基于AVR单片机的智能分度头研究

基于AVR单片机的智能分度头研究

 

　　随着现代数控技术的不断发展，分度头技术不断成熟，类型众多。对于分度头的设计来说，目前重点的工作是如何实现传统分度头的智能化，从而提高工件在机床上加工的精确性、稳定性以及便捷性。文中主要介绍了如何在Atmega16单片机控制系统中实现分度头的智能化，并且设计了单片机的硬件电路。最后对智能分度头软件的实现进行了编程。

　　目前国外先进水平的分度头一般采取半闭环控制系统，用伺服电机的编码器作为反馈回路的检测元件，每转脉冲数为2500P，精度较高，但价格也昂贵。如日本NIKKEN公司生产的数控分度头的分辨率可达到0.001°，定位精度为15”。

　　在手动模式下，又分两种控制方式：一是通过手轮旋转及倍率调节按钮，进行分度，并实时显示分度头所处位置以及转速;二是输入分度所需参数(包括等分度数、转速、方向)等。然后，Atmega16按照设定的工作模式、分度参数进行实时处理和运算，运算结果和指令又通过I/O接口电路送入步进电机驱动器来控制步进电动机运行，并将工作状态显示在显示屏上。步进电动机通过蜗轮蜗杆结构将运动传递到分度主轴，然后通过夹具带动工件进行分度。在回零模式下，通过回零电路，使分度头进行回零。

　　设计以Atmega16为主控芯片，并且有回零电路、按键电路、电源电路、显示电路以及驱动电路。如图1所示。

　　设计采用ATmega16单片机作为驱动步进电机的主控芯片，为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通

　　过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH，能够很好的满足椭圆插补的计算以及程序的烧写功能，并且用16位定时器T1来产生PWM波，能获得较宽频率的脉冲波。T1工作在相位和频率修正PWM模式，可以产生高精度、相位和频率都准确的PWM波形，十分适合于电机的控制。

　　单片机的PD口以及PA5～PA7接LCD12864显示电路，PD2口用来产生PWM波驱动步进电机，PD0和PD1口与MAX232相连和上位机进行串口通信。其主控电路如图2所示。

　　LM25705是美国安森美半导体公司生产的新型开关式降压型稳压电路。它们的作用与LM7805三端稳压器差不多，不过由于该系统稳压电源采用了开关技术，所以它的效率要比普通的三端稳压器要高，而且该系列稳压器的输入电压范围比普通二端稳压器更广。

　　本系统采用max232芯片进行单片机与上位机的通信，MAX232外围需要4个电解电容C14、C13、C10、C9，是内部电源转换所需电容。其取值均为1μF/25V。一般选用钽电容并且应尽量靠近芯片，C11为0.1μF的去耦电容。与Atmega16连接如图4所示。

　　文中采用两片高速光耦6N137来隔离管脚CLK和CW，可以保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，并且信号传输速率可达10MHz;使用1片TLP521来隔离ENABLE使能信号。

　　步进电机的驱动电路采用28V直流电.电压为4.5～40V。其中VMB、VMA作为步进电机驱动电源引脚，分别接入瓷片去耦电容和电解电容来进行稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机的两相输出接口。NFA和NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，其计算公式为：Iout(A)=0.5(V)/RNF，假设电机每相的最大驱动电流为2.5A，则RNF=0.28Ω，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。

　　逻辑控制电路的电源为5V，VDD是逻辑电源引脚，外接去耦电容和旁路电容减小噪声;M0和PROTECT分别为工作状态和过流保护指示灯;M1和M2为细分设置引脚，与拨码开关连接能得到不同的细分值。

　　显示电路作为智能分度头的输出接口，可以显示加工过程中的状态等信息。本设计中显示模块采用OCMJ4X8A液晶显示屏，可以方便地显示汉字及图形;可全屏显示系统所有信息;电路结构简单，便于控制，功耗低，满足配合单片机的液晶驱动模块显示数据的需求。

　　本研究的软件设计采用C语言编程，与汇编语言相比，有较好的移植性。程序设计使用2个标志位i、j来实现系统的逻辑控制。当自动模式按键按下后，标志位i=0;当手动模式按键按下，标志位i=1。在手动模式下，标志位j=0时，手轮脉冲发生器产生作用;标志位j=1时，可以通过输入分度数、转速和转向来控制步进电机。如果没有按键被按下，则主程序进行循环扫描。