步进电机控制

步进电机控制,步进,电机,机电,控制,节制 89C2051驱动步进电机的电路和源码程序stepper.c stepper.hex /* * STEPPER.C * sweeping steppers rotor cw and cww 400 steps * Copyright (c) 1999 by W.Sirichote */ #include c:mc518051io.h /* include i/o header file */ #include c:mc518051reg.h register unsigned char j,flag1,temp; register unsigned int cw_n,ccw_n; unsigned char step8=0x80,0xc0,0x40,0x60,0x20,0x30,0x10,0x90 #define n 400 /* flag1 mask byte 0x01 run cw() 0x02 run ccw() */ main() flag1=0; serinit(9600); disable(); /* no need timer interrupt */ cw_n = n; /* initial step number for cw */ flag1 |=0x01; /* initial enable cw() */ while(1) tick_wait(); /* wait for 10ms elapsed */ energize(); /* round-robin execution the following tasks every 10ms */ cw(); ccw(); cw() if(flag1&0x01)!=0) cw_n-; /* decrement cw step number */ if (cw_n !=0) j+; /* if not zero increment index j */ else flag1&=0x01; /* disable cw() execution */ ccw_n = n; /* reload step number to ccw counter */ flag1 |=0x02; /* enable cww() execution */ ccw() if(flag1&0x02)!=0) ccw_n-; /* decremnent ccw step number */ if (ccw_n !=0) j-; /* if not zero decrement index j */ else flag1&=0x02; /* disable ccw() execution */ cw_n = n; /* reload step number to cw counter */ flag1 |=0x01; /* enable cw() execution */ tick_wait() /* cputick was replaced by simpler ASM code 10ms wait */ asm JNB TCON.5,*; /* wait for TF0 set */ asm CLR TCON.5; /* clear TF0 for further set */ asm ORL TH0,#$DC; /* reload TH0 with $DC, TL0 = 0 */ energize() P1 = step(j&0x07); /* only step 0-7 needed */ 电路图返回顶部 打印 一种控制步进电机转速的方法 刘 清 (南京师范大学 ,江苏南京 210042 ) 中图分类号 :TM383. 6 文献标识码 :E 文章编号 :1004 - 7018( 2004) 01 - 0047 - 01 1 用系数乘法器实现步进电机调速 对步进电机进行高精度和平滑调速 ,就需要高精度和平 滑变化的输入脉冲频率。而采用硬件定时器无法产生高精度 频率的脉冲信号 ,对脉冲信号的频率也无法实现高分辨率的 平滑调整。为此 ,作者设计了一个利用系数乘法器产生频率 在 1 9999. 9 Hz 范围内 ,最小分辨率为 0. 1 Hz 平滑变化的脉 冲信号 ,实现步进电机的高精度和平滑调速。 1. 1 系数乘法器的作用 采用系数乘法器产生频率高精度 、平滑变化的脉冲信号 的电路原理如图 1 所示。它由 5 片 CD4527 串联组成。