（电气工程专业论文）基于嵌入式系统标记打印机的研究与开发.pdf

量 合肥工业大学 j i ii ii ll l li iiii ii i i i l liii y 1815 8 8 8 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席：御嘻嚎墨7 珏睇瓢唆 导师： p 丫鬯妩 饥坐 享，豸，修学 勿卿 铆凹业东鲁声报 忽肚 巧岳 肛乌 日贝委 铷 1 童 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金8 墨王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签 签字日唰钐月中 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 g 曼王些丕堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者 签字日期：反幼珲侈 月砂细 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 、 p 耻哼 签字日期：2 口砗厂月上归 f 电话： 邮编： 钿 基于嵌入式系统标记打印机的研究与开发 摘要 标记打印机是近年来出现的一种对产品表面进行标记的机电一体化产品， 它集机械、电子、计算机等技术于一体，主要应用于产品质量管理工作中，即 在一些重要零部件的表面上进行永久标识，以便对零件的寿命预测和质量跟踪 服务进行有效的管理，满足现代质量管理体系的要求，确保产品质量。由于其 较强的功能和打印标识不易被仿制等一系列优点，标记打印在最近几年内得到 了较大范围的应用和普及。 目前，标记打印机主要分为激光标记机和气动标记机两种。激光标记机是 利用激光的热效应烧蚀掉物体表面材料从而在工件表面留下永久标记。气动标 记机是利用空气压缩机和一个气阀控制打印头上下振动，在工件表面打下永久 标记。无论是气动标记机还是激光标记机，它们的控制原理大体上是一样的， 核心部件为运动控制器。 运动控制器经历了硬件数控( n c ) 和计算机数控( c n c ) 两个发展阶 段，9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速发展，性价比不断提高，基于计算 机的数控系统己成为控制系统发展的主流。现在的标记机采用微机( p c 机) 控制，具有完善的图形处理能力，但每台标记机需配备一台工控p c ，成本较 高。本文主要讨论用单片机代替p c 机控制运动，让单片机成为下位机，并通 过串行通讯口接收上位机( p c 机) 的控制数据，一台p c 机可以控制多台单片 机，能大大提高标记打印机的性价比。 本文的主要内容包括：( 1 ) 步进电机驱动电路的研究；( 2 ) 控制系统控制方 案设计；( 3 ) 硬件系统设计：单片机的选择，存储器的扩展、串行通信电路设 计、键盘及显示电路设计；( 4 ) 软件系统设计：打印字符文件的建立、矢量字 符的存储方式，将这些字符文件转化成标记打印机的加工程序。 _ ， 关键词：标记打印机，控制系统，单片机，硬件系统，软件系统 使 - ， r e s e a r c ha n dd e v e l o p i n go ft h em a r k i n gp r i n t e r b a s e do nt h ee m b e d d i n gs y s t e m a b s t r a c t t h em a r k i n gp r i n t e ri sak i n do fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a li n t e g r a t i o n p r o d u c t s t h a tc a nm a k et h em a r ko nt h ep r o d u c t ss u r f a c ei nr e c e n t l yy e a r s i tm a k em a n y t e c h n o l o g yi n c o r p o r a t e s ，s u c ha sm a c h i n e r y ，e l e c t r o n ，c o m p u t e r ，e t c i ti sm a i n l y u s e di nt h em a n a g e m e n to fp r o d u c tq u a l i t y ，i e s o m ei m p o r t a n tp a r t sm u s th a v et k e o n l ym a r ko fi t s e l fo nt h es u r f a c e ，i no r d e rt oc a r r yo ne f f e c t i v em a n a g e m e n tf o r l i f ep r e d i c t i o na n dq u a l i t yf o l l o w - u ps e r v i c eo ft h ep a r t t h i sm a n a g e m e n tc o u l d m a k et h e p a r tm e tt h er e q u e s tf o rt h em o d e r nq u a l i t ym a n a g e m e n ts y s t e