠丝杠支承方式

a) 丝杠的拉伸或压缩变形量δ1

查相关资料，根据Pm=3528N，D0=45mm，查出δl/L=0.000013，可算出:

δ1=1500*δl/L=0.02

由于两端均采用向心推力轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量δ`1（mm）为：δ`1=δ1/4=0.005 b) 滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2

查相关资料N系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量δ2：

δQ=5.8um

因进行了预紧，δ2=δQ/2=5.8/2=2.9um

c) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3

采用8107推力球轴承，d1=30，滚动体直径dQ=6.35mm，滚动体数量Z=15

δc=0.0024 F`m*F`m/dQ*Z*Z=0.0094

因施加了预紧力，故δ3=δc/2=0.0094/2=0.0047

综合以上几项变形量之和：

δ=δ1+δ2+δ3=0.005+0.0029+0.0047=0.0081〈0.015

满足定位精度。

6) 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。

2.5.4 确定齿轮传动比

原来机床的传动齿轮已消除间隙，为减小传动误差，增加可靠性，齿轮箱和齿轮在原有的基础上去掉一级齿轮副，采用一级减速。

本次半闭环光电编码器选用分辨率为1000 line/r，横向脉冲当量为0.01mm，滚珠丝杠螺距为10mm，则齿轮传动比：

360?10 =1

360?0.01?1000即，纵向传动可以不用减速机构，让电机直接连接滚珠丝杠。

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2.5.5 直流伺服电机的选择 1）负载转动惯量的估算

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折算到纵向伺服电机轴上的转动惯量可按下式估算：

Jf?W180?()2ig??2 (2.4)

2式中 Jf——折算到电动机轴上的转动惯量（kg.cm

）

W——纵向移动部件得重力（800N） δ——估算参数(0.01) θ——步距角（0.36

0）

2J=(800/9.8)(（180×0.01）/(3.14×0.36)) f根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩

=2.0698Kg.cm

2）负载转矩计算及最大静转矩的计算

TF?FL?102??x00?3?ii?1893?10?10?32?3.14?0.953?0.98?1=3.28N.m (2.5)

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩

Tq?TF(0.3~0.5)

取安全系数为0.3 ，则Tq?3.28/0.3=10.9N.m

因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载启动时所需转矩T的要求 T=Tamax+Tf+T0

式中Tamax为空载快速启动时所需的转矩（N.m）

TTf为克服摩擦力所需的转矩（N.m）

为丝杠预紧所引起的折算到电机轴上的附加转矩（N.m）

0当工作台快速移动时，电机的转速：

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iv n? (2.7) L =（1200×1）/10=120r/min 有动力学可知：

Tamax?JF? (2.8) 式中 ε为角加速度，计算公式为ε=则

?n30t (2.9)

Tamax=JF?=2.07×0.0001×（3.14×120）/(30×0.03)=0.087 N.m

Wf,2???i0iL0?10?3 (2.10)

=(800×0.16×10×0.001)/(2×3.14×0.93×0.98×1)=5.01 N.m

T0=

F0L0?102??0?3?ii (2.11)

=(0.33×7491×10×0.001)/ (2×3.14×0.93×0.98×1)=4.3 N.m T=Tamax+Tf+T0=4.3+5.01+0.087=9.4 N.m

根据计算综合考虑，选择直流电机的型号为： 140ZW-02 ,额定转矩11N.m 2.5.6 横向进给系统的设计计算

已知条件：横向工作台重力W=1100N,时间常数t=25ms，由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，估计算过程略。

选择滚珠丝杠的型号： KGT-N32×20-RH 直流电机型号为 140ZW-02,额定转矩12.5N.m.

3 微机数控系统硬件电路设计

3. 1 单片微机设计概述

8098是Intel公司于1988年一季度推出的准16位嵌入式微控制器（内部数据总线为16位，外部数据总线为8位），它与MCS-96系列中的其他芯片相比具有性能高，功能全，售价低廉，使用方便等优点，非常适合在我国推广使用。 3.1.1系统的结构框图

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光电编码器光电隔离专用控制程序功率放大向直流电机光电编码器纵向拖板光电隔离用户加工程序外部功率放大向直流电机横向工作台车床刀架8098单片机口驱动电路刀架电机刀架转动键盘及显示驱动主轴电机主轴

图 3.1 系统的结构框图

设计说明：

用户根据零件图纸，按照规定的格式，编制出若干零件加工程序，然后通过键盘把程序输入计算机，计算机在管理程序的控制下，通过专用控制程序（数控软件）把用户加工程序（应用软件）转化成一定数量（位移）和频率（速度）的脉冲型信号。这些指令经过扩展的I/O口和光电隔离，在经过功率放大，然后驱动两台直流伺服电机，带动工作台和刀架完成纵、横两个方向的进给，使车刀走出直线或圆弧等轨迹。工作台的位移量通过编码器检测出来反馈回计算机形成闭环。刀架上可装四把刀，当需要换刀时，由计算机发出驱动刀架旋转的信号，经过驱动电路使刀架电机旋转，带动刀架换位。主轴脉冲编码器是用来车削螺纹的。它把主轴旋转的角位移以脉冲的形式输给计算机，计算机通过软件控制使车刀的进给运动与工件的旋转运动保持正确的运动关系。主轴脉冲编码器的进给脉冲用来控制车刀的进给量，以保证工件每转一转刀架移动一个螺纹导程；零位脉冲用来控制车刀切入工件的起始位置，保证多次走刀螺纹时不乱牙。

