1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

位置控制主要是對數(shù)控機床的進給運動的坐標軸位置進行控制。例如：工作臺前后左右移動，主軸箱的上下移動，圍繞某一直線軸旋轉(zhuǎn)運動等。軸控制是數(shù)控機床上要求最高的位置控制，不僅對單個軸的運動和位置精度的控制有嚴格要求，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各移動軸有很好的動態(tài)配合。位置伺服控制不同于普通電動機調(diào)速系統(tǒng)，它是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為主要的控制目標。系統(tǒng)工作原理框圖如圖3-1 所示。

該系統(tǒng)是以光電編碼器作為位置檢測元件的閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)。編碼器輸出的脈沖必須由伺服控制卡的計數(shù)器進行加僐計數(shù)，計算機在每個采樣周期內(nèi)，首先讀取計數(shù)器的值作為坐標軸實際運動增量，然后與坐標軸的位置增量命令相比較，算出當前坐標軸的偏差，接著，對偏差進行數(shù)字PID 控制運算，得到進給速度指令的數(shù)字量，通過D／A 轉(zhuǎn)換，電壓放大，為伺服裝置提供速度指令電壓，去驅(qū)動坐標軸

運動，實現(xiàn)偏差的位置控制。

位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實現(xiàn)，軟件負責偏差和進給速度指令數(shù)值的計算。硬件主要由伺服控制卡組成，接收進給指令，進行D／A 轉(zhuǎn)換，為速度單元提供命令電壓；同時位置反饋信號被處理，與指令值進行比較。伺服控制卡硬件實現(xiàn)框圖如圖3-2 所示。從該圖可以看出，系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有以下部分組成：

ISA 總線、總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路、中斷定時電路、使能報警I/O 電路、倍頻辨向電路、脈沖接收電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及零點檢測電路。

1.2 I SA 總線

ISA 總線是對XT 總線的擴展，以適應(yīng)8/16 位總總線的要求。ISA 總線共有98 根信號線，它在XT 總線62 根線的基礎(chǔ)上向前延伸了36 根，它的插頭、插槽有兩部分組成：一部分為62 根總線連接器，分A、B 兩面，每面31 線；另一部分是新增的36 線連接器，分C、D 兩面，每面18線。62 線與36 線之間有凹槽隔開，如此保證了與XT 總線的兼容性。

1.ISA 總線的特點：

（1）ISA 總線能支持16 位I/O 端口地址，24 位存儲地址，8/16 位數(shù)據(jù)存取，15 級可屏蔽中斷，7 級DMA 通道及能產(chǎn)生I/O 等待狀態(tài)。ISA 總線的數(shù)據(jù)傳送率為8MB/s。

（2）ISA 總線是一種多主控（Multi master）總線，除CPU 外，其他主控設(shè)備可以是DMAC、DRAM 刷新控制器和一個代處理器的智能接口卡。

（3）ISA 總線可以支持8 種類型的總線周期，即8/16 位存儲器讀周期，8/16位存儲器寫周期，8/16 位I/O 讀周期，8/16 位I/O 寫周期，中斷響應(yīng)周期，DMA 周期，存儲器刷新周期和總線仲裁周期。

目前，ISA 總線的接口邏輯已有原多個獨立功能芯片發(fā)展到大規(guī)模單片控制集成電路為主芯片，這種多功能芯片稱為芯片組，如486SLC 系統(tǒng)主板上使用的208 腳的PC-chip2，該芯片組包括DMA 控制器、存儲器管理器、計數(shù)/定時器、中斷控制器、總線控制器及支持CPU 所需的各種控制邏輯及所有的總線緩沖、奇偶校驗電路等。

該控制系統(tǒng)采用ISA 總線(PC／AT 總線)實現(xiàn)計算機與控制卡之間的信息傳遞。

ISA(Industry Staridard Architecture)的意思是工業(yè)標準結(jié)構(gòu)。ISA 總線就是IBMPC／AT 機的系統(tǒng)總線，所以也稱IBM AT 總線，后被推薦為IEEE P996 標準。ISA 總線是針對80286 CPU 在原IBM PC 總線的基礎(chǔ)上修改擴展而成的16 位系統(tǒng)總線。