输入 图 1 系数乘法器原理图 信号由时钟信号分频产生 ,频率 f 为 1MHz ,比例系数乘法器的 系数输入端 A1 A4 、 B1 B4 、 C1 C4 、 D1 D4 、 E1 E4 ,分别接到 8155 的输出口 PA0 PA7、 PB0 PB7 、 PC0 PC3 ,由单片机将设置 的系数送到 8155 输出口 ,从而使比例系数乘法器的系数产生 变化 ,变化范围在 1 9999. 9 之间 ,而乘法器输出信号的频率 F 为 : F = (10000A + 1000B + 100 C + 10 D + E) f/ 100000 其最高频率是 A = B = C = D = E = 9 时 ,输出信号频率 F = 9999. 9 100Hz ;其最低频率是 A = B = C = E = D = 0 时 ,输出 信号频率 F = 0。通过改变乘法器输入系数 ,可使乘法器输出 信号的频率平滑变化 ,即系数乘法器系数每变化 1 ,乘法器输 出信号频率变化为 : F = ( f/ 100000) 1 = 10Hz 系数乘法器输出信号不是方波脉冲 ,不能直接作为步进 电机的输入脉冲 ,所以必须进行处理。处理的方法是将系数 乘法器的输出信号作为 8155 芯片定时器的计数脉冲 ,并使定 时器工作在连续方波输出方式。通过对系数乘法器输出脉冲 计数 ,定时器输出驱动步进电机的脉冲信号。 为实现高精度步进电机调速 ,根据电机的调速范围 ,将定 时器时间常数设置分为三种情况 : 当步进电机调速范围要输入脉冲频率 f 1000Hz 时 , 8155 定时器时间常数为 100。这样 ,系数乘法器系数每变化 1 ,乘法器输出信号频率变化 10Hz ,定时器的输出脉冲频率变 化 0. 1Hz ,且最高频率为 9999. 9Hz。相对误差 0. 1 %。 当步进电机调速范围要输入脉冲频率 100 f 1000Hz 时 ,8155 定时器时间常数为 1000。这样 ,系数乘法器系数每变 化 1 ,定时器的输出脉冲频率变化 0. 01Hz ,且最高频率为 999. 99Hz。相对误差 0. 1 %。 当步进电机调速范围要输入脉冲频率 f 100Hz 时 , 8155 定时器时间常数为 10000。这样 ,系数乘法器系数每变化 1 ,定时器的输出脉冲频率变化 0. 001Hz ,且最高频率为 99. 999 Hz。相对误差 0. 1 %。 1. 2 用系数乘法器实现步进电机调速 用系数乘法器实现步进电机控制器如图 2 所示 ,它由 89C51 单片机、 8155 接口、系数乘法器、 CH250 相位分配器以及 人机接口组成。 图 2 步进电机控制器 1. 2. 1 步进电机的高精度速度控制 根据步进电机的运行速度 ,首先计算出输出到相位分配 器的脉冲信号频率 f ;然后 ,由步进电机运行速度的范围确定 8155 定时器的时间常数 X ;最后 ,确定系数乘法器的系数 A、 B、 C、 D、 E。时间常数和系数的设置由单片机实现。 1. 2. 2 步进电机的平滑起动与变速 步进电机能够响应的变速频率比较低 ,在进行步进电机 的起动和变速时 ,若起动和变速频率大于步进电机的允许的 极限变速频率时 ,步进电机将失步。例如 :步进电机允许加速 度 a 200 步 / s2 ,即 :所对应的驱动脉冲频率变化加速度为 fa 400Hz ,若超过这个范围 ,步进电机将失步。为了使步进电 机在起动和变速时不产生失步 ,在此采用驱动脉冲频率定时 递增 (减 )的方式进行起动和变速 ,即 :每 2. 5 ms 使系数乘法器 的“十位”系数 1 ,驱动脉冲该频率递增 (减 ) 1Hz ,这样经 CH250 后 ,步进电机变速的加速度 300 步 / s2 ,而不会使步 进电机失步。 2 结 语 采用定时器实现步进电机的速度控制 ,因定时器产生的 脉冲信号频率不是线性变化的 ,所以无法实现步进电机的高 精度和平滑调速。为此 ,作者设计了一个采用系数乘法器的 步进电机控制器 ,该控制器可以使步进电机驱动信号的频率 高精度、平滑变化 ,使原用定时器无法解决的问题 ,在此变得 十分简单。另外 ,用该控制器控制步进电机转速 ,实现汽车车 速表校验的检测系统已在重庆长安汽车公司投入使用。 为进一步提高本刊的编辑质量 ,请您对此文在读 者服务卡上圈上数字代码 : 有价值 ,请圈 39 ;没有价值 ,请圈 40。 