在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：

1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。

2)、可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量。

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3)、指令系统功能，影响编程灵活性。

4)、I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。

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此外还考虑到了系统应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等要求。

此次毕业设计要求使用16位单片机，因此选择Intel 8098单片机。 3.1.2 存储器扩展电路的设计

存储器扩展电路的设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器芯片时，考虑到了CPU与EPROM时序的匹配，最大读出速度、工作温度及存储芯片的容量等问题。

在存储器扩展电路的设计中包括地址锁存器和译码电路的设计 3.1.2 I/O口即输入/输出接口电路设计

包括接口芯片的选用，直流伺服电机控制电路，键盘显示电路和其它辅助电

路（如复位电路，越界报警电路等）。

3. 2 8098单片机的基本特性

MCS-96系列单片机的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的准16位优良单片机系统。 3.2.1 8098单片机的基本特性

1) 准16位嵌入式微控制器（内部数据总线为16位，外部数据总线为8位）;

2) 高性能的16位CPU寄存器算术逻辑单元（RALU），232字节寄存器阵列； 3）高速输入/输出（HSI/HSO）;

4) 带有采样/保持（S/H）电路的4通道10位A/D转换器； 5) 中断控制器和等待状态产生逻辑； 6）一个同步/异步串行口；

7）两个16位定时器和一个监视定时器；

8）一个可供D/A转换器使用的脉宽调制（PWM）输出； 9）片内设有时钟发生器； 3.2.2 8098芯片引脚及其功能

8098芯片具有48引脚，如下图所示：

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图 3.2 系统的结构框图

引脚功能定义表：

表3.1 8098引脚功能表

符号 Vcc Vss Vpd

名称及功能主电源(+5V)

数字地。共有两个Vss引脚都必须接地

RAM备用电源(+5v)。在正常操作期间应加上此电源。在掉电情下，若在Vcc下降到低于规定值之前(Vpd应保持在规定范围之内)RESET有效，则8098片内寄存器阵列顶部的16字节山窖将保持不变。在掉电期间，RESET应一直保持低电平，直至Vcc恢复到规定的范围内且振荡器达到稳定时

为止

Vref

片内A／D转换器的参考电压（+5V）,他也是A／D转换器模拟部分的电

源电压，以及读PO口操作所需的逻辑电压

ANGND

片内A／D转换器的参考电压（+5V）,他也是A／D转换器模拟部分的电

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源电压，以及读PO口操作所需的逻辑电压.

Vpp XTAL1

EPROM型芯片的编程电压

片内振荡器中反相器的输入,也是片内时钟发生器的输入,通常接外部晶

体

XTAL2 RESET EA

片内振荡器中反相器的辅出,通常接外部晶体

复位信号输入端

存储器选择输入端。EA=1，CPU寻址存储器2000H～3FFFH单元时，访问的是片内ROM(8398)；EA=0．则访问的是片外存储器+此引脚内部有下拉

作用．若外部无驱动，它总保持低电平

ALE/ADV

地址埙存允许(ALE)或地址有效输出(ADV)。它们由CCR寄存器选择。两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址／数据总线中分离出来。当选择ADV功能时，在总线周期结束时，此引脚变高。ADV可作为外部存

储器的片选信号。ALE／ADV仅在外部存储器访问期间才有效

RD WR READY

对外部存储器的读信号(输出) 对外部存储器的写信号(输出)

准备就绪信号(输入)。用来延长对外部存储器的访问周期，以便使芯片能够与慢速或动态存储器接口。它也可用于总线共享．总线周期最多可延长至lus。当不使用外部存储器时，此信号无效，通过CCR寄存器可控制插入到总线周期中的等待状态数,REDAY引脚内部有微弱的上拉作用，

当无外部驱动时．此引脚为高电平

HSI

高速输入部件的信号输人端。共有4个HSl输入引脚：HSI.0、HSI.l、

HfSI.2、HSI.3其中两个引脚(HSI.2、HSI.3)与HSO部件共用

HSO

高速输出部件的信号输出端。共有6个HSO输出引脚 HSO.0、HSO.l、HSO.2、HSO.3，HSO.4、HSO.5，其中两个引脚(HSO 4、HSO 5)与HSI部

件共用

P0口

4位高输入阻抗口。这些引脚既可作为数字输入口，还可用作A／D转换

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器的模拟输人口(ACH4～ACH7)

