|
夏繼強 鄔學 弈乙（北京航空航天大學100083）
郭永豐 劉晉春（哈爾濱工業(yè)大學）
摘 要 設計了一種用于經(jīng)濟翌-數(shù)控的通用型 步進電機微步驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一片8031單片機作為CPU，可以用于額定電流3A以下的三相、四相、五相反應式步進電動機的微步驅(qū)動。由于其靈活的軟硬件設計，系統(tǒng)可以方便地用于脈沖驅(qū)動、RS232接口、CTD總線接口等場合。文中著重介紹了系統(tǒng)的軟硬件設計。 敘 詞 步進電動機微步驅(qū)動通用軟硬件設計
1 引 言
步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移和線位移的執(zhí)行元件，由于其具有步距準確、可開環(huán)控制、便于數(shù)字控制等優(yōu)點，廣泛用在各種執(zhí)行機構上，也是經(jīng)濟型數(shù)控機床中最常采用的執(zhí)行元件之一[1]。步進電機的性能與其驅(qū)動電路密切相關，為了提高步進電機的步進分辨率，微步驅(qū)動是十分有效的措施[z]。另外，采用步進電機微步驅(qū)動，可以用機械直拖，省去了中間傳動環(huán)節(jié)，不僅使進給精度得到保證，也使得進給系統(tǒng)的頻率響應大大提高。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，微步驅(qū)動技術不斷得到完善，出現(xiàn)了多種驅(qū)動器。但是，目前國內(nèi)的微步驅(qū)動器往往是針對某一種類步進電機獨立設計的，通用性較差，國外的通用驅(qū)動器價格又比較昂貴，而且對外接口單一，通常只有RS232接口[3]。因此，研制一種通用的驅(qū)動系統(tǒng)很有必要。這種驅(qū)動器應具有以下幾個特征：驅(qū)動電路性能良好，功耗低、效率高、體積�。煌ㄓ眯院�，驅(qū)動器應具有一定的智能控制功能，不需硬件改劫就能驅(qū)動多種步進電機；接口多，除了能接收脈沖信號外，還應有RS232等多種接口，以便和其它系統(tǒng)通訊，使其不但是一個獨立的驅(qū)動器，而且是一個智能驅(qū)動模塊。
本文利用脈寬調(diào)制電流控制技術和單片機技術設計了通用驅(qū)動器，滿足了上述要求。文中對驅(qū)動器的軟硬件設計作了詳細介紹。
2驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計
整個硬件結構如圖1所示，它包括控制通用型步進電動機微步驅(qū)動系統(tǒng)電路、驅(qū)動電路和接口電路三個部分，設計電路時，嚴格按照STD模板尺寸設計。
控制電路主要由單片機最小系統(tǒng)、譯碼器、微動開關、DlA轉(zhuǎn)換和環(huán)分電路組成。微動開關與單片機8031的Pl口相連，用于不同場合的步進電機相數(shù)設置、細分數(shù)設置以及不同連接接口的設置。8031單片機系統(tǒng)是控制電路的核心，用于不同需要的軟件以子程序或中斷服務程序存儲于程序存儲器中。執(zhí)行步進命令時，單片機把電機電流對應的數(shù)字量輸入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)端口，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出量經(jīng)環(huán)分電路輸送給驅(qū)動電路。DlA轉(zhuǎn)換器可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的需要選擇8位的DAC0832或12位的DAC12 30，只要改變相應的軟件即可。
驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)制技術實現(xiàn)微步驅(qū)動中各相平均電流的控制，脈寬調(diào)制由專用集成芯片TL494完成，簡化了電路的設計，而且電路的可靠性和抗干擾能力都大大提高。脈寬調(diào)制后的電流控制信號變成不同脈沖寬度同頻率的一系列脈沖串，這些脈沖串與功放電路的輸入相連，控制功放管的導通和關斷。在控制不同相屯流時，功放管始終工作于開關狀態(tài)，發(fā)熱少，省去了散熱裝置，減小了驅(qū)動電路的體積，這是功放管工作于放大狀態(tài)時所不能做到的。最末一級功放管采用VMOS管，它是一種電壓型驅(qū)動元件，對驅(qū)動電流的要求很低，但是考慮到其柵源間的電容，在它的輸入級前又增加了一級推挽驅(qū)動，使驅(qū)動脈沖的上升沿和下降沿都很陡，功放管的導通和關斷過渡時間更短，進一步降低了功率損耗。對于不同額定電流的步進電機，反饋信號的放大倍數(shù)可以調(diào)整，實踐表明，所設計的驅(qū)動電路對于額定電流小于3A以下的反應式步進電機都是適用的。