mt o g u a r a n t e ep r o d u c tq u a l i t y b e c a u s ei th a sas e r i e so fa d v a n t a g es u c ha st h eb i g c a p a c i t y ，t h es t r o n gf u n c t i o na n de a s i l yi d e n t i f i c a t i o ne t c t h e s ea d v a n t a g e sm a k e m a r k i n gp r i n t e rg o tw i d ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z ei nr e c e n ty e a r s a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w ok i n d so fm a r kp r i n t e r ：l a s e rm a r k i n gp r i n t e ra n d p n e u m a t i cm a r k i n gp r i n t e r l a s e rp r i n t e rl e a v ep e r m a n e n tm a r ko nt h ep a r ts u r f a c e w i t hh e a te f f e c to fl a s e ra b l a t e d p n e u m a t i c m a r k i n gp r i n t e ru t i l i z e st h ea i r c o m p r e s s o ra n dap n e u m a t i cv a l v em a r k i n go nt h ew o r kp i e c et h r o u g hc o n t r o l l i n g t h em a r k i n gh e a dv i b r a t i o nu pa n dd o w n b u tn om a t t e rl a s e rp r i n t e ro rp n e u m a t i c t h e i rc o n t r o ls y s t e ma r es i m i l a r t h e i rc o r ep a r ti st h em o v e m e n tc o n t r o l l e r t h em o v e m e n tc o n t r o l l e rh a s g o n et h r o u g ht h en u m e r i c a lc o n t r o lo ft h e h a r d w a r e ( n c ) a n dt w od e v e l o p i n gs t a g e so fc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) s i n c et h e 19 9 0 s ，w i t hc o m p u t e rd e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do ft e c h n o l o g y ， c o s tp e r f o r m a n c er a i s ec o n s t a n t l y ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc o m p u t e r h a sa l r e a d yb e c o m et h em a i n s t r e a mo fc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t a tp r e s e n tw e u s et h ec o m p u t e r ( t h ep c ) t oc o n t r o lt h e m a r k i n gm a c h i n e i th a sp e r f e c tg r a p h p r o c e s s i n ga b i l i t y ，b u ti fe a c hm a r k i n gm a c h i n en e e d so n ec o m p u t e r ，t h ec o s tw i l l b ev e r yh i g h 1w i l ld i s c u s sm a i n l yt h a tt h es i n g l ec h i pr e p l a c e st h ep ct oc o n t r o l t h es p o r t ，l e tt h es i n g l ec h i pb e c o m et h en e x tm a c h i n e ，a n di t g ot oc o n t r o ld a t ao f l o c a t i o np l a n e ( p c ) t oa c c e p tt h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h e no n ep c c a nc o n t r o lm a n ys e t so fs i n g l ec h i p t h ec o s tp e r f o r m a n c eo f m a r k i n gp r i n t e rh a s b e e ni m p r o v e dg r e a t l y t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ti sa sf o l l o w s ：( 1 ) r e s e a r c h i n gt h ec i r c u i td r i v e r o ft h ew a l ke l e c t r i c a lm a c h i n e r y ( 2 ) d e s i g nt h e s y s t e mc o n t r o l sm e t h o d ( 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m i tc o n t a i n sh o wt oc h o o s et h es i n g l ec h i p ，e x p a n dt h e r o ma n dd e s i g nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dk e y b o a r d s h o w i n gc i r c u i t ( 4 ) k u e s l g nt h es o f t w a r es y s t e m h o wt os e t u pt h ep r i n tc h a r a c t e r sf i l e sa n dm a k et h e m e m o r yw a yo ft h ev e c t o rc h a r a c t e r d e s i g nt h em e t h o dw h i c hc a nt r a n s f o r mt h e v e c t o rc h a r a c t e rt op r i n tc h a r a c t e r t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ti s a sf o i l o w s ：f l1 r e s e a r c h m gt h ec i r c u i td r i v e ro ft h ew a l ke l e c t r i c a l m a c h i n e r y ( 2 ) d e s i g nt h e s y s t e mc o n t r o l sm e t h o d ( 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r es y s t e m i tc o n t a i n sh o w t oc h o o s e t h es l n g l ec h i p ，e x p a n dt h er o m a n dd e s i g nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dk e v b o a r d s h o w l n gc l r c u i t ( 4 ) d e s i g nt h es o f t w a r es y s t e m h o wt o s e t u pt h ep r i n tc h a r a c t e r t i l ea n dm a k et h em e m o r yw a yo ft h ev e c t o rc h a r a c t e r d e s i g nt h e m e t h o dw h i c h c a nt r a n s f o r mt h ev e c t o rc h a r a c t e rt op r i n tc h a r a c t e r k e yw 。r d s ：m a r k i n gp r i n t e r , c o n t r o l s y s t e m ，s i n g l ec h i p ，h a r d w a r es y s t e m ， s o f t w a r es y s t e m 一， “ 致谢 在论文写作及整个求学期间，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能 有机会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际，我首先要感谢我的指导老师温阳东教授，感谢他在我求 学及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博的专业知识、严谨 的治学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益匪浅，我将永远 铭记在心。在三年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和帮助令我永生 难忘。本论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血和汗水，在 此向我的导师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在课题组工作期间，给予我很大帮助的 同事邹克武、邸久生和我的朋友们，是您们无私的奉献和积极的工作才使我得 以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜 负各位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 作者：李明 2 0 1 0 年6 月10 日 目录 第一章绪论1 1 1 项目的研究背景1 1 1 1 工业标记技术的发展及应用现状1 1 1 2 工业标记技术新需求2 1 2 单片机对步进电机的控制3 1 2 1 步进电机的发展及应用3 1 2 2 步进电机的控制系统4 1 2 3 单片机对电动机控制所起的作用4 1 3 单片机的发展状况5 1 4 电子功率器件对电动机控制所起的作用7 1 5 标记打印机的控制方案分析8 1 5 1 采用工业p c 机控制方案8 1 5 2 采用单片机控制方案一8 1 5 3 单片机和计算机相结合的控制方案9 1 5 4 课题的主要研究内容9 第二章数据程序控制理论1 0 2 1 数字程序控制系统简介1 0 2 2 逐点比较法1 0 2 2 1 直线插补算法1 0 2 2 2 圆弧插补计算原理1 4 2 2 3 四个象限圆弧插补计算公式1 5 2 3 数字积分器插补法( d d a ) 1 7 2 3 1 数字积分直线插补1 8 2 6 2 数字积分法圆弧插补原理1 9 第三章控制系统的硬件设计2 0 3 1 单片机的选择2 0 3 1 1 功能概述2 l 3 1 2 管脚功能介绍2 2 3 2 功率驱动电路2 2 3 3 数据存储电路设计。2 3 3 3 1 存储器的选择2 3 3 1 2 地址分配2 4 3 2 串行通信电路2 4 3 2 1 选择串行标准通信接口2 4 3 2 2 选择串行口通信方式2 5 3 2 3 电平转换2 5 3 3 人机接口电路设计2 6 3 3 1 输入接口电路2 6 3 3 2l c d 显示电路设计2 7 3 4 晶振及复位电路设计2 8 3 5 开关电路设计2 9 第四章控制系统的软件设计3 0 4 1 系统主程序设计3 0 4 2 参数设置程序设计3 0 4 3 串行通信模块的设计31 4 4 文件的操作3 2 4 4 1 文件的存入3 2 4 4 2 文件读出3 3 4 2 3 文件的删除3 3 4 5 字库建立及打标控制程序设计3 3 4 5 1 打标控制主程序设计3 3 4 5 2 插补程序设计3 4 4 6 字库文件的设计3 4 4 6 1 对c h r 文件的研究3 4 4 6 2p l t 文件的研究。3 6 4 6 3b m p 文件的研究3 9 4 7 l c d 显示程序设计。4 0 第五章单片机系统的抗干扰措施4 2 5 1 干扰来源方面4 2 5 1 1 抑制干扰源4 2 5 1 2 切断干扰传播路径的常用措施4 3 5 1 3 提高敏感器件的抗干扰性能4 3 5 2 单片机硬件设计方面。4 4 5 2 1 地线的设计4 4 5 2 2 配置去耦电容4 4 5 2 3 气动标记打印机主要配置4 5 5 3 单片机软件编程方面4 5 第六章结论与展望4 7 6 1 工作总结4 7 6 2 对今后工作的展望4 7 参考文献4 8 攻读硕士期间发表的论文。5 2 插图清单 图1 1 气动标记机的结构2 图1 2 计算机控制的打标系统8 图2 1 直线插补示意图1 1 图2 2 优化算法的插补原理图1 3 图2 3 圆弧插补示意图1 4 图2 4 积分原理图17 图2 5 数字积分器逻辑图18 图3 1 标记打印机控制系统总框图2 0 图3 2p 8 9 c 5 8 的引脚排列2 1 图3 3 驱动电路设计2 2 图3 4 单片机与p c 串口通讯电路图2 5 图3 5 键盘接口电路2 7 图3 6l c d 显示电路图2 8 图3 7 时钟及复位电路图2 8 图3 8 开关量电路图2 9 图4 1 系统程序模块图3 0 图4 2 系统参数设置31 图4 3 单片机与p c 机数据通讯程序框图31 图4 4 文件输入流程图3 2 图4 5 标记打印机主程序流程图一3 3 图4 6 直线插补流程图一3 4 图4 7p l t 文件处理流程图3 8 图4 8b m p 文件打标流程图4 0 图4 9l c d 显示程序流程图4 1 表格清单 表2 1 直线插补四象限的偏差计算公式和进给方向1 2 表2 2 圆弧插补的偏差计算公式和坐标进给方向1 6 表3 1 地址分配表2 4 第一章绪论 1 1 项目的研究背景 1 1 1 工业标记技术的发展及应用现状 随着社会的发展，产品的质量越来越受到人们的重视。质量是企业的生 命，各个企业都在加强产品质量的管理，从而提高企业的竞争力。在企业产品 质量的管理工作中，很重要的一条就是对产品寿命的预测和质量跟踪的服务。 这就要求在一些重要的零部件表面上有唯一的标识，以便对其进行有效的跟踪 服务和管理，确保产品的质量，从而满足现代质量管理体系的要求。同时有了 唯一标识后，企业可以对零部件的性能、使用寿命等参数等进行准确的评价， 从而改进产品质量。另外，随着市场经济的发展，商品竞争已经成为必然，一 些假冒伪劣产品势必要鱼目混珠，乘隙而入。为了辨别产品的真伪，维护企业 的质量信誉，也有必要在产品的表面进行标记【l 】。 在机械成品和半成品加工过程中，为了及时而准确地识别产品的零部件， 往往需要在自己的产品上标以明显的标志或记号，因此标记打印加工是机械制 造过程中的重要工序之一。过去，大多靠手工在产品上建立各种字符、图形 等。采用人工方式速度慢，图案单调，在复杂的环境下难以进行，不利于现代 化操作流程。 传统的工业零部件标记打印，一般多是采用字模冲压、电化学腐蚀、电 火花加工。这些方法，不仅效率低、不美观，而且防伪性差，很难达到同一规 格，所以废品率极高，尤其难以适应现代化大生产的需要。随着计算机技术、 自动控制技术、传动技术及c a d 技术的发展，在成批、大量的现代化生产过 程中，标记设备采用自动控制方式已成为主流。所以一种较为先进的激光打印 技术，在西方一些工业先进国家应运而生，随后在我国也得到发展应用。 激光打印技术，虽然较好地克服了传统工艺的许多缺点，但由于受到激光 器本身寿命低与在环境恶劣的生产现场缺乏长期稳定性工作特点的制约，同 时，由于有色金属对激光的吸收较差，打印深度浅，所以这一方法不能满足生 产实际的需要，除特殊材料如金刚石、硬质合金或对打印深度无特别要求的场 合外，未能得到普及推广。 为弥补上述方法之不足，适应现代化大批、大量生产发展的需要，出现了 一种全新的工业标记打印工艺一一气动标记打印工艺。气动标记打印机是由计 算机控制打印针运动的高速打印设备，目前共有标准型、便携型和生产线型三 种。第一种适用于中小件；第二种适合大、特型件；第三种则适用于流水线生 产。它所用的高速电磁阀，能以每秒3 0 0 次的频率开关压缩空气，从而可使打 印针也按此频率往复冲击，使工件表面( 包括平面、弧形面、凸形或凹形表 面) 打印出密集点阵构成的字符或图形。其打印深度最高可达2 m m ，速度为 每秒3 - 5 个2 号字符，平均无故障工作时间达1 0 0 0 0 h ，具有灵活、可靠性高 和易于掌握的特点。从19 8 8 年之后，这工艺便在一些西方国家相继采用，特 别是在汽车、摩托车行业得到迅速推广。像美、日。意、德、法等国的通用、 福特、克莱斯勒、丰田、本田、菲亚特、奔驰、标致、雪铁龙、雅马哈等汽 车、摩托车制造厂，均都大量采用。我国汽车、摩托车( 集团) 公司近年来也 有了应用与发展。相比较而言，气动和电动相结合的方式由结构简单，成本 低，可控性好，速度快，特别适合于对标记速度有较严格要求的流水线作业场 合，并能方便地控制标记内容的深度【l 】。气动标记机结构如图1 1 所示： 图1 1 气动标记机的结构 气动标记打印工艺之所以受到广大用户欢迎还在于它所独有的防伪功 能。首先是它所打印的标记易于识别，其次是打印设备和标记本身的唯一性无 法仿制。以上这些，对于辨别机件真伪，维护企业质量信誉，是相当重要的。 伴随市场经济的发展，商品竞争已成为必然。因此，一些假冒伪劣产品，势必 要鱼目混珠，乘隙而入。在生产中采用这种气动标记打印工艺，则可便于识别 真伪，是企业防伪打假的好帮手。近年来，气动工业标记打印系统设备，已为 国内众多用户所欢迎。目前，中国一汽集团、天津夏利、神龙富康、中国嘉陵 工业公司( 集团) 、中国建设工业( 集团) 公司、中国轻骑集团、上海易初摩 托车有限公司、华日集团、长安铃木汽车有限公司、庆铃汽车股份有限公司等 已普遍使用了气动工业标记打印机。 1 1 2 工业标记技术新需求 随着现代加工技术的飞速发展，零件表面的加工已达到了相当高的水平， 这就对工业标记技术提出了更高的要求，设计出具有模块化、高精度、高效 率、高可靠性特点的高度自动化工业标记设备是现代化生产线新的需求。 2 ( 1 ) 模块化 为扩大气动标记打印机的使用范围和适应小批量多品种的需要，加速气动 标记打印机功能部件的标准化、模块组合化成为了气动标记技术的新趋势。采 用模块化的元器件，一方面可以根据用户要求选择各种模块，并以搭积木的方 式将它们组合为一个完整的元器件，另一方面还十分便于将来对机器的功能和 规模进行扩充。 ( 2 ) 高精度 工件标识的效果应该清晰易于识别，而标识的效果主要是由打印执行元器 件的精度决定的。随着执行元器件精度的提高，工件表面的标记质量也相应提 高。 ( 3 ) 高效率 打印图形和字符的规则是影响打印加工效率的决定性因素，传统的打印规 则是按照字符点阵的形式进行的，也就是逐行或逐列扫描打印，这样空行程就 较多，效率较低。如果按照图形和字符的轨迹打印，将大大减少空行程，效率 明显提高。 ( 4 ) 高可靠性 作为产品综合质量的一个重要方面，标识质量的好坏对产品的市场竞争能 力有直接的影响。为了便于识别和管理零件，需要在其表面打印永久性标记 号，模糊易涂改的标识既损坏了企业形象又给假冒产品提供了可乘之机。 ( 5 ) 高度自动化 传统的一些工业标记方法具有固定的图形库和字符库，只能对简单图 形、细小图形和数字字符进行标记，对于任意复杂的图形和字符就不再适用 了。而实际情况是标记的图形和字符必须随着所要完成标记任务的不同而改 变，需要实时、自动地对任意图形和字符进行处理。 1 2 单片机对步进电机的控制 1 2 1 步进电机的发展及应用 自二十世纪中叶，步进电机的应用己渗透到数字控制的各个领域，这是因 为步进电机具有很多不可替代的特点： ( 1 ) 具有一定的开环控制精度，系统简单廉价，步进误差不长期积累。 ( 2 ) 无刷，电机本体部件少，可靠性高。 ( 3 ) 易于启动、停止、正反转及变速控制，而且响应性也好，停止时可自 锁。 ( 4 ) 步距角选择范围大，同时用一台控制器控制几台步进电机也可使它们 完全同步。 ( 5 ) 与计算机接口方便。基于以上性能优点，步进电机较早成为了典型的 机电一体化元件组件【2 3 1 。 在标记打印过程中，步进电机是作为执行元件来进行工作的。在工作的过 程中步进电机将根据控制程序的指令，做出响应的动作，完成扫描。 