P2口

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4位多功能口。在8098中，它们除了可用作标准的I／O口外，还可用作

其它特殊功能

P3口和 P4口

具有漏极开路输出的8位双向口。这些引脚用作多路复用地址／数据总

线和地址总线．它们的引脚内部具有极强的上拉作用

3. 3 存储器扩展电路的设计

在对机床的数控化改造过程中，对单片机进行开发时，遇到了存储器的扩展问题，单片机的内部虽然设置了一定容量的存储器，但是这种存储器的容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器，同时还需要对单片机的I/O口进行扩展，这就需要配置一定的输入设备和输出设备，这样才能满足系统的工作需要。

在设计扩展存储器时，要从下面几点进行考虑。

1) 系统对外部存储器需求的种类和容量.系统是否需要EPROM，RAM及EEPROM。所需的容量是多少。

2) 8098寻址空间为64K字节．应对其片外的程序存储器、数据存储器及I／O空间进行统一编址。

3) 时序分析与连线．根据所选用存储器的特性、工作方式参数及时序的要求来确定与8098的接口如何连接。

8098单片机使用16位多路复用地址和8位数据总线，此外配合总线口进行总线存取操作的还有引脚RD、WR、ALE／ADV、READY、EA等控制信号。使用这些信号与一些常规接口芯片连行扩展很容易构成较大规棋的应用系统。 3.3.1 程序存储器的扩展 3.3.1.1 2764EPROM

图3.2为2764的引脚图：

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VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND12345678910111213142827262524第 17 页共 42 页

2764232221201918171615VccPGMA13A8A9A11OEA10CEO7O6O5O4O3

图 3.2 2764芯片引脚图

各引脚功能如表3.2

表3.2 2764引脚功能表

名称 AO一A16 CE OE O0～O7

功能地址线片选输出允许数据输出

名称 Vpp PGM Vc GND NC

功能编程电源编程电源(+5V)

地空

2764一般可有三种工作方式应用干8098系统之中，值得注意的是这三种工作方式的所有输入／输出与CMOS和TTL电平兼容。

１）读工作方式：一般说来．EPROM在地址线稳定后．使用两个引脚(片选脚CE．输出允许OE)控制读取数据。片选脚(CE)是电源控制，用于设备选择；输出允许脚(OE)是输出控制，用于选择输出引脚中有数据输出还是高阻状态。假设地址线(A0～A16)稳定不变，片选脚(CE)与输出允许脚(OE)都为低时．经过一段时间延迟后．该地址的数据就会被读到数据口1(DO—D7)。

２）维持工作方式：当片选信号(CE)为高电平时，芯片进入维持工作方式，这样可以减步芯片的功耗，一般在1mW以下．这时数据口输出呈现高阻状态．

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禁止工作方。

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３）输出禁止工作方式：当输出允许信号(OE)为高电平时，芯片进入输出

市场上购买的EPROM，在其出厂前所有存储单元的数据均为1，用户可通过相应的EPROM写入装置(如8088开发系统、ALL03＋等)，将应用程序编程到芯片中在系统中使用．如果应用程序需要改写．可将EPROM芯片在紫外线(光强度为15000uW／cm2)光下照射其窗口约20分钟，存储单元各位数据会被最新置1，然后就可再次使用。 3.3.1.2 地址锁存器

由于MCS-96单片机的P3口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，地址锁存信号为ALE。本系统用的是74LS373，它的锁存控制端LE可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。74LS373芯片如图3.3

111347813141718OELED0D1D2D3D4D5D6D7VccQ0Q1Q2202569121516191074LS373锁存器Q3Q4Q5Q6Q7GND图 3.3 73LS373芯片引脚

373的输出端O0-O7可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载

或总线。当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在

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已建立的数据电平。

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当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：

D0～D7 数据输入端

OE 三态允许控制端（低电平有效） LE 锁存允许端 O0-O7 输出端 3.3.1.3 译码电路

8098单片机允许扩展64K数据存储器（包括I/O口芯片），这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间（包括I/O口芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8098数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选（指选中某一个芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。

规则如下：

1）程序存储器与数据存储器独立编址。它们的地址可以重叠使用。靠片选信号和控制信号：ALE、RD和WD区分访问对象。

2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址。外围I/O芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。

3）CPU访问外部存储器地址编码CPU P4口提供高8位地址（A8-A15），P3口经外部地址锁存器后提供低8位地址（A0-A7）。

地址译码的方法有两种：线选法和全地址译码。

1) 线选法：即把单独的地址线（通常是P2口的某一根线）直接接到外围芯片的片选端上,只要该地址线为低电平，就选中该芯片。若系统只扩展少量的RAM和I/O接口芯片，可采用线选法。译码中未用到的地址位可设成“1”或“0”。

2) 全地址译码法：将低位地址线作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译出的信号作为片选线。通常用于扩展容量较大的系统。常用译码芯片是74LS138。