接口電路的多樣性使系統(tǒng)的適應性更強。在系統(tǒng)設計中，除了用單片機的P3,3、P3.4作為系統(tǒng)的脈沖驅(qū)動接口外，還應用1488、1489擴展了RS232接口，應用兩片數(shù)據(jù)鎖存器擴展了STD總線接口，這主要是出于系統(tǒng)用在多軸聯(lián)動控制時的考慮。另外，硬件中還用555設計了脈沖發(fā)生器，使系統(tǒng)可以獨立地用于步進電機不同速度下的轉(zhuǎn)動。
3 系統(tǒng)的軟件設計
軟件設計是本系統(tǒng)適應性強的關鍵。本設計的突出特點是用同一電路，不用改變硬件連線，只要設計不同的控制軟件，就可以方便靈活地實現(xiàn)多種控制方案，圖2是系統(tǒng)的軟件總體結構簡圖。
3.1針對不同相數(shù)步進電機的設計
在設計中考慮了系統(tǒng)可以用于多種步進電機的特點，因此可以用于驅(qū)動三相、四相、五相反應式步進電機。如果要求微步驅(qū)動的步距角是均勻的，對于不同相數(shù)的步進電機，即使額定電流相同，驅(qū)動電流的波形也是不一樣的。要實現(xiàn)一個驅(qū)動器用于不同電流波形的驅(qū)動，對于硬件電路是很難實現(xiàn)的，而對于軟件就容易得多，只需將離散的不同電流波形存儲于程序存儲器的不同區(qū)域，8031的CPU使用時正確調(diào)用即可。另外，對于不同相數(shù)的步進電機，環(huán)行分配器也是不同的，這也靠軟件環(huán)分實現(xiàn)，不同的環(huán)分表以表格數(shù)據(jù)存儲于程序存儲器中，在初始化時根據(jù)需要調(diào)入內(nèi)存，在程序中控制模擬開關的選通信號。如驅(qū)動四相反應式步進電機時，兩片D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形如圖3所示，對應的選通信號分別是001和010，oV模擬信號所對應的選通信號為000，相應的環(huán)形分配表就是表1的形式。電機繞組產(chǎn)生如圖4所示的微步驅(qū)動電流波形。系統(tǒng)和外部的信息交換更加靈活多樣，尤其是STD總線接口，被定義地址后，外部可以通過不同的命令，控制系統(tǒng)的動作。
3.2針對不同通訊方式的設計
在STD總線通訊方式時；外部命令向本系統(tǒng)8031的CPU申請中斷，系統(tǒng)命令的執(zhí)行靠中斷服務程序完成。系統(tǒng)接到中斷申請后，先向外部發(fā)出響應口令。然后，系統(tǒng)針對不同命令執(zhí)行相應的操作，再向外部發(fā)出相應口令。系統(tǒng)針對不同命令執(zhí)行相應的操作，再向外部發(fā)出相應口令，通知外部。圖5給出了與外界通訊的軟件框圖。系統(tǒng)的8031本身具有串行通訊的能力，與RS232的連按很簡單，雖然串行通訊相對較慢，但系統(tǒng)用于多軸聯(lián)動控制時，與微機可采用這種方式通訊，軟件中命令的執(zhí)行與STD總線通訊方式相似。表1微步驅(qū)動的環(huán)形分配表
3.3 可變微步距的設計步角
從硬件電路的介紹中可知，在使用前可以通過微動開關設置不同的微步距。但在一些應用場合，步距角實時可變是必要的。如在電火花加工伺服控制中，精密加工時，進給速度慢，放電間隙小，為了正確地跟蹤放電間隙、穩(wěn)定加工，要求進給步距角小；而在空載進給或短路回退時，步距角應該較大，節(jié)省時間。由于系統(tǒng)有多種通訊方式，步距角的改變就簡單了，只要定義改變步距角的命令即可。系統(tǒng)用DAC0832作DlA轉(zhuǎn)換器時，考慮轉(zhuǎn)換誤差，可以40細分，變步距后可以增加20、10、8、5、4、2、1七種細分數(shù)設置，如果細分數(shù)更多或精度更高，可選用DAC1230代替DAC0832。
4結語
實踐表明，系統(tǒng)通用性強、可靠性好、安全性強。
|