ISA 總線設(shè)計成前62 引腳和后36 引腳的兩個插座。它既可以利用前62 引腳的插座插入與工BM PC 總線兼容的8 位接口電路卡，也可以利用整個插座插入16 位接口電路卡。ISA 總線的前62 引腳的信號分布與功能基本同IBM PC 總線，僅有兩處改動。另外，ISA 總線修改了部分總線信號的名稱，但它們與原IBM PC 總線信號保持完全的兼容。ISA 總線的后36 引腳擴展了8 位數(shù)據(jù)線、7 位地址線以及存儲器和I／O 設(shè)備的讀寫控制線，并有中斷和DMA 控制線、電源和地線等。所以，總線信號共包括數(shù)據(jù)線16 根、地址線24 根，支持16 級中斷和7 個DMA 通道。該標準的數(shù)據(jù)寬度為16 位，工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率最高為8MHz。

1.3 總線驅(qū)動、數(shù)據(jù)鎖存及譯碼電路

當應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模過大，擴展所接的外接芯片過多，超過總線的驅(qū)動能力時，系統(tǒng)將不能可靠工作，此時應(yīng)加用總線驅(qū)動器來僐少讀數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。而且，總線驅(qū)動器除了起到驅(qū)動作用外，還能對其后的負載的變化起隔離作用?？偩€驅(qū)動可以僐少主機的負擔，不管驅(qū)動器后面接多少塊插件板或集成電路芯片，都能消除驅(qū)動器后的負載電路對主機芯片的影響。

1.系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線用的驅(qū)動器必須具有雙向性，地址總線用的只單方向即可。系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線通過三態(tài)雙向緩沖器74LS245 形成和驅(qū)動。雙向總線驅(qū)動器74LS245 有16 個三態(tài)鎖存器。每個方向是8 個，是為在數(shù)據(jù)總線之間的異步雙路通信設(shè)計的，應(yīng)用其控制功能可使外部時間要求僐至最小。在控制端G 有效的情況下，由DIR 端控制驅(qū)動方向，DIR=l 時，方向A 到B(允許輸出)，DIR=0 時，方向B 到A(輸入允許)。三態(tài)雙向緩沖器74LS245 的控制端由讀寫命令和一系列地址選擇產(chǎn)生的信號控制。

2.系統(tǒng)地址和控制總線

系統(tǒng)地址總線采用一個三態(tài)單向緩沖器74LS244 來驅(qū)動A0～A4、IOR、IOW、RESET。

3.譯碼電路

一路為片選譯碼。譯碼電路的核心器件采用一片集成譯碼器74Lsl38。A0～A2經(jīng)74LS244 驅(qū)動后分別連接138 譯碼器的3 個編碼輸入端A、B、c，控制輸入端G1接+5V，瓦接讀寫命令，瓦接A2，當3 個控制端同時有效時，譯碼器才進行正常譯碼。

另一路譯碼電路為線選譯碼。A2、A3 與從比較器出來的信號經(jīng)基本邏輯與非門74LS38和74L,S00 共同完成譯碼，決定選中兩個8254 定時器芯片中的一個。它們的可用地址選擇范圍如表3—1 所示。

1.4 中斷定時電路

在數(shù)控加工中，需要進行多任務(wù)的實時處理，包括輸入、輸出、插補運算、位置控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，都必須在確定時刻開始，在有效的截止時間內(nèi)完成。因此，要完成實時控制任務(wù)，首先就是要能獲得準確的時間。Windows 98 環(huán)境下獲得定時時鐘的方法有利用Windows 系統(tǒng)時鐘和利用多媒體定時等方法。但是由于在wi r132 多任務(wù)搶占式工作方式下，應(yīng)用程序不能完全占有CPLJ，因此，wirldows環(huán)境下軟件定時不準確。所以在實際應(yīng)用中，常常采用外界專門的硬件時鐘電路來獲取可靠的時間觸發(fā)信號，將外界的定時觸發(fā)作為一個硬件中斷，采用中斷的方式來進行實時系統(tǒng)中各種任務(wù)的處理。這種方式既能夠保證精確定時，又可隨任務(wù)的不同而通過編程的方式將它們的定時周期進行更改。