74LS138芯片如图

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3.4

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ABCE1E2E312345678译码芯片161514VccY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6

74LS138131211109Y7GND图 3.4 74LS138芯片表3.3 74LS138功能表

E3 1 1 1 1 1 1 1 1 1

E1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 其他状态

E2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

C 0 0 0 0 1 1 1 1 ╳

B 0 0 1 1 0 0 1 1 ╳

A 0 1 0 1 0 1 0 1 ╳

Y7 1 1 1 1 1 1 1 0 0

Y6 1 1 1 1 1 1 0 1 1

Y5 1 1 1 1 1 0 1 1 1

Y4 1 1 1 1 0 1 1 1 1

Y3 1 1 1 0 1 1 1 1 1

Y2 1 1 0 1 1 1 1 1 1

Y1 1 0 1 1 1 1 1 1

Y0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

3.3.2 数据存储器的扩展

在单片机应用系统中，数据存储器一般都采用静态数据存储器。最常用的静态数据存储器有6116(ZK×8)、6264(8K×8)两种。

6264是：8K×8位的静态随机存储器芯片，采甩CMOS工艺制造，单 +5V电

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源。额定功耗200mW，典型存取时间为200ns，为28PIN双列直插式(DIP)封装，其引脚定义如图3. 5所示，其引脚功能见表３.３。芯片功能表见表3.3

NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0IO0IO1IO2GND123456789101112131428272625246264232221201918171615VccWECS2A8A9A11OEA10CS1IO7IO6IO5IO4IO3

图３. 5 ６２６４引脚定义

表3.4 6264引脚功能表

名称 A0～A12 CS1,CS2 0E WE IO0～IO7 Vcc GND NC

功能地址线片选输出允许写允许数据输入／输出电源(+5V)

地空

由表3.3可以看出．6264芯片可由面个片选脚(CSl、CS2)、输出允许(OE)、写允许(WE)和地址线来控制写入和读出数据。常用的几种方法如下：

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1) 片选(CSl)控制方式

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将地址线与8098单片机地址线相连，输出允许(OE)、写允许(WE)与8098的读(RD),写(WD)信号相连。片选(CS2)接高电平。地址译码线与片选(CS1)相连．其为低电平有效。在低电平持续一段时间后(如6264—200为200ns，)．该地址单元的数据就会被读出或将数据口上的数据写入该地址单元。

2) 片选(CS2)控制方式

这种工作方式与片选(CS1)控制方式基本相同，所不同的是片选(CS1)接低电平，片选(CS2)与地址译码线相连，其为高电平有效。

3) 片选(CS1、CS2)组合控制方式

这种方法与前两种方法所不同的是：可分别使用片选(CS1、CS2)进行译码，使得在无总线竞争发生时，线路连接有更大的灵活性。

本设计采用片选(CSl)控制方式 3.3.3 EEPROM存储器

EEPROM是一种电擦除电可编程的只读存储器。可作为程序存储器和数据存储器使用，其主要优点是能在应用系统中进行在线改写．并能在断电情况下保存数据。其有并行EEPROM和串行EEPROM两种类型，具体有如下特点:

1) 采用+5V擦除的EEPROM后，通常不须设置单独的擦除操作，可在写入的过程中自动擦除快速的擦除时间为200us，最长的约需lOms左右，所以在设计应用系统时应首先查阅有关的手册，确定擦除时间，在软件设计时确保有足够的写入时间。

2）在采用并行EEPROM时，EEPROM可作为程序存储器，按照EPROM的连接方法编址，如果作为散据存储器，则按照静态RAM连接方法编址。

3）在串行EEPROM芯片中，地址与数据的传送方式都是串行方式，它们体积小，电路连接简单(两线传送或三线传送)，价格低廉，不占用地址总线与数据总线，但是，数据传送速率低。

常用的并行EEPROM型号有：28C16A(2K×8)，28Cl7A(2K×8)．28C64A(8K×8)等，本设计采用28C64A，其引脚定义见图3.6、工作方式如表3.4所示

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10987654325242123226第 23 页共 42 页

A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12NCVccWEOECEIO02827222011121315161718191142864IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7RDY/ BUYVss图３. 6 2864引脚定义表3.5 2864引脚功能表名称 AO～A12 CE 0E WE I/O0-I/07 RDY／BUSY Vcc Vss NC

功能地址线片选输出允许写允许数据输入/输出准备好/忙 +5V 地空

2864与8098的接法与6264（RAM）与8098的接法基本相同，只不过2864只有一个片选端CE，它与74LS138的Y5输出端相连。

3.4 I/O接口电路

8255A可编程I／O口及扩展

在8098单片机应用系统设计时，对其I／0口的使用应根据具体应用场合而确定。对于简单外设的输入输出，可使用I／0接口直接检测／控制。但对比较复杂的应用系统。单片机本身提供的I／O口显然不够使用．因此需要在单片机上扩展I／0口来实现系统功能要求。最常用的并行接口芯片为8255A。8255A是可编程的并行I／O接口芯片，它可用程序来改变功能，通用性强。使用灵活，通过它可直接将单片机总线接向外设。