74 微特电机 2004 年第 1 期 R 读者园地eaders home 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 一种高精度步进式位置伺服系统设计本文来自2006年第5期“交流伺服系统”上 ,已经被阅读过462次关键词： 运动控制卡步进电机位置伺服系统细分驱动器 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机，在数字控制系统中作为执行电动机，由专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电脉冲的驱动器驱动。步进电机易于起动、停止、正反转及变速，响应性好。步进电机可用数字信号直接进行开环控制组成位置控制系统，并且系统定位度高，具有良好的跟踪性能，没有积累误差。步进电机转子的位移量是严格正比于输入脉冲数，平均转速严格正比于输入脉冲频率。尤其是混合式步进电动机具有小步距角、快速启停、消耗功率小、断电时有定位转矩的特点，越来越多在工业中得到应用。同时采用细分控制策略又大幅度提高步进电动机了分辨率，并且有效地抑制单步运行中所产生的噪声和振荡现象，无需专门的阻尼器，既减小了控制器的体积，又降低了成本。利用两相混合式步进电机及细分驱动器的优点，基于DEC4T运动控制卡组成一套双坐标的位置伺服控制系统。该系统配备了基于网络技术的视窗交互式控制软件，可以实现二维运动轨迹的合成、插补运算以及在线高速轨迹跟踪和控制，同时具有图示化的编程功能。基于该平台可方便的实现各种数控系统的实验及仿真研究。系统控制方案及软硬件结构设计 以步进电机及其驱动器作为的执行部件的位置伺服系统，它最大的优点就是能够在开环系统中达到精确的控制。在该开环步进式位置伺服系统中指令信号是单向流动的，由DEC4T卡发出的指令脉冲，经细分驱动器、两相混合式步进电机，通过滚珠丝杠驱动双坐标平台移动。系统开环控制方案如图1所示。 图1 系统开环控制方案图基于ISA总线的运动控制卡 DEC4T运动控制卡是德国MOVTEC公司开发出来的针对ISA总线的运动控制卡。它用于控制步进电机和数字伺服电机，最多可以控制4轴4联动，进行直线、圆弧插补和样条函数等运动。DEC4T运动控制卡作为步进电机的上位单元，与计算机构成主从式控制结构。计算机主要完成人机交互界面的管理、控制系统的检测和控制工作；运动控制卡接收计算机CPU的发出的指令，进行运动轨迹的规划。这包括脉冲的方向和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信号的检测。系统具有软件搜索参考点和软件限位功能，这样可以保证电机和滚珠丝杠等精密部件不在系统运行中损坏。系统执行机构 系统的执行机构采用整体式稀土永磁混合两相步进电动机，该类电机兼有反应式和永磁式步进电机的优点。它既可以像反应式步进电机一样实现小步距角运转，有较高的起动和运行频率；同时又可以像永磁式步进电机那样，控制功率小，功耗低，输出力矩大，具有定位转矩。为了减小低速转矩脉动和噪音，提高运行平稳性、分辨率和精度，电机采用小步距角细分控制，以确保步进电机不丢步，速度实现连续平滑调节。步进伺服系统控制器与步进电机平台如图2所示。 图2 步进伺服系统控制器与步进电机平台系统的控制软件 系统采用通用数控软件EdiTasc来实现对硬件的控制功能。其中包括连续点动、搜索参考点、软件限位、在线编写运动轨迹等。EdiTasc是由德国MOVTEC公司为了控制多轴运动控制卡开发出来基于PC机Windows操作系统下实时运行的通用数控软件。它是一个高度开放的开发平台，可以直接控制各种工业自动化设备，方便的开发专用的界面和控制系统。其汉化软件可以识别国际标准的DIN66025G代码和MTASC高级语言。EdiTasc由底层运动控制软件和用户操作界面组成，底层运动控制软件跟运动控制卡建立通讯，对运动控制卡的插补运动进行控制，同时也可以对所需要的参数进行设置。Editasc软件可以接收来自多种CAD/CAM软件产生的加工程序，如Mastercam、海尔软件、文泰软件等。图3所示为步进式位置伺服软硬件系统结构设计原理图。 图3 步进式位置伺服软硬件系统结构设计原理图 步进电机脉冲频率的确定及参数验算 步进电机主要参数：脉冲分配方式为两相四拍，步矩角0.9，静态相电流3A，保持转矩1.0N.m，空载起动频率2KPPS，转动惯量0.23kg.cm2。为了计算脉冲频率必须先确定脉冲当量P，即每一个电脉冲负载产生的直线位移量。步进电机细分驱动器采用8细分，由此，其中0.9为半步驱动方式时的步矩角，t4mm为丝杠螺距，i1为传动比。因此，可以得出脉冲当量P0.00125mm/p。 系统的快速直线插补运动速度为200mm/s，此时步进电机转速为3000r/min，精度为0.01mm。