數(shù)控機床刀具進給速度控制電路設(shè)計

/課題名稱數(shù)控機床刀具進給速度限制電路設(shè)計所在院系機械電子工程學院班級07自動化（2）班學號200710320226姓名林旭明指導老師萬軍老師時間2009年6月12日景德鎮(zhèn)陶瓷學院電力電子和電機拖動綜合課程設(shè)計任務(wù)書姓名林旭明班級07自動化二班指導老師萬軍時間：2010年6月題目：數(shù)控機床刀具進給速度的限制電路設(shè)計課題的任務(wù)和要求目前，數(shù)控機床在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用特殊廣泛，刀具的進給精度干脆影響到產(chǎn)品的質(zhì)量；為此，對刀具精度的探討具有重要的意義。本課題的內(nèi)容涉及的區(qū)域很廣，要求同學們利用現(xiàn)有的學問設(shè)計數(shù)控機床刀具進給速度的限制電路的原理圖，課程設(shè)計說明書。通過該課題的設(shè)計，可以培育學生如何查詢資料，如何書寫論文，如何設(shè)計限制電路等等。要求如下：(1)要求利用大規(guī)模集成電路芯片UC3637作為該限制系統(tǒng)的限制核心，自動限制步進電動機的操作運行；(2)要有確定的愛惜措施。設(shè)計步驟1、查閱相關(guān)資料；2、總體方案設(shè)計和論證；3、單元電路的設(shè)計；4、元器件選擇和參數(shù)計算；5、繪制原理圖（A4號圖紙，計算機繪圖）；6、撰寫設(shè)計說明書（A4號紙打印），字數(shù)不少于3000。參考文獻1.譚建成.電機限制專用集成電路.北京：機械工業(yè)出版社，1997.8

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4.王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2000