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3.4.1 8255A的结构

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8255A的原理如图3.7所示．它有两个8位并行端口PA和PB。还有两个4位并行端口：PC的高4位和PC的低4位．每个端口均能通过控制寄存器编程确定为全部输入或全部输出，也可确定为指定的功能。它的管脚采用40线双列直播式封装．内部原理如图3.7所示，引脚图如图3.8, 引脚功能见表3.6。

A组控制A组A口（8）D0-D7缓冲器A组C口（4）B组控制RDWRA1A0RESETCS读/写控制逻辑B组C口（4）B组B口（8）图３. 7 8255A的原理图

1）数据端口PA、PB、PC

8255A有三个8位并行口PA、PB、PC，它们都可以选择为输入或输出工作方式，但在功能和结构上有些差异。

PA口：具有一个8位数据输出锁存缓冲器，一十8位数据输入锁存器。 PB口：具有一个8位数据输入输出锁存缓冲器．一个8位数据输入锁存器。 PC口：具有一个8位数据输出锁存缓冲器．一个8位数据输入缓冲器(输入没有锁存)。

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为PA口、PP,口状态控制信号．

2） A组和B组控制电路

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PA口和PB口可作为输入输出口．而PC口除了可作为输入输出口外，还可作

这是两组根据8098命令控制8255A工作方式的控制电路。此外．还可根据8098的命令对PC口的每一位实现按位“复位”或“置位”。

A组控制PA口和PC4～PC7； B组控制PB口和PC0～PC3。

1PA32PA23PA14PA05RD6CS7GND8A19A010PC711PC612PC513PC414PC015PC116PC217PC318PB019PB120PB2PB3PB421PB522PB623PB724Vcc25D726D627D528D132D033RESET34WR35PA736PA637PA538PA439408255D231D330D429

图３. 8 8255A引脚图

3）数据总线缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，它是8255A与系统数据总线的接口输入输出的数据、输出指令以及CPU发出的控制字都是通过这十缓冲器传送的。

4）读写和控制罗辑

A0、A1和CS为8255A的口选择信号和片选信号，RD及WR为对8255A的读写控制信号。这些信号分别和8098单片机的地址线和读写信号线相连接，实现对8255A的口选择和数据传送。这些控制信号的组合可以实现8098单片机对8255A的PA口、PB口、PC口和控制信号的寻址，见表3.6．

5） RESET

复位信号：高电平有效，置8255A于基本操作状态，PA口、PB口及PC口均为输入方式。

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表3.6 8255A端口选择

CS 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

RD 1 1 1 1 0 0 0 0 × 1

WR 0 0 0 0 1 l 1 l × 1

Al 0 0 1 1 0 0 1 1 × ×

AO 0 1 0 1 0 1 0 1 × ×

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端口选择及其操作数据传送端口A 数据传送端口B 数据传送端口C 控制字送控制寄存器端口A数据送数据总线端口B数据送数据总线端口C数据送数据总线无操怍（D7～D0三态) 禁止(D7～D0三态) 无操作(D7～D0三态)

3.4.2 8255A工作方式的选择 8255A有三种基本的工作方式． 1) 方式0，基本输入输出方式。 2) 方式1 ，选通输入输出方式。 3) 方式2，双向传送。

其工作方式的选择由8098输出的方式控制字来决定。 1）方式选择控制字

8255A工作方式的选择由8098写入一个控制字到8255A的控制寄存器来确定，方式控制字格式如图3.9所示。

在方式选择控制字中，D7=l是其特征标志位。这时，A组可选择三种工作方式，方式0、方式1及方式2。而B组只能选择方式0或方式1 。

若8255A编程A 口为方式0输入，B 口为方式1输出。PC7-PC4为输出，PC3-PCO为输入，则其程序为：

LDB AL，#95H ;取控制字 LD BX，#19BH ;取控制口地址 STB AL，[BX] ;送控制宇 2）端口C置位／复位控制字

在向控制寄存器写入控制字时．如果D7=0，则是对端口C置位／复位的控制字，此时，由控制字的D3～D1指明对端口C的哪一位进行操作，而D0位则指明对端口的操作是置位(DO=1)还是复位(D0=0)．D6～D4为任意值，不影响操作，这一功能可使8255A作为位控接口来实现对外设的接位控制。

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D7D6D5D4D3D2D1D0PC口底4位PB口B组方式选择PC口高4位PA口A组方式选择第 27 页共 42 页

