Микропроцессорное управление станками с ЧПУ

Все более возрастающие требования к точности электропривода привели к использованию микропроцессоров, принцип действия кото­рых основан на цифровых интегральных микросхемах со степенью интеграции сотни тысяч электронных компонентов. Такие микросхе­мы носят название больших интегральных схем (БИС).

Микропроцессором называется функционально закон­ченное устройство цифровой обработки информации, осуществляе­мой по заранее заданной программе, и выполненное на основе специально разработанных БИС. По назначению он близок к процес­сору ЭВМ, однако обладает ввиду малых размеров меньшими функ­циональными возможностями. Размеры однокристального микропро­цессора (5X5X0,2 мм) не превосходят размеров обычных БИС. Особенностью микропроцессорного управления является главенст­вующая роль программного обеспечения, а не его аппаратных средств. Это неограниченно расширяет функциональные возможности управ­ляемого электропривода, так как позволяет заменить громоздкие устройства традиционной электромеханической автоматики с жестки­ми логическими связями легкоперестраиваемыми малогабаритными программируемыми устройствами. Функции, которые реализуются микропроцессором, определяются его управляющей частью и задают­ся определенным набором команд, записываемых заранее в запоми­нающих устройствах.

Микропроцессоры различаются разрядностью чисел, обрабаты­ваемых одной командой, числом регистров, разрядностью числовых и управляющих шин для связи с другими элементами и составом самих команд.

Основными узлами микропроцессора являются арифметическо-логическое устройство, регистры и устройство управления, объеди­няемые информационными шинами.

Арифметическо-логическое устройство выполняет все арифмети­ческие и логические операции (типа И, ИЛИ, НЕ и др.). Устройство управления формирует внутренние команды микропроцессора при поступлении команд из внешней памяти. Оно вырабатывает серию микроприказов, которые подаются на арифметическо-логическое уст­ройство и другие элементы микропроцессора. Регистр предназначен для запоминания информации и простейших преобразований: сброса (установка в нуль), временного хранения, приема и передачи инфор­мации из других устройств, сдвига на нужное число разрядов, пораз­рядного сложения и др.

Для управления станками ЧПУ с помощью микропроцессора необхо­димо также наличие периферийных устройств, объединяемых вместе с арифметическо-логическим устройством и устройством управления под названием «микропроцессорная система». На рис. 1.11 приведена схема такой системы.

Запоминающее устройство программы ЗУП хранит команды, которые составляют программу работы микропроцес­сора МП. Запоминающее устройство данных ЗУД  хранит данные, которые предназначаются для обработки микропроцес­сором.

Устройство ввода — вывода УВВ служит для ввода данных в запоминающее устройство данных и их вывода к внешним устрой­ствам.

Для управления микропроцессором обычно используется 78 команд, поступающих из запоминающих и логических устройств. Эти команды управляют операциями ввода — вывода, логическими и арифметическими операциями в заданном коде, операциями загрузки и хранения в накопители памяти.

Для микропроцессорных систем управления разрабатываются специальные датчики обратной связи.

Так как микропроцессор обрабатывает цифровую информацию, то сигналы управления, получаемые от датчиков, задают в виде импуль­сов. Чаще всего применяют кодовые и импульсные датчики механи­ческих параметров электропривода. При использовании же аналого­вых датчиков для согласования их с микропроцессором необходимы быстродействующие аналого-цифровые преобразователи.

Микропроцессоры могут управлять электроприводами главного движения и подач станка с ЧПУ, имеющими в своем составе любой тип исполни­тельного электродвигателя.

Применение микропроцессора в регулируемых приводах постоян­ного и переменного тока позволяет улучшить их характеристики: повысить точность регулирования частоты вращения, снизить ошибки положения подвижных органов и время переходных процессов. Пу­тем перепрограммирования можно быстро перестроить регуляторы на заданный параметр управления.

При использовании микропроцессоров в регулируемом приводе необходимо выбирать алгоритм функционирования привода в целом независимо от схемы его построения, типа микропроцессора и метода построения аппаратной части привода, зависящей от способа пред­ставления аналого-цифровой информации.

Главной частью простейшей структурной схемы микропроцес­сорного управления приводом (рис. 1.2, а) является цепь цифрового регулирования. Микро­процессор МП выполняет функции задания скорости и через цифро- аналоговый преобразователь ЦАП подает сигнал на электропривод ЭП. При такой простой схеме используют и аналоговые датчики обратной связи. В более сложной схеме управления (рис. 1.2, б) микропроцессор вырабатывает по­следовательность импульсов, кото­рые после усиления воздействуют на тиристорный блок управления. В этой схеме применяют цифро­вые датчики обратной связи ЦД, сигналы которых непосредственно подаются на микропроцессор. Существуют и такие сложные схемы управления, в которых используют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи как в прямом тракте управления, так и в цепи обратной связи.

где: : а — с аналоговыми датчиками обратной связи, б — с цифровыми датчиками обрат¬ной связи.

Микропроцессоры широко применяют и для управления регу­лируемыми приводами переменного тока. В этом случае в функции микропроцессора входит не только пуск и остановка двигателя при­вода, но и изменение времени пуска и торможения, определение неисправности в системе управления, подача команд на включение токоограничивающих сопротивлений. Наибольшей простотой и эко­номичностью, как было отмечено выше, отличается способ регулиро­вания частоты вращения асинхронного двигателя путем изменения частоты питающего напряжения.

На рис. 1.3 показана структурная схема такого управления с помощью микропроцессора. Тиристорный преобразователь частоты  состоит из тиристорного преобразователя (выпрямителя) УВ, сглаживающего пульсации тока фильтра Ф и инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный И. Управление этими устройствами осуществля­ет система управления СУ. Она выполняет управление путем изменения напря­жения и частоты на статорных обмотках трехфазного асинхронного двигателя М. Для этого используют обратную связь по скорости ДС, току ДТ и напряжению ДН. Все эти сигналы обрабатывает система регулирования, после чего микропроцессор формирует управляющие воздействия.

Применение микропроцессоров позволяет совершенствовать и по­лучать новые системы управления электроприводом станков с ЧПУ, не имеющие прототипов ни в аналоговом, ни в дискретном электроприводах с аппаратной системой. Это особенно важно при создании сложных систем, реализация которых из-за очень большого числа элементов и громоздкости алгоритма управления аппаратными средствами не­целесообразна.

С применением микропроцессорных систем не только заметно повышается надежность регулируемого электропривода станка с ЧПУ, но и упроща­ется его ремонт, обслуживание, снабжение запасными элементами. Микропроцессоры могут многократно использоваться при замене электромеханической части привода и при переходе на совсем иной тип привода; для этого необходима разработка новых программ ЧПУ.