在键盘上每一次按键运动控制卡发出的脉冲为8个，转换成位移量为P80.01mm。而丝杠螺距为4mm，步进电机转动一圈需要的脉冲数为360/（0.9/8）3200个，电机转动一圈丝杠位移为一个螺距，即4mm。因此，丝杠位移0.01mm时所需要的脉冲数为8个。这就是说，在步进电机转速为3000r/min时，运动控制卡发出的脉冲数等于步进电机所接收到的脉冲数，并且准确地转换为丝杠的直线位移。系统的性能研究系统的误差和精度分析 双坐标步进式位置伺服系统的误差主来源有两方面: 一是机械方面，包括滚珠丝杠副等传动部件； 二是电气方面，主要是步进电机。 滚珠丝杠副都进行了预紧，从理论上来讲消除了其出现误差的可能性。实际上对于有相对运动的传动部件，必然会存在间隙，因而丝杠反向运行时将会出现微小的空程，这个空程足可以影响系统的精度。同时丝杠的螺距误差和传动刚度对系统的精度也有很大的影响。 步进电机的步距角精度和振动对系统的精度也造成很大的影响。典型的步进电机的步距角精度可以达到35%，并且不积累。如图4所示为步进电机位置精度。当步进电机接收到一个脉冲信号转过一个角度会产生步距角误差，步距角误差为测量步距角度和理论步距角度的差。当步进电机转过N个步，并且从电机开始转动的初始位置测量电机转过的角度为N， 设步距误差为N，则NNN，其中为步进电机的步距角。一般用户根据步距误差的最大与最小值之差来计算，即。 图4 步进电机位置精度提高系统性能的措施 为了消除滚珠丝杠的空程影响可以通过软件和硬件两方面来实现。采用补偿电路或者是软件补偿方法，补偿滚珠丝杠的空程和螺距误差，以提高系统的位移精度。在该系统中选用高精度的滚珠丝杠副和坐标运动机械平台从机械结构方面保证系统的精度，并且控制软件来保证系统的精度。EdiTasc能够在插补运动时按设定的时间段周期性的与运动控制卡DEC4T建立通讯，使DEC4T获得相关轴运动的速度和长度，软件具有预读功能和预加速/减速功能，这样可以保证速度的恒定和平稳过渡。运动控制软件自动计算位置偏差，并根据该差值对位置偏差进行PID调节，以保证系统精确运动，运动控制卡DEC4T按接收的指令自行控制步进电机进行插补运动。 两相混合式步进电机采用微步驱动模式，可以达到平滑的运动轨迹，提高分辨率、消除振动，从而提高了系统的精度。运动控制卡可以实现控制脉冲的精确定时功能，采取了抗干扰措施。 结语 以两相混合式步进电机为执行部件的位置伺服系统是一个典型的机电一体化系统，具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。通过该系统可以掌握各类数控的基本原理、运动控制的基本概念、运动控制系统的集成方法。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。该系统符合工业现场标准，可以直接进行工业现场控制。本文摘自伺服控制三相反应式步进电机驱动器的设计 【论文摘要】介绍了三相反应式步进电机驱动器的一种设计方法。将LM331接成电压/频率（V/F）转换方式，使输入控制电压转换成一定宽度的脉冲信号，利用PMM8713将输入脉冲信号分配成一定相序的控制步进电机各相通断的脉冲信号，通过功率驱动电路来驱动三相反应式步进电机工作。 1、引言 随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自动化控制中得到广泛的应用。步进电机是一种完成数字/模拟转换的执行元件。步进电机区别于其他控制用途电动机的最大特点是，步进电机接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号转换成与之相对应的角位移或直线位移。步进电机另一重要的特点是其必须与相应的驱动电路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动电路的类型和实际参数。因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统中的关键部分。本文主要介绍三相反应式步进电机驱动器的一种实用电路，该驱动电路的系统框图如图1所示。 2、脉冲分配器PMM8713 PMM8713是由日本Sanyo（三洋）电机公司生产的步进电机控制用的脉冲分配器（又称逻辑转换器），为双列直插式16脚单片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。励磁有1相、2相和1-2相三种方式，通过电路设计可任选其中一种激励方式。