0 输出1 输入0 输出1 输入0 方式 01 方式 10 输出1 输入0 输出1 输入00 方式 001 方式 11× 方式 21 有效方式选择标志

图３. 9 8255A方式选择控制字

例如：要使端口C的PC7=1，则控制字为OFH，而要使PC3=0，则控制字为06H。设8255A的控制端口地址为19BH．其程序如下： LDB AL，#0FH ；设置PC7=1的控制字 LB BX．#19BH ；取控制口地址 STB AL，[BX] ；置PC7=l

LDB AL，．#06H ；设置PC3=0的控制字 STB AL，[BX] ;置PC3=0 3.4.3 8255A 的工作方式

1) 方式0——基本输入／输出方式

在这种方式中．三个数据端口A、B、C(C分为两个4位)通过方式选择控制字可任意选择其为输人口或输出口，且同一组的两个端口也可分别定义为输入口或输出口，例如：A组的端口A定义为输入口，而端口C的PC7～PC4则可定义为输出口。

方式0的主要特点是：

其有两个8位端口A、B及两个4位端口(端口C)，任一个端口可以作为输入或输出端口，各端口之间没有规定必然的联络关系。

方式O主要用于同步传进数据的场合，这时．8098A 和外设都互相了解对方的工作状态，不需要应答信号．三个数据端口可实现三个通道的数据传送。

2) 方式l——选通输入／输出方式

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在这种方式中，端口A和端口B要进行输入／输出传送时，必须利用端口C提供的选通信号和应答信号，而这些信号与端口C有着固定对应关系，不可改变。

方式1的主要特点是：

１）两个8位数据输人／输出端口A、B在端口C的配合下工作。２）端口C中的3位用于端口A的输入／输出控制。3位用于端口B的输入／输出控制，井提供中断逻辑。

３）若只有一个数据端口工作于方式l，则另一个数据端口及端口C剩下的5位可工作于方式O；若两个数据端口都工作于方式1，则端口C剩下的两位可由程序指定作为输入或输出，也可进行置位／复位操作。

本设计中，一片8255的PA口设定为输入口，PA0-PA5信号来自面板六个琴

键开关：PA1-空运行是验证程序用的；PA2-自动运行用于加工；PA3-手动速度有两档，用于点动；PA4-回零是指刀架回零,PA0是编辑。同时PC0-PC3设定为输出口，当需要自动回转刀架换刀时，由8155的PC0-PC3发出刀位信号，控制刀位电机回转，到达指定的刀位，刀架夹紧后，发出换刀回答信号，经8155的PB5输入计算机，控制刀架开始进给。PB0-PB6设定为输入口，设有启动、暂停、单段、连续、急停等方式。PB5作为刀架电机转动的换刀回答信号。PB6作为车削螺纹时的零位螺纹信号。PC4接报警显示。端口定义如图3.10：

在本控制系统中，另一片8255的PA口设定为输出口，输出八路PWM调制波，经光电隔离电路、功率放大电路，驱动功率开关元件GTR，使GTR实现快速通断，无论何时，一相的4个GTR只有两个处于导通状态，另外两个处于截止状态，然后驱动X，Z向的直流电机。PB口设定为输入口：8098的P1.0-P1.7作为显示器的段选信号,PC0-PC5是输出显示器的位选信号,PB0-PB3四根线是键盘扫描输入，PB4-PB7是两个方向的点动。对于PA口，PA3作为X向电机的选择信号，PA7作为Z向电机的选择信号。

3.4．4 显示器的工作原理

数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示

器）这里主要介绍LED显示器，通常它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常用的七段显示器的结构如图3.10。发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极显示器。当显示数字0时，只要a、b、c、d、e、f段亮，g不亮，即a、b、c、d、e、

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图３. 9 8255A 功能信号

f段的阳极加上高电平“1”，g段的阳极加上低电平“0”，公共阴极接低电平“0”，七段显示器则显示“0”，如果加到各段阳极上的代码，则显示器将会显示不同的字符和数字，这个代码称为段码,选择字型称为段选。

通常显示器采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次，显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这就是显示器的扫描过程。计算机以人眼不能分辨的速度轮流对各字位线输出低电平，即可在各位上显示出不同的字符和数字，从而实现扫描显示，这就称作位选。

本设计是使用存储空间扩展实现的动态驱动LED，它使用两片74LS373锁存器动态驱动6块LED数码管。6块数码管相同数据段的输入端相连并接到74LS373的输出端上．另一片74LS373的6路输出分别与6块数码管的选通端相连来控制由哪块数码

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示控制数据。

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管显示。程序设置6个连续RAM中存放相应的显示数据．其后6个连续内存中存放显

abcdefgdpgfgndabafedgbcdpedgndcdp图３.10 7段LED显示块

3.4．5 键盘接口原理

键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片微机输入设备。其工作原理如图3.11：

图中控制信号=“０”则开放，可对键识别：当键松开，测试信号＝“１” 键闭合，测试信号＝“０”

控制信号＝“１”，禁止，不能对键进行识别．

图所示为４Ｘ４键盘结构，图中行线通过电阻接＋５Ｖ，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线断开，行线Ｘ０-Ｘ３（测试信号）都成高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的行线和列线短路。Y0-Y3相当于控制信号。