1 2 2 步进电机的控制系统 由于步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此， 在步进电机控制系统中需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。脉冲的多少由控制 对象运行轨迹计算而得，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电 机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为 了保证步进电机不失步地启停，要求控制系统具有升降速控制环节。除了上述 各环节之外，还有和键盘、纸带阅读机、显示器等输入、输出设备的接口电路 及其它附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。 在早期的数控系统工程中，上述各环节都要由硬件完成。但目前的机床数 控系统，由于采用了小型和微型计算机控制，上述许多环节如升降速控制、脉 冲分配、脉冲产生、插补运算等都要可以由计算机完成，使步进电机控制系统 的硬件电路大为简化。 系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制码程序，输入的代码由计算机 解释。显示器用来显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代 码等各种信息。存储器用于存放监控、解释、插补运算、故障诊断、脉冲分 配、键盘扫描、显示驱动等程序及用户控制码程序等。功率放大器用以以计算 机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。 c n c 系统由于硬件电路大大简化使其可靠性大大提高，而且使用灵活方 便。但由于种种原因很多功能由软件来完成，所以对计算机字长和运算速度有 一定的要求。目前，由于微型计算机运算速度的提高( 如m c s 5 1 系列单片机 主频可达1 2 m h z ，执行一条单字节指令只需l g s ) ，因此在机床简易数控中，采 用8 位于单片机己能满足于要求。但在多坐标( 如4 个坐标、5 坐标等) 控制系 统及连续轮廓控制系统中8 位于c p u 的速度仍不够，这时可采用如下方法： ( 1 ) 工业选用高速1 6 位( 如i n t e l8 0 8 0 8 0 8 8 ，m c s 5 1 系列单片机) 和3 2 位 微处理机。 ( 2 ) 适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻c p u 的 负担。 ( 3 ) 采用多微处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。 1 2 3 单片机对电动机控制所起的作用 工业控制计算机可谓功能最强大，它有的速度、强大的运算能力和接口功 能、方便的软件环境；但由于成本高、体积大，所以只用于大型控制系统。 现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。实际上可作为电动机控制器的 元件还有许多种，例如工业控制计算机、可编程控制器( p l c ) 、数字信号处理 器( d s p ) 。 4 可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运 算。由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。 单片机介于工业控制计算机和可编控制器之间、它有较强的控制功能、低 廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能需要的同时， 优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的 统计数字也可以看出，世界上每年要有2 5 亿年各种单片机投入使用。单片机 是目前世界上使用量最大的微处理器【4 】。微处理器取代模拟电路作为电动机的 控制器有如下特点： ( 1 ) 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。采用微处理 器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单 元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。 ( 3 ) 灵活性和适应性 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果须要修改控制规律，一般不必 改变系统的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝 试选择最优参数，非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大 或小，都可以保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可提供人机界面，多机联网工作。 1 3 单片机的发展状况 单片机产生于2 0 世纪7 0 年代。在我国经历了z 8 0 单板机时代和m c s 5l 单片机时代。现在老的m c s 5 1 时代已渐渐过去了，新一代的各种各样的单片 机不断出现，以至于无法给出哪一种单片机最好。新型单片机都具有如下特 点。 ( 1 ) 功能得到极大的增强 许多单片机生产公司将1 6 位单片机的性能下移到8 位单片机，在单片机 的内部增加了如p w m 口、比较和捕捉功能、a d 转换器等，并增加了看门 狗、各种串行总线接口等功能，使新一代的单片机功能更强大。 p w m 口广泛地应用在直流电动机控制中。它一经初始化设定后会自动地 发出p w m 控制信号，c p u 只在需要调整参数时才介入。 在有模拟信号存在的情况下( 例如用直流测速发电机测速，或测量电动机 绕组的输出电压或电流) ，如果要将模拟信号输入单片机，a d 转换器是必不 可少的，将a d 转换器集成在单片机内，将带来极大的方便。 电动机是一个电磁干扰源。电动机的启停还会影响电网电压的波动，它周 围的电器开关也会引发火花干扰。因此，除了采用必要的隔离和电路板合理布 线等措施外，看门狗的功能就会显得格外重要。看门狗在工作时不断地监视程 序运行的情况，如果程序“跑飞”，会立刻使单片机复位。 近年来，单片机的一个重大变化是出现了各种同步串行总线，如s p i 总 线、1 2 c 总线。同步串行总线由于使用的信号线少( 如s p i 使用3 条信号线， 1 2 c 总线使用2 条信号线) ，所以电路占用电路板的面积大大减小，与并行总 线相比，其信号受干扰的可能性也小，还有一个最突出的优点是单片机可利用 的引脚相对增多。这就是同步串行总线风靡起来的原因，它大有取代并行总线 之势。在电动机的控制中，要用到键盘和显示器作为为机界面，有时还要用到 外接存储器，这是使用有同步串行总线接口的芯片将会大大减小电路的尺寸， 降低成本垆j 。 ( 2 ) 速度的提高 速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单片机对电动机进行控 制，经常采用一些优化算法，如数字p i d 控制、数字滤波等。对于实时性很 强的控制，速度低的单片机往往不能胜任。新一代单片机的速度比老式单片机 的速度提高了1 倍多，例如，p h i l i p s 公司生产的8 9 c x x 系列8 位单片机的 工作频率已达到4 8 m h z 。 单片机速度提高的原因是采用了流水线技术，执行指令与提取指令可同时 完成。另外，有些单片机采用了r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构技 术，使指令执行的速度得到提高，如美国国家半导体公司的c o p 8 s k 系列8 位单片机、美国m i c r o c h i p 公司的p i c 系列8 位单片机。 ( 3 ) 小型化和低功耗 采用同步串行总线可以减少无用的引脚，另外，由于采用了内部f l a s h 存 储器，没有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都使单片机引脚的数目可以 大大减少。这样一来，一方面提供了更多的引脚作为i 0 口使用，另一方面也 可以去掉众多引脚而使芯片小型化。例如，美国m i c r o c h i p 公司推出2 引脚和 1 8 引脚的8 位p i c 系列单片机；台湾义隆公司的18 引脚的8 位e m 7 8 系列单 片机：a t m e l 公司生产的2 0 引脚的8 位a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机。小型化的单片 机给用户提供了低成本、电路尺寸小的选择。 单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有休 眠省电工作方式，一些单片机还采用3 v 电压供电，这些措施都可以减少单片 机耗电。这对于移动设备的电动机控制提供了帮助。例如：数码摄像机、便携 式视听设备、笔记本电脑中的光盘驱动器和磁盘驱动器等。 过去多数人认为8 位单片机不适合作为电动机的控制器，而转向使用1 6 位单片机，但是现在应当刮目相看了。由于8 位单片机的功能和速度都与1 6 6 位单片机不相上下，而且价格便宜，易于与占多数的8 位芯片接口，同时越来 越多的电动机专用集成电路的使用使单片机减轻了许多沉重的负担。因此，8 位单片机会成为普通电动机控制的主流处理器。 1 4 电子功率器件对电动机控制所起的作用 电力电子技术和功率半导体器件的发展对电动机控制技术的发展影n 向极 大，它关系到电动机的功率驱动。电力电子功率器件经历了从半控( 只能控制 “开”不能控制“关”) 到全控阶段，从电流控制到电压控制( 场控) ，从几 k h z 到5 0 0 k h z 以上的开关频率的变化；而电动机的控制也相应地从相控变流 到脉宽调制和变频技术1 6 j 。 从2 0 世纪7 0 年代开始，先后出现了几种有自关断能力的全控型功率器 件，如可关断晶闸管系统，提高了工作频率，简化了电路结构，提高了效率和 可靠性。原来谐波成分大、功率因数差的相控变流器已逐步由斩波器或p w m 变流器取代，使电动机的调速范围明显增加。例如，利用g t r 的直流电动机 p w m 调速系统的最大调速比可达l ：1 0 0 0 0 ；而用普通晶闸管的最大调速比约 为1 ：10 0 。 其后又出现了功率场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( i g c t ) 等，形成第三代功率器件。这些新型功率器件采用场控，工 作频率可以更高，驱动电路更简单。它们在逐步取代g t o 和g t r 。 然而发展并没有就此停止，号称第四代的功率集成电路已崭露头角。功 率集成电路是电力电子