此外，PMM8713还具有单时钟或双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复位功能。其内部有（1）时钟选通，（2）激励方式控制，（3）可逆环形计数，（4）激励方式判断等电路。PMM8713所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。输出电流大于20mA，可直接驱动微型步进电机。引脚如图2所示。各引脚功能说明：C（）、（）是双时钟工作的时钟输入端。C端接正转时钟；C端接反转时钟。CK（PIN3）为单时钟输入端，此时步进电机的正反转由U/D（PIN4）脚来控制。在电路处于单时钟输入控制的前提下，当U/D=高电平时，则输出端输出正转脉冲序列；当U/D=低电平时，则输出端输出反转脉冲序列。E（）和E（）为激励方式选择端。E时，为双激励方式；E时，为1-2相激励方式；E或10(即两电平相反)时，为单激励方式。3/4（PIN7）为三相或四相选择控制端。当该脚=0时，为三相输出；当该脚=1时，为思想输出，通过该脚可以选择控制三相或四相步进电机。AD（PIN1310）为4个相驱动端。3相用AC（D=0），4相用AD端。EM（PIN14）是激励方式状态标志。双激励方式该端输出为高电平；单激励方式该端输出为低电平；1-2相激励时该端输出两倍时钟周期的脉冲。C0（PIN15）为输入时钟检测端。当该电路有时钟脉冲输入时，在C端可输出同步于时钟的脉冲。R（PIN9）为复位控制端，加低电平使输出端AD复位为表1所示的初始状态。（其中0表示低电平，1表示高电平）。 3、电压-频率变换器LM331 LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚如图3所示。 LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为440V，输出也高达40V。I（PIN1）为电流源输出端，在f（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源输出对电容充电。引脚2（PIN2）为增益调整，改变的值可调节电路转换增益的大小。f（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由t和t决定。引脚4（PIN4）为电源地。引脚5（PIN5）为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）为电源正端。 4、驱动器系统电路 驱动器系统电路由电压-频率变换电路LM331、脉冲分配器PMM8713和四电路通用运算放大器LM348等构成，如图4所示。外接电阻Rt、电容Ct、内部定时比较器、复零晶体管和R-S触发器等构成单稳定时电路。当输入端Vi+输入的电压大于i-输入端的电压时，f输出逻辑低电平。同时，电流源对电容充电。电源也通过电阻t对电容t充电。当电容t两端的充电电压大于的2/3时。输出端f0输出为逻辑高电平。此时，电容Cr通过内部电路放电；对电阻放电。当放电电压等于输入电压i时，输入比较器再次输出高电平，f输出逻辑低电平。如此反复循环，构成自激振f荡。根据电容上电荷平衡原理和相关的电学知识，我们可以推导出：fi/(t）。t为充电时间，由定时元件Ct和Rt决定；I为内部精密电流源输出电流。可得出输出频率f0和输入电压Vi成正比。从而由运动控制系统输出的可变电压信号经PMM8713变换后产生可变的频率信号，控制步进电机的转速。 方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。当Vdi大于基准电压时，U3A输出为正，接至PMM8713的第四脚，控制输出端输出正相脉冲序列。当di小于基准电压时，输出端为负，接至PMM8713的第四脚，控制输出端输出负相脉冲序列，相应相驱动输出端输出正反相脉冲序列，从而控制步进电机的正反转。 由LM331给出的输入指令是输入时钟f和方向指令DIR，这两个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713的相驱动输出端（PIN10PIN13）的驱动电流达20mA以上，能直接驱动微型步进电机。、为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内R端为低电平，从而AD端自动复位至初始状态（参见表1）。如果外接的步进电机功率较大，PMM8713输出驱动端驱动能力不够。此时应设计功率放大驱动电路，然后再驱动步进电机。PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极（或栅极）驱动信号。步进电机驱动方式，按相绕组流过的电流是单向或双向，可分为单极性和双极性驱动。通常，三相步进电机采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析，又有电压驱动和电流驱动之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻，一方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。 5、结束语 根据上述电路设计的步进电机驱动器结构简单、成本低、性能稳定。采用此系统设计的三相反应式步进电机驱动器驱动55BF004型三相反应式步进电机，已成功地应用在小距离驱动和位置跟踪等设置中，运行效果良好。 6、参考文献 1郝鸿安.3-4相步进电机控制器5G8713J.电子技术，1991，8 2李华MCS-51系列单片机实用接口技术M.北京航空航天大学出版社,1999,2内置译码器的步进电机微步进驱动芯片A3977 应用2007-04-26 11:161引言随着微步进电机应用的日益广泛，其驱动电路的发展也相当迅速，各类控制芯片的功能越来越丰富，操作也越来越简便。A3977是一种新近开发出来、专门用于双极型步进电机的微步进电机驱动集成电路，其内部集成了步进和直接译码接口、正反转控制电路、双H桥驱动，电流输出25A，最大输出功率可接近90W。它主要的设计功能包括：自动混合模式电流衰减控制，PWM电流控制，同步整流，低输出阻抗的DMOS电源输出，全、半、14及18步进操作，HOME输出，休眠模式以及易实现的步进和方向接口等。其应用电路结构简单、使用及控制方便，有着极其广泛的应用价值。2A3977工作特点大多数微步进电机驱动器都需要一些额外的控制线，通过DA转换器为PWM电流调节器设置参考值以及通过相输入完成电流极性控制等。许多改进型驱动器仍然需要一些输入来调整PWM电流控制模式使其工作在慢、快或混合衰减模式。这就需要系统的微处理器额外负担812个需依靠DA变换处理的输入端。如果一个系统需要如此多的控制输入，而且其微处理器还要存储实现其控制的时序表，这就增加了系统的成本和复杂程度。A3977可以通过其特有的译码器来使这些功能实现简单化，如图1所示，其最简单的步进输入只需“STEP”（步进）和“DIR”（方向）2条输入线，输出由DMOS的双H桥完成。通过“STEP”脚简单的输入1个脉冲就可以使电机完成1次步进，省去了相序表，高频控制线及复杂的编程接口。这使其更适于应用在没有复杂的微处理器或微处理器负担过重的场合。同时A3977的内部电路可以自动地控制其PWM操作工作在快、慢及混合衰减模式。这不但降低了电机工作时产生的噪声，也同时省去了一些额外的控制线。另外，其内部低输出阻抗的N沟道功率DMOS输出结构，可以使其输出达到25A，35V。这一结构的另一优点是，使它能完成同步整流功能。由于有同步整流流功能，既降低了系统的功耗，又可以在应用时省去外加的肖特基二极管。 A3977的休眠功能可以使系统不工作时的功耗达到最低。休眠时芯片的大部分内部电路，如输出DMOS、比较器及电荷泵等都将停止工作。从而在休眠模式时，包括电机驱动电流在内的总电流消耗在40A以内。此外，内部保护电路还有利用磁滞实现的热停车、低压关断及换流保护等功能。集成电路的主要特点： （1）额定输出为：25A，35V。 （2）低输出阻抗，源端045，接收端036。（3）自动电流衰减检测并选择混合、快和慢等电流衰减模式。 （4）逻辑电平范围为3055V。 （5）HOME输出。 （6）降低功耗的同步整流功能。（7）内部低压关断、热停车电路及环流保护。3A3977引脚说明A3977有两种封装：一种是44引脚铜标塑封（后缀为ED，A3977SED），另一种是28引脚带散热衬垫的塑封（后缀为LP，A3977SLP），其引脚功能说明如表1所示。电荷泵CP1、CP2可以产生一个高于VBB的门电平，用来驱动DMOS源端的门。其实现方法是在CP1和CP2之间接一个022F的陶瓷电容。同时VCP和VBB间也需要一个022F的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个022F的陶瓷电容作为一个蓄能器，用来操作DMOS的高端设备。VREG是由系统内部产生，用于对DMOS漏端输出进行操作。VREG引脚须对地加一个022F的电容去耦。