由附图所示，键盘为4X8键。键盘的列线用8255的PC口（PC0-PC7），是输出口。键盘的行线由8255B口（PB0-PB3）担任，是输入口，键盘用8255的PC口进行控制，对进行键盘巡回扫描。

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10KΩ测试信号第 31 页共 42 页

10KΩ×4+5VX3X2X1+5V控制信号X0Y0Y1Y2Y3图3.11 键盘控制原理图

3.5 直流伺服电机接口及驱动

直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。

3.5．1 直流伺服电动机的分类

直流伺服电动机的分类：直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由励磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体产生。电磁式直流伺服电动机是一种普遍使用的伺服电动机，特别是大功率电机（100W以上）。永磁式伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功率重量比大、稳定性好等优点，由于功率的限制，目前主要应用在办公自动化、家用电气、仪器仪表等领域。

直流伺服电动机按电枢的结构与形状又可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁心上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁心，且常做成杯形，其转子转动惯量最小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而转子转动惯量较大。

直流伺服电动机还可按转子转动惯量的大小而分成大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机。大惯量直流伺服电动机(又称直流力矩伺服电动机)负载能力强，易于与机械系统匹配，而小惯量直流伺服电动机的加减速能力强、响应速度快、动态特性好

3.5．2 直流伺服电动机的基本结构及工作原理

直流伺服电动机的基本结构及工作原理：直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片结构组成（如图3.12所示）。其中磁极在工作中固定不动，故又称定子。

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定子磁极用于产生磁场。在永磁式直流伺服电动机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电动机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。电枢是直流伺服电动机中的转动部分，故又称转子，它由硅钢片叠成，表面嵌有线圈，通过电刷和换向片与外加电枢电源相连。直流伺服电动机是在定子磁场的作用下，使通有直流电的电枢（转子）受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。通过控制电枢绕组中电流的方向和大小，就可以控制直流伺服电动机的旋转方向和速度。当电枢绕组中电流为零时，伺服电动机则静止不动。

磁极N电枢导体电刷换向片磁极nS+-

图3.12直流伺服电机原理图

直流伺服电动机的控制方式主要有两种：一种是电枢电压控制，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；另一种是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。采用电枢电压控制方式时，由于定子磁场保持不变，其电枢电流可以达到额定值，相应的输出转矩也可以达到额定值，因而这种方式又被称为恒转矩调速方式。而采用励磁磁场控制方式时，由于电动机在额定运行条件下磁场已接近饱和，因而只能通过减弱磁场的方法来改变电动机的转速。由于电枢电流不允许超过额定值，因而随着磁场的减弱，电动机转速增加，但输出转矩下降，输出功

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率保持不变，所以这种方式又被称为恒功率调速方式。

3.5．3 直流伺服电动机的驱动与控制

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本次设计，直流伺服电机采用恒转矩调速方式，两只电机各采用8255输出4路PWM调制波驱动开关元件，以控制电机电枢电压，达到调速的目的。如图3.13所示。

+15V+5V+VsVD1VD3VT3MPA4PA58255PA6PA7VT1VD2VT2VT4VD4X相电机

图3.13 电机驱动

1）方波的产生

利用8255的PA输出口的PA4-PA7（具有输出锁存缓冲器）输出4 路用于控制电机正转、停及反转的连续脉冲方波, 方波由功能软件产生并进行控制, 方波的频率应选择合适, 频率过高, 后接功放开关元件速度跟不上, 频率过低, 则在单位时间内脉冲个数太少, 而且高次谐波干扰大, 易引起电机运行不平稳, 通常取3000Hz—4000Hz 为宜。

2） PWM 调制波的实现

利用8098 单片机接口中的P0 口, 定期从检测装置采集数据, 根据实际位移的大小, 利用软件进行数字调制, 控制方波脉冲的有效宽度。这样从8255的PA 口输出的将是经过调制的PWM 波, 通过主控电路和功放电路以控制伺服电动机的运行。

3）光电隔离电路

在电机驱动电路中，调制脉冲的信号经放大后，控制步进电机的电枢绕

组。由于直流电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），

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如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。常用的是光耦合器。

说明：耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，上图为共发射极输出型。当输入信号加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由

于光敏效应产生电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。

4）基级功率放大器

从计算机输出口输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动GTR，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至几十安培，从而驱动GTR道通。

5）电机转速及运转方向的控制

数字调制的PWM 控制波, 其实质是通过调整脉冲的占空比Q(- 1≤Q≤1) 来实现电机转速的控制。由于8255 的PA 口输出的脉冲方波高低电平均为0V 以上电压, 故电机的运转方向需要另行控制, 系统适宜采用单极式PWM 可逆变换器, 其中PA4,PA6 两路输出驱动开关脉冲, PA5 输出正转开关信号, 高电平有效; PA7输出反转开关信号, 高电平有效。PA5 和PA7有效信号的输出,由CPU 根据P0 口的输入与指令位移的比较结果来确定。

