基于arm7的金相切割機控制系統(tǒng)設(shè)計
汪洋，孫維連，王會強，孫鉑
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001)
摘要：針對金相切割機的特點，設(shè)計一種基于arm7的切割機控制系統(tǒng)。主控芯片采用s3c4480x，步進電機驅(qū)動芯片采用a3977sed，給出_廠主控芯片與外圍元器件之間的電路設(shè)計方法，a3977sed驅(qū)動板的典型應(yīng)用電路，以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計。采用arm7控制切割機三軸運動、主軸電機起停、lcd顯示，相對于單片機控制系統(tǒng)具有處理速度快、可擴展能力強等優(yōu)點，相對于plc控制系統(tǒng)具有成本低、針對性強等優(yōu)點，實踐證明該切割機控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠。
o引 言
目前金相切割機在金相制樣和金相實驗領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通常，金相試樣制備要經(jīng)過取樣、鑲嵌、磨光和拋光等步驟。每個步驟都應(yīng)細心操作，任一階段上的失誤都可能影響最后的結(jié)果。與機械行業(yè)中的金屬切割、下料不同，金相試樣的切割截取必須保持原有的組織狀態(tài)，即必須保證所截取的試樣的金相組織與原狀態(tài)金相組織一致，這就要求：在截取試樣的過程中試樣受熱、受外力作用要盡量��；配備良好的冷卻系統(tǒng)，保證切口無過熱和過燒現(xiàn)象；精確控制進給量的大小，保證試樣變形小，光潔度高；砂輪切割機應(yīng)配備精確的卡具和良好的運動機構(gòu)，保證試樣的切口垂直性好，切口余量小，零件裝卡方便；切割機應(yīng)有良好的防護，保證使用安全。針對上述要求，金相切割機應(yīng)實現(xiàn)三軸運動，即垂直(z向)進刀和水平(y向)進刀功能，及左右(x向)移動功能，方便截取試樣。同時控制系統(tǒng)還要具有三軸速度控制、主電機調(diào)速、狀態(tài)顯示、故障報警以及控制冷卻水泵、排煙風(fēng)機和照明等功能。傳統(tǒng)的切割機控制系統(tǒng)主要包括電氣控制系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)和plc系統(tǒng)等。由繼電器、接觸器、按鈕、主令開關(guān)等構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，具有控制可靠、成本低等特點，但實現(xiàn)的功能較少。以單片機為控制核心，并附以必要外圍電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，控制邏輯由程序?qū)崿F(xiàn)，能實現(xiàn)較復(fù)雜的控制過程，具有數(shù)字顯示、故障復(fù)位等功能，成本較低。但主控芯片工作頻率較低，構(gòu)成的系統(tǒng)控制規(guī)模相對較小，擴展性較差。以plc為核心的控制系統(tǒng)，plc驅(qū)動三軸步進電動機運動，觸摸屏作為控制終端，變頻器實現(xiàn)主軸電機調(diào)速。它具有控制精度高、擴展能力強等特點，一般用于大型切割系統(tǒng)的控制，成本較高。
針對以上三種控制系統(tǒng)的缺點，本文利用高性價比和高性能的微控制器arm7芯片，設(shè)計一種功能豐富、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟性好，適用于中小型三軸運動金相切割機的專用控制系統(tǒng)。
1系統(tǒng)框架
整個系統(tǒng)由主控板協(xié)調(diào)各部分工作，包括驅(qū)動三相步進電動機運動，控制水泵、風(fēng)機、照明和報警器工作接收限位開關(guān)和編碼器信號，并提供友好的人機交互界面，包括液晶顯示、指示燈、調(diào)速旋鈕、控制按鈕和遠程手持控制等。通過變頻器調(diào)整主軸電機轉(zhuǎn)速并且反饋主電機的電流、扭矩等信息，實時了解切割機的運行狀態(tài)。通過對循環(huán)冷卻水泵、排煙風(fēng)機、照明系統(tǒng)等的良好控制，保證切割機的穩(wěn)定運行。整個系統(tǒng)框架如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計重點為主控板和步進電動機驅(qū)動板。主控板以arm7 s3c44130x為控制核心，實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分的綜合控制。步進電動機驅(qū)動板由兩相步進電動機驅(qū)動芯片a3977sed及外圍電路構(gòu)成，具有半流控制和****8細分功能，能夠滿足本系統(tǒng)沒計需求。
2．1主控板設(shè)計
s3c44box為三星公司推出的16／32位arm7處理器，通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，s3c44box大大減少了系統(tǒng)中除處理器以外的元器件配置，從而大大降低系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)主控板采用核心板+底板設(shè)計方式，核心板為$3c44box最小工作系統(tǒng)，方便后期系統(tǒng)移植與擴展。底板設(shè)計根據(jù)切割機控制的實際需求對s3c44box進行硬件擴展。核心板布局如圖2所示。
sdram采用hynix公司的hy57v641620hg芯片，容量為8 mb，用作系統(tǒng)內(nèi)存；rom采用flash芯片am29lv160db．容量為2 mb，存放用戶程序；供電部分采用amslll72 5和amslll7—3 3，分別為s3c44box提供內(nèi)核工作電壓和i／o 口電壓；晶振采用10．000 mhz石英晶振；預(yù)留jtag(pinl4)，用于仿真調(diào)試程序。底板布局如圖3所示。各芯片電路均采用芯片使用手冊推薦接法。硬件擴展包括以下部分：
(1)調(diào)速旋鈕(模擬量輸入部分)采用3只電位器，經(jīng)過電壓調(diào)整電路分別輸入到s3c44]30x的aino ain2腳，are盯、arefb和avcom分別串接一個電容再接地。實現(xiàn)電壓在o～2．5 v內(nèi)可調(diào)，作為xyz三向工進速度調(diào)節(jié)。
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