VREG是受内部的电平调节器控制的，发生故障时其输出是被禁止的。RC1和RC2引脚是为内部PWM电路提供固定截止时间的。A3977的内部PWM控制电路是用一个脉冲来控制器件的截止时间的。而这个脉冲的84截止时间toff就是由RC1和RC2引脚对地所接的电阻RT和电容CT决定的，即：toffRT CT式中，电阻RT和电容CT的取值范围分别为12100k及4701 500pF另外，除了可以为内部PWM控制提供截止时间外，CT还为比较器提供了关断时间tBLANK。A3977的设计要求当其输出由内部电流控制电路切换时，电路取样比较器的输出是被禁止的。从而可以防止对过电流检测作出误判断。tBLANK的取值为：tBLANK1400CTENABLE输入为低电平有效，它是DMOS输出的使能控制信号。RESET输入也是低电平有效，当其为低电平时，DMOS的输出将被关断，所有的步进逻辑输入也将被忽略直至其输入变高为止。4基本功能说明及应用电路由于采用了内置译码器技术，A3977可以很容易的使用最少的控制线对步进电机实施微步进控制。具体功能实现如下：（1）步进控制：步进控制信号有步进输入（STEP）、步进模式逻辑输入（MS1，MS2）以及方向控制信号（DIR）。每一次上电或复位（RESET0）后，在内置译码器的作用下将H桥的输出预置到HOME输入所对应的输出状态，然后当STEP输入的上升沿到来后，内置译码器将根据步进逻辑的输入值（步进模式见表2）控制H桥的输出，使电机在当前步进模式下产生1次步进。步进的方向由DIR的输入逻辑控制，其高、低电平分别控制双相电机正反转。 注：全步进转过的角度为45。（2）内部PWM电流控制：每一个H桥都有一个有固定截止时间的PWM电流控制电路，以限制其负载电流在一个设计值。初始时，对角线上的一对源接收DMOS（一对上下桥臂）处于输出状态，电流流经电机绕组和SENCE脚所接的电流取样电阻（见图1）。当取样电阻上的压降等于DA的输出电压时，电流取样比较器将PWM锁存器复位，从而关断源驱动器（上桥臂），进入慢衰减模式；或同时关断源接收驱动器（上下桥臂）进入快或混合衰减模式，使产生环流或电流回流至源端。该环流或回流将持续衰减至固定截止时间结束为止。然后，正确的输出桥臂被再次启动，电机绕组电流再次增加，整个PWM循环完成。其中，最大限流Imax是由取样电阻RS和电流取样比较器的输入电平VREF控制的：ImaxVREF8RS固定截止时间toff的计算如上所述。（3）电流衰减模式控制：A3977具有自动检测电流衰减及选择电流衰减模式功能，从而能给微步进提供最佳的正弦电流输出。电流衰减模式由PFD的输入进行控制，其输入电平的高低控制输出电流处于慢、快及混合衰减模式。如果PFD的输入电压高于06VDD，则选择慢衰减模式。如果PFD的输入电压低于021VDD，则选择快衰减模式。处于二者之间的PFD电平值将选择混合衰减模式。其中混合衰减模式将一个PWM周期的固定截止时间分为快、慢两个衰减部分。当电流达到最大限流Imax后，系统将进入快衰减模式直至SENCE上的取样电压衰减至PFD的端电压VPFD。经过tFD的快衰减后，器件将切换至慢衰减模式直至固定截止时间结束。 其中，器件工作在快衰减模式的时间tFD为： tFDRTCrln（06VPFDVPFD）（4）同步整流控制：同步整流控制是由SR的逻辑输入控制的。当SR输入为低电平时，同步整流功能将被启动。此期间，当检测到电流为零值时，可通过关闭同步整流功能来防止负载电流反向，从而防止了电机绕组反方向导通。而当SR输入为高电平时，同步整流将被禁止。（5）休眠模式：当SLEEP引脚输入为低电平时，器件将进入休眠模式，从而大大降低器件空闲的功耗。进入休眠模式后器件的大部分内部电路包括DMOS输出电路、调节器及电荷泵等都将停止工作。当其输入为高电平时，系统恢复到正常的操作状态并将器件的输出预置到HOME状态。（6）典型应用电路：其典型应用电路如图1所示，可见其应用电路是非常简单的，其正常工作时仅需5个逻辑输入即可。5应用注意事项（1）PFD引入端应加一个01F的电容去耦。（2）布线时应布一个较厚的地层，最好在本器件周围布上星形地。 （3）最好将芯片直接焊接在线路板上。（4）为VBB引脚加一个大于47F的电解电容去耦（越靠近芯片越好）。（5）为保证输出电流取样的精确，最好使取样电阻有自己单独的地，并将其连到器件周围的星形地上，而且引线越短越好。（6）当系统由休眠模式退出后，最少要延迟1ms才可以输入步进命令，从而为驱动DMOS的电荷泵复位提供充裕的时间 同步带成型工序中的排线控制 杭州应用工程技术学院机电系 (310012) 杨娅君 杭州电子工业学院自动控制系 (310012) 陈德传 【摘要】 本文介绍一种用于同步带成型机中 的排线控制系统。