8255的PA输出口输出四路PWM 调制波, 经过光电耦合器传递和功放电路放大后, 送至功率开关元件V T 1-V T 4 的基极以驱动GTR, 使GTR 实现快速的通断。无论何时, 4 个GTR 开关元件只有两个处于导通状态, 而另外两个处于截止状态。由于电机绕组都是绕在铁心上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当续流回路，图中VD1-VD4与GTR在断开时组成了续流回路。

3.6 传感器

3.6．1 光电编码器的工作原理

光电编码器是码盘式角度-数字检测元件。有两种类型，一种是增量编码器，一种是绝对编码器。两者相比，增量编码器具有结构简单、价格低，而且精度易于保证等优点，所以目前采用较多，但无法输出旋转轴的绝对位置。本设计采用增量式的

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编码器。

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所谓增量编码器是指旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向由计数器对这些脉冲进行加减记数，以此来表示转过的角位移。光电增量编码器直接利用光电转换原理输出3路方波信号：A相，B相和Z相，A，B两组信号相位相差90度，从而方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位，光电编码器上有代表一定编码的透明和不透明区。码盘上码道的条数就是数码位数，对应每一码道有一个光电元件。来自光源的光束，经聚光镜射到码盘上，进行角度编码后，再经窄缝射入光电元件组上，从而光电元件组给出与角位移相对应的识字编码信号。

3.6．2传感器的接口电路

原理图是8098采集光电编码器的反馈信号。光电编码器的A相及B相方波脉冲经过方向判别后，所得到的正转脉冲或反转脉冲分别加到输入端a和b。经过整形和光耦，加到两级74LS193组成的可逆计数器，然后经过三态门74LS244接到8098的数据总线。

3.7 其它辅助电路

3.7．1 8098的时钟电路

8098单片机所需要的时钟信号来源于高频振荡信号．该信号可以用一个石英

晶体和两十电容器按照图3.14所示电路与单片机的XTAL1、XTAL2，连接。石英晶体具有感抗特性，它与电容器能够产生并联谐振。当它们与片内的单级非门相互配合时，便构成了一个完整的振荡信号发生器。

自然,该发生器的能源来自Vcc 其振荡频率取决于石英晶体和电容器，频率整定范围一般为6MHz～12MHz．而通常就选用12MHz，片内单级非门所提供的通道有利干振荡的稳定。

在组成8098单片机应用系统时，多半采用种方案，因为它体现了系统结构紧凑、成本低廉和可靠性高等原则。

3.7．2 8098的复位电路

8099单片机需要有复位电路，以便通过它使自身进入复位状态。所谓复位，就是要让单片机应用系统于正式工作前处于一种特定的状态，只有以该状态为起点，随后的工作情况才有可能是正常与可靠的。

1）复位信号

在电源电压Vcc振荡信号发生器均处于稳定状态后．当8098单片机的RESET

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引脚保持两个状态周期以上的低电平，接着又处于高电平时．该单片机便开始执行时间为10个状态周期的复位序列。这十复位序列使片内一些寄存器初始化、PSW清零、程序计数器PC被赋值为2080H。在此基础上。8098单片机开始执行首地址为2080H的程序。

由此看出，RESET引脚上出现的低电平便是复位信号．不经历上述过程．8098单片机无法进入正常工作状态

2）图3.15所示电路除了具有上电自动复位功能外，还可以通过复位按键迫使RES为低电平。当系统掉电时，复位电容器里存储的能量可以以二极管为通路迅速放电。这为单片机在反复上电的情况下可靠复位提供了保证。

+5VC1C2石英晶体复位键IN414810uF8098XTAL18098XTAL233KRESET

图3.14 8098的时钟电路图3.15 8098的复位电路

3.7．3 越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如果两坐标联动的数控系统则有四个方向可能越界，即+X、--X、+Z、--Z。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。图3.16为报警信号的产生，图3.17为报警指示。这里采用中断方式，利用8098的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号ACH7,不过要使用此终端，得先用软件设置ICO1.1=“1”，为了报警，设置为红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两灯均能由一个I/O口输出。

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+5VR接8255（1）PC4ACH7-X+X-Z+ZR

图3.16 报警信号图3.17 报警指示

1.1.1 ××××（作为正文3级标题，用小4号黑体，不加粗）

×××××××××（小4号宋体）×××××××××××××××××××××××××××???

2 ×××××××（作为正文第2章标题，用小3号黑体，加粗，

并留出上下间距为：段前0.5行，段后0.5行）

×××××××××（小4号宋体）×××××××××××××××××××××××××××××××××××???

注：1．正文中表格与插图的字体一律用5号宋体；

2．正文各页的格式请以此页为标准复制，页眉中的页码用阿拉伯数字表示（本

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