小功率车床可逆调速系统设计毕业设计.docx
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小功率车床可逆调速系统设计毕业设计
摘要
本次课程设计直流电机可逆调速系统利用单片机MCS-51为核心的单闭环调速,因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。
直流闭环调速系统加入了转速调节器(ASR),因而其调速精度更高,性能更好。
这样车床就能实现快速的正转、制动和反转。
而且单片机利用了专门的PWM芯片产生系统,然后通过放大来驱动电机,利用直流测速发电机测的电机的速度,经过滤波电路得到直流电压信号,把电压信号输入给A/D转换芯片最好反馈给单片机,在内部进行PI运算,输出控制量完成闭环控制,实现电机的调速空盒子。
关键词:
可逆调速,MCS-51单片机,测速发电机,PI运算,PWM调速。
小功率车床可逆调速系统设计
1.设计概述
设计意义及要求
数控车床的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
高速、精密是机床发展永恒的目标。
随着科学技术突飞猛进的发展,机电产品更新换代速度加快,对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。
为满足这个复杂多变市场的需求,当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展,加工精度也在不断地提高。
而直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内实现平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看,直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础,所以应该首先掌握直流拖动控制系统。
本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态,并且能够对电机进行调速,从而实现电机的可逆调速,通过一定的设计,对整个电路的各个器件参数进行一定的计算,由此得到各个器件的性质特性。
2.车床
2.1车床的主要用途
车床又称机床,使用车床的工人称为“车工”,在机械加工行业中车床被认为是所有设备的工作“母机”。
车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件,以圆柱体为主,是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。
铣床和钻床等旋转加工的机械都是从车床引伸出来的。
2.2车床的组成部分
主要组成部件有:
主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置。
主轴箱:
又称床头箱,它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速,同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。
主轴箱中等主轴是车床的关键零件。
主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量,一旦主轴的旋转精度降低,则机床的使用价值就会降低。
进给箱:
又称走刀箱,进给箱中装有进给运动的变速机构,调整其变速机构,可得到所需的进给量或螺距,通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。
丝杠与光杠:
用以联接进给箱与溜板箱,并把进给箱的运动和动力传给溜板箱,使溜板箱获得纵向直线运动。
丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的,在进行工件的其他表面车削时,只用光杠,不用丝杠。
同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。
溜板箱:
是车床进给运动的操纵箱,内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构,通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动,通过丝杠带动刀架作纵向直线运动,以便车削螺纹。
刀架:
有两层滑板(中、小滑板)、床鞍与刀架体共同组成。
用于安装车刀并带动车刀作纵向、横向或斜向运动。
尾架:
安装在床身导轨上,并沿此导轨纵向移动,以调整其工作位置。
尾架主要用来安装后顶尖,以支撑较长工件,也可安装钻头、铰刀等进行孔加工。
床身:
是车床带有精度要求很高的导轨(山形导轨和平导轨)的一个大型基础部件。
用于支撑和连接车床的各个部件,并保证各部件在工作时有准确的相对位置。
冷却装置:
冷却装置主要通过冷却水泵将水箱中的切削液加压后喷射到切削区域,降低切削温度,冲走切屑,润滑加工表面,以提高刀具使用寿命和工件的表面加工质量。
2.3数控车床的结构和类型
数控车床可分为卧式和立式两大类。
卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。
档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。
按刀架数量分类,又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车,前者是两坐标控制,后者是4坐标控制。
双刀架卧车多数采用倾斜导轨。
数控车床与普通车床一样,也是用来加工零件旋转表面的。
一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工,还能加工一些复杂的回转面,如双曲面等。
车床和普通车床的工件安装方式基本相同,为了提高加工效率,数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。
数控车床的外形与普通车床相似,即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。
数控车床的进给系统与普通车床有质的区别,传统普通车床有进给箱和交换齿轮架,而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动,因而进给系统的结构大为简化。
数控车床品种繁多,规格不一,可按如下方法进行分类。
按车床主轴位置
(1)立式数控车床立式数控车床简称为数控立车,其车床主轴垂直于水平面,一个直径很大的圆形工作台,用来装夹工件。
这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。
(2)卧式数控车床卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。
其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性,并易于排除切屑。
按加工零件
(1)卡盘式数控车床这类车床没有尾座,适合车削盘类(含短轴类)零件。
夹紧方式多为电动或液动控制,卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪(即软卡爪)。
(2)顶尖式数控车床这类车床配有普通尾座或数控尾座,适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。
按刀架数量
(1)单刀架数控车床数控车床一般都配置有各种形式的单刀架,如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。
(2)双刀架数控车床这类车床的双刀架配置平行分布,也可以是相互垂直分布。
按功能
(1)经济型数控车床采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床,成本较低,但自动化程度和功能都比较差,车削加工精度也不高,适用于要求不高的回转类零件的车削加工。
(2)普通数控车床根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床,数控系统功能强,自动化程度和加工精度也比较高,适用于一般回转类零件的车削加工。
这种数控车床可同时控制两个坐标轴,即X轴和Z轴。
(3)车削加工中心在普通数控车床的基础上,增加了C轴和动力头,更高级的数控车床带有刀库,可控制X、Z和C三个坐标轴,联动控制轴可以是(X、Z)、(X、C)或(Z、C)。
由于增加了C轴和铣削动力头,这种数控车床的加工功能大大增强,除可以进行一般车削外可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工
其它分类方法
按数控系统的不同控制方式等指标,数控车床可以分很多种类,如直线控制数控车床,两主轴控制数控车床等;按特殊或专门工艺性能可分为螺纹数控车床、活塞数控车床、曲轴数控车床等多种。
2.4数控车床的发展方向
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用,因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。
当前数控车床呈现以下发展趋势:
1高速、高精密化
2高可靠性
3数控车床设计CAD化、结构设计模块化
4功能复合化
5智能化、网络化、柔性化和集成化
3.系统设计
3.1系统总体设计框图及单片机系统的设计
3.1.1系统总体设计框图
图3.1系统总体设计框图
3.1.28051单片机简介
1.8051单片机的基本组成
8051单片机由CPU和8个部件组成,它们都通过片内单一总线连接,其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式,但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如下图所示:
图3.28051单片机基本组成
2.CPU及8个部件功能介绍如下:
中央处理器CPU:
它是单片机的核心,完成运算和控制功能。
内部数据存储器:
8051芯片中共有256个RAM单元,能作为存储器使用的只是前128个单元,其地址为00H—7FH。
通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元,简称内部RAM。
特殊功能寄存器:
是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的RAM区,位于内部RAM的高128个单元,其地址为80H—FFH。
内部程序存储器:
8051芯片内部共有4K个单元,用于存储程序、原始数据或表格,简称内部ROM。
并行I/O口:
8051芯片内部有4个8位的I/O口(P0,P1,P2,P3),以实现数据的并行输入输出。
串行口:
它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。
定时器:
8051片内有2个16位的定时器,用来实现定时或者计数功能,并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统:
该芯片共有5个中断源,即外部中断2个,定时/计数中断2个和串行中断1个。
振荡电路:
它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。
系统允许的最高晶振频率为12MHz。
3.8051单片机引脚图
图3.38051单片机引脚图
3.1.3单片机系统中所用其他芯片简介
1.地址锁存器74LS373
74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。
其结构如下图所示:
图3.474LS373片内三态门的D锁存器
当使能端G呈高电平时,锁存器中的内容可以更新,而在返回低电平的瞬间实现锁存。
如果此时芯片的输出控制端
为低,也即是输出三态门打开,锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。
以下是其引脚图:
图3.574LS37引脚图
2.程序存储器27128
(1)芯片引脚
图3.6程序存储器27128引脚图
(2)功能表
引脚
工作方式
(片选)
(允许输出)
VPP
(编程控制)
输出
读
L
L
VCC
H
数据输出
维持
H
*
VCC
*
高阻
编程
L
H
VPP
L
数据输入
编程校验
L
L
VPP
H
数据输出
编程禁止
H
*
VPP
*
高阻
表3.1功能表
3.数据存储器6264
(1)芯片引脚
图3.7数据存储器6264芯片引脚
(2)芯片功能表
引脚
工作方式
I/O0—I/O7
未选中
H
*
*
*
高阻
未选中
*
L
*
*
高阻
输出禁止
L
H
H
H
高阻
读
L
H
L
H
数据输出
写
L
H
H
L
数据输入
写
L
H
L
L
数据输入
表3.2芯片功能表
3.1.48051单片机扩展电路及分析
图3.88051单片机扩展电路
接线分析
P0.7---P0.0:
这8个引脚共有两种不同的功能,分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是8051不带片外存储器,P0口可以作为通用I/O口使用,P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。
第二种情况是8051带片外存储器,P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P2.7---P2.0:
这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址,共同选中片外存储器单元,但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
P3.7---P3.0:
这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。
它的第二功能作为控制用,每个引脚不尽相同,如下表所示:
P3口的位
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
外中断0输入
P3.3
外中断1输入
P3.4
T0
计数器0计数输入
P3.5
T1
计数器1计数输入
P3.6
外部RAM写选通信号
P3.7
外部RAM读选通信号
表1.3P3口功能表
VCC为+5V电源线,VSS为接地线。
ALE/
:
地址锁存允许/编程线,配合P0口引脚的第二功能使用,在访问片外存储器时,8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲,其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器,以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。
在不访问片外存储器时,8051自动在ALE/
线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。
该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。
/VPP:
允许访问片外存储器/编程电源线,可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。
如果
=1,那么允许使用片内ROM;如果
=0,那么允许使用片外ROM。
:
片外ROM选通线,在执行访问片外ROM的指令MOVC时,8051自动在
线上产生一个负脉冲,用于片外ROM芯片的选通。
其他情况下,
线均为高电平封锁状态。
RST/VPD:
复位备用电源线,可以使8051处于复位工作状态。
XTAL1和XTAL2:
片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容,即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。
石英晶振起振后,应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡,电容C1、C2可以帮助起振,调节它们可以达到微调fOSC的目的。
3.2PWM信号发生电路设计
3.2.1PWM的基本原理
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
如下图所示:
图3.9时序图
设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1/T,则电机的平均速度为Va=Vmax*D,其中Va指的是电机的平均速度;Vmax是指电机在全通电时的最大速度;D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见,当我们改变占空比D=t1/T时,就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。
严格来说,平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似地看成是线性关系。
3.2.2PWM信号发生电路设计
图3.10PWM信号发生电路
PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生,也可以采用PWM专用芯片来实现。
当PWM波的频率太高时,它对直流电机驱动的功率管要求太高,而当它的频率太低时,其产生的电磁噪声就比较大,在实际应用中,当PWM波的频率在18KHz左右时,效果最好。
在本系统内,采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片数值比较器4585,即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9,而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。
只要改变P1端口的输出值,那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化,从而进行调速控制。
12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。
计数器4040每来8个脉冲,其输出Q2—Q9加1,当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时,图中U2的(A>B)输出端保持为低电平,而当计数值大于单片机P1端口输出值X时,图中U2的(A>B)输出端为高电平。
随着计数值的增加,Q2—Q9由全“1”变为全“0”时,图中U2的(A>B)输出端又变为低电平,这样就在U2的(A>B)端得到了PWM的信号,它的占空比为(255-X/255)*100%,那么只要改变X的数值,就可以相应的改变PWM信号的占空比,从而进行直流电机的转速控制。
使用这个方法时,单片机只需要根据调整量输出X的值,而PWM信号由三片通用数字电路生成,这样可以使得软件大大简化,同时也有利于单片机系统的正常工作。
由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”,使用数值比较器4585的B组与P1端口相连,升速时P0端口输出X按一定规律减少,而降速时按一定规律增大。
3.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理
1.芯片4585
(1)芯片4585的用途:
对于A和B两组4位并行数值进行比较,来判断它们之间的大小是否相等。
(2)芯片4585的功能表:
输入
输出
比较
级取
A3、B3
A2、B2
A1、B1
A0、B0
A
A=B
A>B
A
A=B
A>B
A3>B3
*
*
*
*
*
1
0
0
1
A3=B3
A2>B2
*
*
*
*
1
0
0
1
A3=B3
A2=B2
A1>B1
*
*
*
1
0
0
1
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0>B0
*
*
1
0
0
1
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0=B0
0