该系统采用 80C31 为控制器核 心 ,以步进电机为执行机构 ;排线间距通过柜面板上 的拨码盘给定 ,可调范围大 ,精度高 ,操作简单方便。 该排线控制系统已在浙江某厂成功应用。 关键词 同步带 成型机 排线控制 1 引言 同步带传动是近年来国际上发展较快的一种传 动技术 ,它兼有带传动、链传动、齿轮传动三者之长 处 ,已在纺织、汽车、烟草、轻工、机床等行业广泛应 用 1。排线是同步带成型生产中的一道重要工序 , 线绳排列密度的大小和均匀性对同步带的拉伸强 度、疲劳寿命等产品质量指标影响很大 ,线绳排列均 匀 ,则生产出的传动带质量稳定 2。因而 ,线绳排列 密度的大小和均匀性是传动带生产设备中的一个重 要技术参数 ,也是衡量生产设备先进性的一个重要 指标。目前 ,国内大部分生产同步带的中、小型企业 的同步带成型中的排线间距控制仍用机械式的方法 进行调整 ,可调范围小、操作不便 ,适应面较窄。由 于设备落后 ,线绳排列不均匀 ,这些企业生产的产品 其寿命仅为进口同类产品寿命的 10 % - 40 %3。 我们研制的用于同步带成型的排线控制系统 , 采用 80C31 为控制器核心 ,以步进电机为执行机构 , 线绳间距大小可通过控制柜面板上的拨码盘给定 , 操作简单 ,直观方便 ,排线均匀。该系统已用于我们 为浙江某厂研制的一台传动带成型机中。工业现场 的运行结果表明采用该排线控制系统生产的同步带 的拉伸强度、疲劳寿命等产品质量指标均优于原来 设备生产的产品。 2 排线控制系统组成及功能 图 1 是排线控制系统示意图 。与该排线控制有 关的机械部分在 C6132 机床床身的基础上进行设 计 ;主电动机的速度仍用机械式换档方法进行调整 ; 进给部分保留溜板 ,改用步进电机驱动 ,步进电机通 过滚珠丝杆 ,带动溜板上的绕线头进行横向运动。 图 1 所示的控制系统功能如下 : (a) . 可进行单线 / 双线、左 / 右方向排线 ,单根线 径可在 012 - 115mm范围内变化 ; (b) . 排线线距可通过控制面板拨码盘设置在 0 - 1mm内可调 ; (c) . 最大排线长度为 500mm ; (d) . 主机速度可设 9 档 ; (e) . 设有主机点动和步进电机点动功能。 图 1 排线控制系统示意图 3 控制系统硬件构成 控制系统硬件构成如图 2 示 。为提高系统的可 靠性 ,除了输入、输出信号采用光电隔离外 ,对单片 机系统增设了以 IMP813L 为主的 116 秒 WDT功能 , 有效地克服工控系统的“死机”问题。另外 ,为保证 运动机构的安全性 ,对限位开关采取了“双冗余”措 施。 图 2 排线控制系统硬件构成框图 6 现代机械 2002 年 第 2 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 4 控制软件设计 排线控制系统的主程序框图如图 3 示 。此外 , 由于本系统的主电机 (交流异步电动机 M0) 工作于 不调速的开关状态 ,为保证系统起动与制动 (停车 ) 过程中的排线均匀性不受主电机动态转速变化的影 响 ,则步进电机的运行频率要符合图 4 示规律。 图 3 排线控制系统主程序框图 图 4 步进电机脉冲频率分配曲线 5 结束语 排线控制系统已在粉尘多 、湿热的生产环境中 运行 ,结果表明该系统的控制精度符合要求 ,且系统 简单可靠 ,具有良好的推广应用前景。 参 考 文 献 1 张传智 . 橡胶同步带的损坏形式及改进措施 . 橡胶工业 , 1996(3) :P182 - 184. 2 曾宪奎等 . 设备工艺因素对 V 带性能的影响 . 橡胶工 业 ,1999 (10) :P615 - 618. 3 张敦等 . 汽车同步带的研制 . 特种橡胶制品 ,1999 (2) : P35 - 42. (上接第 15 页 ) 图 7 小 ,根据齿面磨损量计算公式 (20) 可知齿顶及齿根 处齿面磨损很小 ;当轮齿位于节点附近啮合时 ,由于 轮齿间相对滑移速度较小或等于零 ,所以齿间摩擦 系数 fV 较大 ,故齿面磨损很大。因此 ,高速齿轮机 构长期运行后由于磨损轮齿齿廊不再维持渐开线的 形状 ,它们可能呈现近似如图 7 b 所示的齿廓形状。 由于高速齿轮机构长期运行后被磨损轮齿的齿 廓将不再维持渐开线的形状 ,所以高速齿轮机构在 设计寿命后期的运行过程中振动或冲击在所难免。 参 考 文 献 1 A. