西门子模块6ES7511-1FK02-0AB0

 前言
    热误差是数控机床的大误差源，数控机床的温度测试为机床热误差的补偿提供依据。传统的测温方案是将模拟信号通过电缆远距离传输至数据采集卡进行A/D转换并处理，实用中必须解决长线传输和模拟量传感器布线等问题。本文介绍了一种新型的设计方案，控制器采用SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，温度传感器采用单总线数字温度传感器DS18B20。采用数字温度传感器即在测试点完成了信号的数字化，提高了传输的可靠性，同时简化了外围电路，也便于传感器在机床上的布置安装。ARM处理器控制数字温度信号的采集，并与上位PC机通讯，同时其他硬件资源提供热补偿系统其他功能。本文在介绍数字温度传感器DS18B20的基础上，给出了系统的软硬件设计方案，对软件实现中的关键点做了详尽的注释说明。
1 数字温度传感器DS18B20介绍
    1.1 DS18B20的结构
    DS18B20是美国DALLAS公司推出的一种可组网数字温度传感器。DS18B20只有一个数据输入/输出口，是单总线专用芯片。DS18B20工作时，被测温度值直接以单总线的数字方式传输。
    DS18B20体积小，电压适用范围宽（3V-5V），可以通过编程实现9～12位的温度读数，即有可调的温度分辨率。测温范围－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃时，精度为±0.5℃。其可选封装有TO-92、SOIC及CSP封装。
    每个DS18B20出厂时都有一个唯一的64位序列号，因此一条总线上可以同时挂接多个DS18B20而不会出现混乱。DS18B20包括一个暂存RAM和一个E2RAM。暂存存储器RAM用于存放工作参数和测量值，其作用是保证在单线通讯时的完整性，包括8个字节。E2RAM用于设定非易失性温度报警上下限值TH和TL（调电后依然保存）。内部结构如图1所示。
 
               
头两个字节表示测得的温度读数，数据格式如图2所示：
               
    S=1时表示温度为负，S=0时表示温度为正，其余低位以二进制补码形式表示，低位为1，表示0.0625℃
    内部存储器的第五个字节是结构寄存器，主要用于温度值的数字转换分辨率。
    1.2 DS18B20的工作时序
    DS18B20严格遵循单总线协议，工作时，主机先发一复位脉冲，使总线上的所有DS18B20都被复位，接着发送ROM操作指令，使序列号编码匹配的DS18B20被激活，准备接受下面的RAM访问指令。RAM访问指令控制选中的DS18B20工作状态，完成整个温度转换，读取等工作。在ROM命令发送之前,RAM命令命令不起作用。表1列出了所有操作命令。

                
    整个操作主要包括三个关键过程：主机搜索DS18B20序列号、启动在线DS18B20做温度转换、读取温度值。
其工作流程如图3：

               
    DS18B20对时序及电特性参数要求较高，必须严格按照DS18B20的时序要求去操作。它的数据读写主要由主机读写特定的时间片来完成，包括复位（初始化）、读时间片和写时间片。
    （1） 复位时序
    使用DS18B20时,首先需将其复位,然后才能执行其它命令。复位时,主机将数据线拉为低电平并保持480μs～960μs,然后释放数据线,再由上拉电阻将数据线拉高15～60μs,等待DS18B20发出存在脉冲,存在脉冲有效时间为60～240μs，这样，就完成了复位操作。其复位时序如图4所示。

        
    （2） “写”时序 
    在主机对DS18B20写数据时,先将数据线置为高电平,再变为低电平,该低电平应大于1μs。在数据线变为低电平后15μs内,根据写“1”或写“0”使数据线变高或继续为低。DS18B20将在数据线变成低电平后15μs～60μs内对数据线进行采样。要求写入DS18B20的数据持续时间应大于60μs而小于120μs,两次写数据之间的时间间隔应大于1μs。写时隙的时序如图5所示。“读”时序机理类似，不再赘述。