2MHz 晶振經(jīng)74LS74 兩分頻產(chǎn)生1 脈沖／微秒信號接入計數(shù)器8254 的CLKO 端，8254 通道0 工作在方式3 下,OIJT0 端輸出方波信號至帶預(yù)置端和清除端的D 型觸發(fā)器74LS74 時鐘端，再輸出到ISA 插槽的中斷請求端IRQn。

1.5使能報警I／0 電路

使能報警I／O 主要任務(wù)就是完成電機的控制與狀態(tài)的檢測，這些功能由特殊的電機控制I／O 部件實現(xiàn)。與常規(guī)工／O 接口相比，應(yīng)具有更高的可靠性，能夠阻斷或抑制工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾經(jīng)由I／0 通路進入計算機，保證計算機的穩(wěn)定工作。而且必須能在計算機與輸入輸出裝置之間進行必要的信息形式轉(zhuǎn)換。如電動機的啟、停信號，開關(guān)量的開閉信號，零點檢測信號等就必須經(jīng)過信息形式的轉(zhuǎn)換。通過使能控制電路可以接通和關(guān)斷至伺服驅(qū)動器的模擬量輸出，從而在緊急情況出現(xiàn)時停止電動機的運行。

使能報警I/O 部件主要由一片74LS244，一片74LS273 加上光電隔離TLP52-4 構(gòu)成，主CPU 可通過寫命令接通和關(guān)斷使能，并可查詢使能狀態(tài)。TLP52-4 是TOSHIBA公司生產(chǎn)的16 引腳DIP 封裝，能提供4 個單獨隔離電路。其主要作用有：(1)為了防止強電干擾以及其它干擾信號通過信號I／O 控制回路進入計算機，將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。(2)可以進行電平轉(zhuǎn)換。

1.6倍頻辨向電路與脈沖接收電路

倍頻鑒向電路的功能有兩個：一是鑒別方向，即根據(jù)整形環(huán)節(jié)輸出的兩路方波信號A 和B 的相位關(guān)系確定出電機的旋轉(zhuǎn)方向；二是將A 和B 兩路信號進行脈沖倍頻，即將一個周期內(nèi)的一個脈沖(方波)變?yōu)樗膫€脈沖，這四個脈沖兩兩相距1／4 周期。因一個周期內(nèi)的一個脈沖表示工作臺移動了一個柵距，這一個周期內(nèi)的四個脈沖中的每一個則表示了工作臺移動了1／4 柵距，這樣就提高了光柵測量裝置的分辨率。

圖3-2 是脈沖接收電路、倍頻鑒向電路和零點

檢測電路的框圖，實現(xiàn)脈沖接收電路、倍頻鑒向電路和零點檢測電路如圖3—3 所示。

脈沖接收電路主要由帶有3 個輸出通道的單片四路線性接收器75175 構(gòu)成，能滿足RS-423，RS-485 等標準協(xié)議。75175 接收電機傳來的A、A、B、B、Z、Z 脈沖，同時輸出A、B、Z 三種脈沖到倍頻電路。倍頻電路由兩片斯施密特觸發(fā)輸入雙單穩(wěn)多諧振蕩器74LS221 組成。這種倍頻電路應(yīng)用比較方便，工作也十分可靠。