0
1
0
0
1
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0=B0
0
1
0
0
1
0
A3=B3
A2=B2
A1=B1
A0 1 0 0 1 0 0 A3=B3 A2=B2 A1 * * * * 1 0 0 A3=B3 A2 * * * * * 1 0 0 A3 * * * * * * 1 0 0 表3.4芯片4585的功能表 (3)芯片4585的引脚图: 图3.11芯片4585的引脚图 2.芯片4040 芯片4040是一个12位的二进制串行计数器,所有计数器位为主从触发器,计数器在时钟下降沿进行计数。 当CR为高电平时,它对计数器进行清零,由于在时钟输入端使用施密特触发器,故对脉冲上升和下降时间没有限制,所有的输入和输出均经过缓冲。 芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。 (1)芯片4040的极限值: 电源电压范围: -0.5V—18V 输入电压范围: -0.5V—VDD+0.5V 输入电流范围: ±10mA 贮存温度范围: -65°C—150°C (2)芯片4040引出端功能符号: CP: 时钟输入端CR: 清除端Q0—Q11: 计数脉冲输出端 VDD: 正电源VSS: 地端 (3)芯片4040功能表: 输入 输出 CP CR ↑ ↓ * L L H 保持 计数 所有输出端均为L 表3.5芯片4040功能表 (4)芯片4040的引脚图: 图3.12芯片4040的引脚图 3.3功率放大驱动电路设计 该驱动电路采用了IR2110集成芯片,该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。 3.3.1芯片IR2110性能及特点 IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术,于1990年前后开发并且投放市场的,IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。 它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内,外接很少的分立元件就能提供极快的功耗,它的特点在于,将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号,可以驱动同一桥臂的两路输出,驱动能力强,响应速度快,工作电压比较高,可以达到600V,其内设欠压封锁,成本低、易于调试。 高压侧驱动采用外部自举电容上电,与其他驱动电路相比,它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目,使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化,而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动,还具有快速完整的保护功能。 与此同时,IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。 降低了产品成本和减少体积。 3.3.2IR2110的引脚图以及功能 引脚1(LO)与引脚7(HO): 对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端,使用中,分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极,为了防止干扰,通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。 引脚2(COM): 下通道MOSFET驱动输出参考地端,使用中,与引脚13(Vss)直接相连,同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。 引脚3(Vcc): 直接接用户提供的输出极电源正极,并且通过一个较高品质的电容接引脚2。 引脚5(Vs): 上通道MOSFET驱动信号输出参考地端,使用中,与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。 与引脚6(VB): 通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管,与用户提供的输出极电源相连,对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V,而小于或等于+20V。 引脚9(VDD): 芯片输入级工作电源端,使用中,接用户为该芯片工作提供的高性能电源,为抗干扰,该端应通过一高性能去耦网络接地,该端可与引脚3(Vcc)使用同一电源,也可以分开使用两个独立的电源。 引脚10(HIN)与引脚12(LIN): 驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。 应用中,接用户脉冲形成部分的对应两路输出,对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V,这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13(Vss)与引脚9(VDD)端的电压值。 引脚11(SD): 保护信号输入端,当该引脚为高电平时,IR2110的输出信号全部被封锁,其对应的输出端恒为低电平,而当该端接低电平时,则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。 引脚13(Vss): 芯片工作参考地端,使用中,直接与供电电源地端相连,所有去耦电容的一端应接该端,同时与引脚2直接相连。 引脚8、引脚14、引脚4: 为空引脚。 芯片参数: 1.IR2110的极限参数和限制: 最大高端工作电源电压VB: -0.3V至525V 门极驱动输出最大(脉冲)电流IOMAX: 2A 最高工作频率fmax: 1MHz 工作电源电压Vcc: -0.3V至25V 贮存温度Tstg: -55至150°C 工作温度范围TA: -40至125°C 允许最高结温Tjmax: 150°C 逻辑电源电压VDD: -0.3V至VSS+25V 允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt: 50000V/μs 高端悬浮电源参考电压Vs: VB-25V至VB+0.3V 高端悬浮输出电压VHO: Vs-0.3V至VB+0.3V 逻辑输入电压VIN: Vss-0.3V至VDD+0.3V 逻辑输入参考电压Vss: Vcc-25V至Vcc+0.3V
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- 功率 车床 可逆 调速 系统 设计 毕业设计