第五组xy工作台控制电路设计

一.控制系统硬件设计

X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。

硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机

交互界面可操作性比较好。

1. CPU板

1.1 CPU的选择

随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。

在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于

伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是

定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无

疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的

单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺

和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程

序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51

插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。

因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。

AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗

中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。

1.2 CPU接口设计

CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

图3-1 CPU外部接口示意图

AT89S51要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。

（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。

由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：

（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。

（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。

（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。

（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。

（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址选择。

图3-2 A T89S51控制系统图

PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。

PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。

PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。

2 驱动系统

传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀

时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在

定位和退刀时电磁铁吸合使刀抬起，绘图时能及时释放使刀落下。

2.1 步进电机驱动电路和工作原理

步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.005mm，

步进电机每走一步，工作台直线行进0.005mm。

步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。

图3-4 步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。

电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量

通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制

通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序

为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。

2.2 电磁铁驱动电路

该驱动电路也采用了光电偶合器，但其功放电路相对简单。其光电偶合部分采用的是达林顿管，因为驱动电磁铁的电流比较大。

2.3 电源设计

两电机同时工作再加上控制系统用电，所需电源容量比较大，需要选择大容量电源。此系统中用到的电源电压为27V 、12V 、5V ，为了便于管理和电源容量需求，就采用了标准的27V 电源作为基准，通过芯片进行电压转换得到所需的12V 和5V 电压。

图3-7 电源转换电路图

电路中在转换芯片的前后有两个电容，前面电容起防止自激作用，后面电容起滤波作用。此

步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形

图3-5 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

图3-6 电磁铁驱动电路