5.李忠杰,寧守信.步進電動機應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，1998教研室主任簽字：年月日書目TOC\o"1-2"\h\z\u1.摘要 32.關(guān)鍵詞 43.引言 44.總體方案的設(shè)計和論證 44.1方案的論證和選擇 65．單元電路的設(shè)計 85.1UC3637的原理及應(yīng)用 85.2三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計 95.3PWM產(chǎn)生電路的設(shè)計 105.4步進電動機 115.5驅(qū)動橋電路設(shè)計 135.6邏輯限制電路設(shè)計 146.課程設(shè)計小結(jié) 177.參考文獻. 171.摘要數(shù)控機床的刀具進給的速度的限制主要是通過限制步進電動機的速度，其進給的精度由步進電動機的精度干脆確定，因此在設(shè)計步進電機的限制電路時，應(yīng)當保證其誤差的范圍滿足加工的精度的要求，通常通過應(yīng)用合適的集成芯片外加外圍電路來實現(xiàn)對精度的要求.在數(shù)控機床中由于須要達到精確的限制，常接受步進電動機作為數(shù)控機床刀具進給限制的驅(qū)動源。本文主要介紹由UC3637芯片為核心構(gòu)成PWM限制電路,進而實現(xiàn)二相混合式步進電動機的限制，本文接受的是電流反饋型細分限制的方法。用該方法構(gòu)成的PWM限制電路結(jié)構(gòu)簡潔,性能牢靠,具有良好的系統(tǒng)運行效果。2.關(guān)鍵詞UC3637集成芯片二相混合式步進電動機驅(qū)動器;脈寬調(diào)制;電流反饋;細分3.引言刀具進給精度的限制數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，它不僅影響數(shù)控機床的加工效率，而且干脆影響加工質(zhì)量。本文將PWM限制器UC3637引入二相混合式步進電動機驅(qū)動器設(shè)計中,實現(xiàn)了一種電流反饋型帶細分的二相混合式步進電動機驅(qū)動。UC3637是TI公司的產(chǎn)品。作為雙端輸出類型的脈沖寬度調(diào)制器,其集成度高,功能完善。UC3637可產(chǎn)生2路PWM驅(qū)動信號,并通過簡潔的外部電路干脆驅(qū)動功率MOSFET管。此外,UC3637芯片還具有限流愛惜、過流愛惜、欠壓鎖定等功能,應(yīng)用UC3637作為步進電動機的PWM波產(chǎn)生器件成本低，而且可以使電路變得簡潔，達到較好的效果。數(shù)控機床中為了達到高精度的限制要求常接受兩相混合式步進電動機作為機床的驅(qū)動電動機.繞組電流細分限制技術(shù)在步進電動機系統(tǒng)中的應(yīng)用,變更了對相繞組電流只做通、斷限制的局限,實現(xiàn)了對繞組電流波形的有效限制,提高了兩相混合式步進電動機系統(tǒng)的運行性能。對繞組電流進行細分限制是步進電接受電流反饋型細分限制方式可以有效地提高步進電動機系統(tǒng)的運行性能。要實現(xiàn)高性能的電流反饋型細分限制方式,驅(qū)動器中的PWM限制電路的設(shè)計尤為重要,它干脆確定了系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。4.總體方案的設(shè)計和論證方案一：以限制電路為核心的限制電路原理圖如：圖1圖1以限制電路為核心的限制電路的原理圖該方案以限制電路為核心，限制信號傳送到限制電路，在限制電路上分析得到數(shù)字信號，數(shù)字信號通過數(shù)摸轉(zhuǎn)換裝置得到模擬信號輸送到pwm產(chǎn)生電路，限制他產(chǎn)生響應(yīng)波形，限制的信號的波形通過功率橋放大輸送到步進電動機中。限制電動機的運動。在步進電動機中采樣信號輸送到限制電路中，在限制電路中進行誤差的分析，然后在限制電路中做出相應(yīng)的調(diào)整，使輸出信號符合限制的要求。方案二：以uc3637為核心的限制電路該方案的原理圖如圖2圖2以uc3637為核心的限制電路的原理圖該方案主要是以大規(guī)模集成芯片uc3637為核心的限制電路，由于該集成芯片具有數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能因此可以省去數(shù)模轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)。而且uc3637芯片具有自愛惜功能，把反饋信號傳送到該芯片后，既可以實現(xiàn)波形的調(diào)整，又可以完成電路的愛惜功能；4.1方案的論證和選擇綜合考慮各方面的因素，和方案一比較，方案二省去了數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路，增加了愛惜電路的環(huán)節(jié)。而且方案二的限制的環(huán)節(jié)簡潔，易于實現(xiàn)其限制的過程自動化，可以較好地應(yīng)用于數(shù)控機床當中，實現(xiàn)機械加工的數(shù)控化，并且由于其應(yīng)用集成芯片能夠進一步提高生產(chǎn)精度的要求，因此選取方案一作為本論文的選取方案一。限制的具體原理圖如圖3所示。圖3限制的具體原理圖如圖接受電流反饋型細分限制方式可以實現(xiàn)電機繞組電流的自主調(diào)整,使二相混合式步進電動機的運行更加平穩(wěn),減小低頻共振,擴大電機的恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍。外部輸入的脈沖、細分數(shù)選擇、方向等信號通過前向通道、核心邏輯限制電路后加到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路上,作為輸入。脈沖頻率通過頻壓轉(zhuǎn)換后加到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的參考電壓端,作為參考電壓補償值。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出繞組電流參考值,進入UC3637內(nèi)部誤差放大器的正端。繞組電流反饋通過采樣電阻來實現(xiàn),采樣電阻將流過電機繞組的驅(qū)動電流轉(zhuǎn)化成采樣電壓,進入UC3637內(nèi)部誤差放大器的負端,和正端的繞組電流參考值相比較,形成一比較電平,和三角波比較,輸出確定占空比的PWM信號,用以限制主驅(qū)動電路中的功率場效應(yīng)管MOSFET的通斷,從而實現(xiàn)步進電動機恒流斬波限制。以CPLD器件XC9536和PWM限制芯片UC3637為核心實現(xiàn)的兩相混合式步進電動機驅(qū)動接受了繞組電流細分限制技術(shù),該驅(qū)動器的總體設(shè)計框圖如圖3.5．單元電路的設(shè)計5.1UC3637的原理及應(yīng)用UC3637是TI公司的產(chǎn)品。UC3637的基本特點為后面的敘述便利，簡要介紹一下UC3637的一些基本功能，這樣更有益于將其正確地應(yīng)用于逆變限制電路。該芯片是UNITRODE公司生產(chǎn)的用于直流電動機限制的雙PWM限制器，具有其它PWM限制器不行多得的優(yōu)點。

1）電路特點

UC3637電路特點如下：

——單電源或雙電源工作，電壓范圍±2.5V～±20V，特殊有利于雙極性調(diào)制；

——雙路PWM信號，圖騰柱輸出，供出或吸取電流實力100mA；

——逐個脈沖限流；

——內(nèi)藏線性良好的恒幅三角波振蕩器；

——欠壓封鎖；

——有溫度補償，2.5V閾值限制。電路組成和基本功能

UC3637的原理圖如圖4所示。

圖4UC3637的原理圖其內(nèi)部包含有一個三角波振蕩器，誤差放大器，兩個PWM比較器，輸出限制門，逐個脈沖限流比較器等。不同于其它（如3524/5，TL494，3520…）雙PWM限制器的是，2個PWM比較器的輸入端全部引到片外，誤差放大器的3個端（2個輸入、1個輸出）也是如此，這為靈敏地設(shè)計電路帶來極大的便利。5.2三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計PWM限制芯片通常接受鋸齒波振蕩器。當載波為鋸齒波時，輸出波形會有ωs±ω0、2ωs等諧波等，而載波為三角波時則不存在這些諧波,并且是雙沿調(diào)制，動態(tài)響應(yīng)比單沿調(diào)制快。UC3637最具特色的是三角波振蕩器，三角波產(chǎn)生電路如圖5所示。

圖5三角波產(chǎn)生電路參數(shù)計算如下：

在電源＋Vs和－Vs之間串接電阻R1、R2、R1組成分壓電路，分壓點分別為＋VTH和－VTH，作為三角波正峰值和負峰值的轉(zhuǎn)折（閾值）電壓。CT和RT為定時電容和定時電阻。＋VTH還通過內(nèi)部緩沖電路和RT共同作用產(chǎn)生CT的恒值充電電流Is。CP，CN構(gòu)成窗口比較器，當CT以恒流Is線性充電到VCT=＋VTH時，CP翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器S端置1，Q為高電平，S1關(guān)斷；同時S2接通，CT以Is線性放電，到VCT=－VTH時，CN翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器R端復位，Q為高電平，S2關(guān)斷，S1接通；則三角波新的一周起先。RT設(shè)置Is的大小，一般不大于2mA。振蕩頻率由RT、CT及＋VTH，－VTH共同確定。由于是恒流充放電，三角波的正負斜率對稱，線性優(yōu)Vs=±15V，td=3μs，fs=30kHz，正弦波調(diào)制信號的最大可能值Vsm=4V。

取±VTH=±4V，依據(jù)以上各式可算得CT=1.04×10－9F（取CT=1000pF），RT=38kΩ（取RT=39kΩ），VR=1.44V。當調(diào)制正弦波為零時，VR/R4≈(Vs－VR)/R3，取R4=5kΩ，則R3=47kΩ。理論計算的數(shù)值在應(yīng)用中還需進行適當?shù)男拚?.3PWM產(chǎn)生電路的設(shè)計PWM產(chǎn)生電路，UC3637具有一個高速、帶寬為1MHz、輸出低阻抗的誤差放大器，既可以作為一般的快速運放，亦可作為反饋補償運放。UC3637實現(xiàn)其主要功能的就是兩個PWM比較器，實現(xiàn)電路如圖6所示。其他還有如欠壓封鎖，2.5V閾值限制等功能，這些功能在應(yīng)用電路中也賜予實現(xiàn)。圖6

PWM產(chǎn)生電路

5)UC3637外圍接線的設(shè)計

在了解了UC3637的特點，電路組成和基本功能之后，即可具體設(shè)計限制電路了。幾個關(guān)鍵電路單元的設(shè)計方法如下：頻率調(diào)整限制

作為逆變電源還要求輸出頻率fo在確定的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。比如fo=400Hz的電源在±30Hz范圍內(nèi)可調(diào)。如上所述，UC3637三角波振蕩頻率由±VTH，CT，RT確定，當±VTH確定之后，一般不再作為可調(diào)量（因為三角波作載波應(yīng)當恒幅），則調(diào)整RT比較簡潔實現(xiàn)。

其中A1、A2為跟隨器，調(diào)整RP1即可變更輸出端VF的電位，使RT兩端電壓發(fā)生變更，隨之使由RT設(shè)定的CT充電電流Is變更，從而調(diào)整了三角波頻率fs。將三角波整形后作為正弦波（調(diào)制波）存儲器的讀取時鐘(UC3637無同步信號輸出)，因而逆變電源的輸出頻率fo隨fs而變，從而實現(xiàn)同步調(diào)整的目的。

b)輸出電壓反饋調(diào)整

誤差放大器作為電壓調(diào)整器運用，它是一個獨立的高速運算放大器，典型帶寬為1MHz，具有低阻抗輸出。誤差放大（電壓調(diào)整）器的補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為：

HC=UO(s)/Ui(s)=[1＋(R5＋R7)C3s](1＋R6C1s)/

R5(C1＋C2)s{1＋[C1C2/(C1＋C2)]R6s}(1＋R7C3s)

調(diào)整RP2可調(diào)整輸出電壓。補償網(wǎng)絡(luò)可以改善輸出的動態(tài)特性。UC3637外圍接線圖如圖7圖7UC3637外圍接線圖5.4步進電動機步進電動機區(qū)分于其他限制用途電動機的最大的特點是，它接收數(shù)字限制信號（電脈沖信號），并轉(zhuǎn)換成和之相應(yīng)的角位移或直線位移。它本身就是一個完成數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的執(zhí)行元件。而且它可開環(huán)位置限制，輸入一個脈沖信號就得到一個規(guī)定的位置增量，這樣的所謂增量位置限制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)相比，其成本明顯降低，幾乎不必進行系統(tǒng)調(diào)整，因此，隨著運動限制系統(tǒng)數(shù)字化的到來，步進電動機的應(yīng)用更加廣泛。在打印機，磁盤驅(qū)動器，數(shù)字繪圖儀，紙帶穿孔機數(shù)控機床等方面得到廣泛的應(yīng)用。其中兩相混合式步進電動機具有結(jié)構(gòu)簡潔、成本低的特點,在機電一體化領(lǐng)域應(yīng)用得特殊廣泛。數(shù)控機床中為了達到高精度的限制要求常接受兩相混合式步進電動機作為機床的驅(qū)動電動機.繞組電流細分限制技術(shù)在步進電動機系統(tǒng)中的應(yīng)用,變更了對相繞組電流只做通、斷限制的局限,實現(xiàn)了對繞組電流波形的有效限制,提高了兩相混合式步進電動機系統(tǒng)的運行性能。對繞組電流進行細分限制是步進電接受電流反饋型細分限制方式可以有效地提高步進電動機系統(tǒng)的運行性能。步進電動機有三種不同的工作方式：（ABCD分別為步進電動機的四個輸入端口，如圖8XXXX為ABCD相的時序信號）圖81)半步工作方式；0101→0001→1001→1000→1010→0010→0110→0100→01012)兩相激勵的基本步距工作方式；0101→1001→1010→0110→01013)單相激勵的基本步距工作方式；0001→1000→0010→0100→0001接受不同的工作方式可以限制步進電動機的速度和精度?？梢砸罁?jù)不同的工作要求選取不同的工作方式。5.5驅(qū)動橋電路設(shè)計電路圖如；圖9圖9驅(qū)動橋電路首先考慮末級H橋電路，在半橋電路中表示了這里接受P溝道和N溝道功率MOSFET.其特點是上管的柵級驅(qū)動通過電容C1實現(xiàn)。這是由于步進電動機驅(qū)動信號總是交變的。在堵轉(zhuǎn)或低速時，它是斬波信號，在高速時，它是有步進脈沖信號或加上斬波信號經(jīng)電容傳輸給柵級。不會出現(xiàn)連續(xù)直流信號的狀況。為了維持柵級驅(qū)動，時間常數(shù)C1/RB要取得足夠大。二極管CRA和CRB是使功率管能快速截至。齊納二極管CR3供VFP管電壓鉗位作用。禁止線INH是為防止咋其電機電源VM上升過程中，由于C1必需充電而引起MOSFETP和MOSFETN同時導通而設(shè)置的。在VM建立過程中INH為低電平，維持VFM截止。從H橋示意電路輸入信號VIN為低電平常，開關(guān)S1和S3導通。繞組電流IM為正向，流過電流檢測電阻RS4,當VIN為高電平常，S2和S3導通，IM反向流過RS3.電流反饋信號由運算放大器A1產(chǎn)生。取RS=RS3=RS4，放大器A1輸出電壓Vc=Vos+nImRs，Vos是Im=0時的輸出，在A1電源Vcc=15V時取Vos=Vcc/2=7.5V，N=5，RS=0.1Ω，得Vc=7.5+0.5Im。5.6邏輯限制電路設(shè)計CPLD器件的介紹CPLD（Complex

Programmable

Logic

Device）是Complex

PLD的簡稱,一種較PLD為困難的邏輯元件。CPLD是一種用戶依據(jù)各自須要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。發(fā)展歷史及應(yīng)用領(lǐng)域：20世紀70年頭，最早的可編程邏輯器件--PLD誕生了。其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因為它的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計可由軟件完成（相當于房子蓋好后人工設(shè)計局部室內(nèi)結(jié)構(gòu)），因而它的設(shè)計比純硬件的數(shù)字電路具有很強的靈敏性，但其過于簡潔的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為彌補PLD只能設(shè)計小規(guī)模電路這一缺陷，20世紀80年頭中期，推出了困難可編程邏輯器件--CPLD。目前應(yīng)用已深化網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車電子、數(shù)控機床、航天測控設(shè)備等方面。

