利用EDA软件实现步进电动机自动进给驱动系统的设计

自动进给控制系统是数控机床等现代加工设备的重要组成部分。要求以IC74191中规模数字集成计数器为核心，以步进电动机为执行元件，设计一个数字化自动进给控制系统。用EDA软件进行自动进给控制系统的研究和设计，创建系统的仿真电路，给出仿真实验结果。要求刀具进给速度为2～5次／s；利用虚拟数字逻辑分析仪和示波器观测各点的波形；进给脉冲的个数可由LED七段译码显示器显示。

1 、系统结构框图

数控机床等现代加工设备是采用自动控制、数字装置或计算机，全部或部分地取代一般通用机床加工零件时的人工控制。数控机床的各种控制功能，均是以数字和文字代码方式为控制指令，并通过数字装置的控制来实现的，自动进给数控系统是现代加工设备的核心部分，它由数字逻辑电路组合而成，广泛应用于数控设备的自动进给控制系统中。图1是自动进给系统的逻辑框图。它由位置检测电路、控制脉冲生成电路、控制门、脉冲源、可编程计数器、进给脉冲分配器、放大驱动电路和步进电动机等组成。

2 、基于IC74191的自动进给控制系统的设计

图2是基于IC74191的自动进给驱动系统的电路图。集成计数器（74191）、4-16线译码器（74159）、16选1数据选择器74150、编程开关［D］［C］［B］［A］、译码显示器组成状态译码置零可编程计数器。状态译码置零可编程计数器要求7419l的预置数端D、C、B、A置零，即DCBA=0000。741191的输出端QD，QC，QB，QA接74159的数码输入端，并在输出端翻译出相应的16个状态（数字），再由74150通过编程开关［D］［C］［B］［A］选中其中的一个数字，在74150的W端输出，经过一个非门电路送至74191的预置数控制端，即LOAD‘端，就可通过编程开关［D］［C］［B］［A］使74191成为可编程可变进制计数器。表1是该计数器的编程状态表。

 

当刀具的进给当量设计为6个CLK脉冲时，如图2所示，编程开关取值［D］［C］［B］［A］=0110，计数器的状态依次为0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，译码显示器显示出相应的十进制数为0，1，2，3，4，5，6，然后停止工作，等待下次进给启动信号的到来。自动进给控制电路由输入端与非门（7410）（构成RS触发器）、与非门G（自动进给控制门）、时钟脉冲信号源Us等组成，Us是由555定时器构成自激多谐振荡器，振荡频率设计为2～5 Hz，适于刀具进给速度为2～5次／s。S1，S2为常开延时打开定时开关，转换开关［X］代替位置检测装置，发出位置检测负脉冲信号。可编程计数器的编程状态表如表1所示。

图2中的4D触发器（74175）中的3D触发器构成进给脉冲分配器，即环形分配器，进给脉冲分配器是将进给脉冲按照一定顺序轮流分配给步进电动机各相绕组的电路，其电路的形式和步进电动机的结构、型号及控制方式有关。该系统的步进电动机采用三相六拍励磁方式，三相绕组的导电次序为U→UV→V→VW→W→WU→U。进给脉冲CLK到来之前，进给脉冲分配器先复位，再通过定时开关S2将其置成QUQVQW=100，即DU=1，DV=1，DW=0，第一个CLK脉冲过后，环形分配器输出为QUQV，QW=110，由此可列出进给脉冲分配器各输出端和驱动端状态如表2所示。各触发器驱动端的驱动方程式分别为：

 

图3是进给当量CLK=9时的工作时序图。接通电源时，常开延时打开定时开关S1，ontime=0．5 ms然后打开，其输出接计数器清零端RD，实现通电清零。同时定时开关S2将进给脉冲分配器置成QUQVQW=110，当刀具运动到预定位置时，位置检测电路便会发出进给启动负脉冲信号Ust，该信号通过7410构成的RS触发器在7410的引脚8输出高电平Uo，将控制门G打开，使时钟脉冲CLK通过G门达到74163的时钟输入端，开始进行进给计数；同时该时钟脉冲经过进给脉冲分配器、功率放大电路，驱动自动进给执行元件步进电机；当刀具达到预置进给位置时，利用74163的LOAD’端出现的下跳信号Ustop，作用在RS触发器上，并在7410的引脚8输出低电平，关闭控制门G，时钟脉冲被禁止，步进电动机停止转动，完成一个自动进给工作周期。

3 、自动进给控制系统的仿真

对图2所示的数控机床自动进给驱动系统进行计算机仿真实验，双击虚拟数字逻辑分析仪图标，打开Clock setup对话框，调节内部时钟设置，如图4所示，使Internal clock rate=2 Hz，通过编程开关设定进给量，接通电源后，按转换开关［X］键，发出位置检测负脉冲信号，自动进给驱动系统开始工作，虚拟数字逻辑分析仪得到图3所示各点的波形。进给脉冲的个数可由七段译码显示器LED显示，见图2。当编程开关取值［D］［C］［B］［A］=1111，输出15个进给脉冲。仿真与实验结果完全符合设计要求。

4 、结 语

步进电动机自动进给驱动系统是数控机床的核心部件，进给量的控制采用可编程可变进制计数器，编程逻辑开关代替机械波段开关，便于联机联网运行，提高工作稳定性、可靠性和使用寿命；利用EDA软件对数控机床自动进给系统研究和设计，可根据工艺要求方便地改变电路及参数，观测仿真结果，缩短了设计周期，为电路的设计与实现提供了基本依据。

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