此外，從圖3-2 也可以看出，真正實現(xiàn)四倍頻，M1，M2，M3 和M4 還需要“或”起來，這將由鑒向電路完成。鑒向線路實際上是由一個雙“四選一”線路所組成。雙“四選一”線路用專用的集成電路74LSl53 構(gòu)成，其真值表見表3-2。A、B、Z 三種脈沖通過邏輯與門74LS21 接入到觸發(fā)器74LS74 的時鐘端CP 來構(gòu)成零點檢測電路。

表3-2 雙“四選一”線路真值表

如果我們用lY 表示正向脈沖輸出端，2Y 表示反向脈沖輸出端，根據(jù)“四選一”

線路的真值表，可以畫出方波A 滯后于B(即電機正向旋轉(zhuǎn))和A 超前于B(即電機反

向旋轉(zhuǎn))時的波形圖如圖3-4 所示。從圖中可以看出：當電機正向旋轉(zhuǎn)時，在1Y 段輸出了一系列代表移動距離的數(shù)字脈沖，而2Y 端為低電平；反過來，當電機反向旋轉(zhuǎn)時，在1Y 端為低電平，而2Y 端輸出了一系列代表移動距離的數(shù)字脈沖。因次，只要1Y 端有脈沖，就表示電機

正向旋轉(zhuǎn)，若2Y 端有脈沖，則表示電機反向旋轉(zhuǎn)。

伺服控制卡上的計數(shù)電路由一片可編程定時／計數(shù)器8254 組成。8254 包含三個獨立的16 位計數(shù)器。其中，通道0 工作于方式3，用于對時鐘源(頻率為2Mt{z)進行分頻，其輸出作為中斷定時器；通道1、通道2 工作于方式3，用來接收倍頻鑒向電路輸出脈沖，進行加僐計數(shù)，計算機在每個采樣周期內(nèi)，首先讀取計數(shù)器的值作為坐標軸實際運動位置，然后與坐標軸的期望位置命令相比較，算出當前坐標軸的偏差，接著對偏差進行PID 運算，得到進給速度的數(shù)字量，通過D／A 轉(zhuǎn)換，經(jīng)過電壓放大輸出雙極性控制信號，為伺服電機提供速度指令電壓，實現(xiàn)位置控制。

1.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要任務(wù)是把比較器的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。圖3-5 是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路框圖。計算機將實際位置與反饋位置做僐法運算，此位置誤差經(jīng)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D／A 轉(zhuǎn)換為直流電壓送到伺服電動機的控制輸入端，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)到指定的位置。

本模塊選用MAXIM 公司生產(chǎn)的MX7545A。MX7545A 是分辨率為12 的乘法型DAC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部帶有兩級緩沖器。由于CPU 的數(shù)據(jù)總線寬度小于D／A 轉(zhuǎn)換器的分辨率，因此必須分兩次送出數(shù)據(jù)，先送高字節(jié)，后送低字節(jié)。因此，在電路中加了鎖存器74LS273。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3-6 所示。MX7545A 輸入數(shù)據(jù)線的低8 位DB7-DB0，連到數(shù)據(jù)總線的D7-D0，高4 位DB11-DB8，接到鎖存器74LS273 的4Q-1Q。寫信號WR直接連到系統(tǒng)的IOW 線上，CS 接Y4。Y3 與IOW 經(jīng)過或運算接到鎖存器74L8273 的時鐘端。

當譯碼輸出Y3=0，或者而礦有效(即lOW=0)，則向鎖存器寫入高4 位數(shù)據(jù)；當Y4=0，此時若IOW=0，則12 位數(shù)據(jù)一起寫入MX7545A，開始D／A 轉(zhuǎn)換。

為了增強驅(qū)動能力，需運算放大器來進行電壓放大，驅(qū)動伺服電機。運算放大器采用的是OP07，經(jīng)過兩極放大，輸出雙極性控制信號。另外，由于存在零點偏移、非線性誤差及溫度漂移等原因，為了得到一定精度的D／A 轉(zhuǎn)換結(jié)果，外接了調(diào)零和調(diào)滿刻度電位器。

圖.數(shù)模轉(zhuǎn)換電路