器件特點：它具有編程靈敏、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設(shè)計制造成本低、對設(shè)計者的硬件閱歷要求低、標準產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎全部應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不行缺少的組成部分，它的設(shè)計和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。

如何運用：CPLD是一種用戶依據(jù)各自須要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。2）CPLD為核心的邏輯限制電路的設(shè)計利用以XC9536為核心的邏輯限制電路實現(xiàn)具有電流補償功能的繞組電流10細分和50細分限制方式具有其自身的特點,現(xiàn)詳述如下：a）階梯狀正弦繞組電流參考信號的形成為了得到盡量圓形的合成磁場,使電機運行平穩(wěn),減小電機的低頻共振,繞組電流參考信號應(yīng)接受階梯狀正弦波形。具體方法是:依據(jù)電機運行所要求的細分數(shù)將繞組電流按正弦方式分成若干臺階,即在零到相電流最大值之間劃分多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài),將對應(yīng)每個臺階值的數(shù)字量存入EPROM。步進電動機步距角不勻整簡潔引起電動機的振動和失步,為保證細分后步距角的勻整性,繞組電流的臺階不應(yīng)是勻整的,而應(yīng)按階梯狀正弦規(guī)律變更。因為是兩相步進電動機,EPROM中將存儲一組階梯狀正弦繞組電流參考值和一組階梯狀余弦繞組電流參考值。b）本文通過將CPLD、EPROM和鎖存器靈敏地結(jié)合,用CPLD的8位地址線實現(xiàn)了4K字節(jié)數(shù)據(jù)的訪問,極大地節(jié)約了CPLD的資源。具體實現(xiàn)方法為:將正弦、余弦和電流補償?shù)葦?shù)據(jù)分段存儲每個數(shù)據(jù)段對應(yīng)數(shù)據(jù)的低8位地址相同,對應(yīng)位置再放一段地址數(shù)據(jù)。訪問時,先讀出低8位地址數(shù)據(jù)到鎖存趨,再變更高4位地址,利用綜合的12位地址線即可實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的訪問。c）不同細分數(shù)的實現(xiàn)本文接受CPLD和EPROM的協(xié)作運用,實現(xiàn)了兩相混合式步進電動機在不同的步距角細分數(shù)狀況下,相應(yīng)繞組參考電流信號的輸出。具體方法是:先在最大細分數(shù)狀況下將參考正弦波分成若干階梯，電機要求最大細分數(shù)時,由CPLD限制依次讀取EPROM中的存儲數(shù)據(jù);當電機要求的細分數(shù)小于最大細分數(shù)時,可由CPLD限制相應(yīng)跳讀EPROM中的部分存儲數(shù)據(jù)。例如,要對兩相混合式步進電動機的步距角分別實現(xiàn)10細分和50細分,可在一個勵磁磁場變更周期內(nèi)將參考正弦波分成200個臺階,繞組電流是臺階式的投入或切除。0細分時,每來一個脈沖,繞組電流值變更一個臺階;當10細分時,CPLD在EPROM存儲的數(shù)據(jù)表中,每隔5個數(shù)據(jù)讀取一次,每來一個脈沖,繞組電流值變更五個臺階。這樣便分別得到50細分和10細分的繞組電流參考值。這種方法也可用于隨意細分數(shù)的步進電動機驅(qū)動器中,可便利的實現(xiàn)步進電動機系統(tǒng)的多種細分驅(qū)動方式。313繞組電流補償?shù)膶崿F(xiàn)為彌補高頻運行時電機輸出轉(zhuǎn)矩的下降,須要在高頻運行時補償電機繞組電流值。對兩相混合式步進電動機的繞組電流進行補償?shù)姆椒ㄊ?依據(jù)頻率值及細分數(shù),在EPROM中存儲多組不同的補償頻率數(shù)據(jù)。當外部限制信號進入CPLD時,CPLD可依據(jù)不同的頻率、不同的細分等,從EPROM中讀出相纓的補償頻率值輸出給頻壓轉(zhuǎn)換器,其輸出限制數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的參考電壓,實現(xiàn)對電機繞組電流的補償。d）PWM限制電路設(shè)計中的關(guān)鍵點PWM限制電路