    
2 系统软硬件设计
    2.1 硬件设计
    我们采用的控制器是SAMSUNG公司的32位ARM微控制器S3C44BOX，是三星公司为一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器的解决方案，功耗小，可靠性高。它使用ARM7TDMI核，工作在66MHz。采用的该ARM控制器将服务于整个热误差补偿系统，完成包括数据处理与通讯、控制等多任务的实现。机床测温系统只使用小部分片上资源。
    我们主要通过对I/O引脚的电平读写来完成单总线的通讯，采用ARM内部的定时器产生中断来完成有时隙要求的工作。由于我们通过预分频后产生的计时值单位达到1μs，完全能够满足时序工作的需要。
    DS18B20与控制器的接口及其简单，只需将DS18B20的信号线与控制器的一位双向端口连接即可。系统连接如图8所示：

    
2.2 软件设计
    遵循DS18B20单总线通讯协议，温度转换与读取工作的软件流程可表示为图9（该流程是在已经选中激活某个选中的DS18B20以后，选中激活流程软件原理类似，此处省略）。
                   
    可见，与DS18B20进行通讯主要完成以下三个基本子程序：初始化程序（复位程序）、‘读’子程序，‘写’子程序。系统采用 C语言进行设计，以下是初始化（复位）子程序，设计如下：

U8 resetpulse(void) //复位函数定义
{
U8 RX=1; //函数返回值设置
rPCONF=0x01; //PF0输出口
rPDATF=0x0; //PF0输出0，拉低 
rTCNTB1=0x1f4; //定时缓冲器设定，延时500us
rTCON=0x0200; //定时控制器设定，将定时器1手动更新
rTCON=0x0100; //定时器开启，手动更新关闭 
while(TIME); //在定时中断产生以前踏步等待（我们在中断中改变这个标志值）
rPDATF=0x01; //低脉冲时间500us已过，PF0置高
TIME=1; //将TIME值恢复
rTCON=0x0; //关闭定时器
rTCNTB1=60; //延时60us
rTCON=0x0200;
rTCON=0x0100;
while(TIME）;
TIME=1; 
rTCON=0x0; 
rPCONF=0x0; //改为输入口，进行读值 
if((rPDATF & 0x01)==0） //读到PF0口为低时说明存在脉冲收到
{RX=0;}
rTCNTB1=0x0190; //延时400us
rTCON=0x0200;
rTCON=0x0100;
while(TIME）; 
TIME=1;
rTCON=0x0;
return(RX）; //函数返回RX值，在收到存在脉冲时RX为零
}
    调用该初始化程序就可以实现复位要求。“读”子程序、“写”子程序实现机制类似，代码不再赘述。在单总线协议下，通过调用这几个子程序进行相应的控制，就能完成主机与DS18B20的通讯，实现温度的采集。
3 结论
    本系统接口电路简单，通讯可靠，集成后的系统运行良好，测试精度高，试验证明能完成预定测试任务

一、概述 

    伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 

    作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 

二、伺服系统的结构及分类 

    从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机（图1）。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。

    图1中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。 

三、进给伺服系统的现状与展望 

    进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能**地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。 

    （一）步进伺服系统 

    步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。 

    步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。 

    （二）直流伺服系统 

    直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。 

    然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 

    （三）交流伺服系统 

    针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。 

    目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称伺服。 

    交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进**控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 

    （四）直线伺服系统 

    直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。 

    直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德国DMG公司与日本MAZAK公司具代表性。2000年DMG公司已有28种机型采用直线电动机驱动，年产1500多台，约占总产量的1/3。而MAZAK公司近也将推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴高转速80000r/min，快移速度500m/min，加速度6g。所有这些，都标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的代高速机床，并在使用中逐步占据主导地位。 

四、主轴伺服系统的现状及展望 

    主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加 工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段 及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服 一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。 

    （一）交流异步伺服系统 

    交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。 

    交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。 

    （二）交流同步伺服系统 

    近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行优切削创造了条件。 

    （三）电主轴 

    电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主 轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。 

    从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。 

五、结论 

    作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。可以预见随着超高速切削、超精密加工、网络制造等**制造技术的发展，具有网络接口的全数字伺服系统、直线电动机及高速电主轴等将成为数控机床行业的关注的热点，并成为伺服系统的发展方向。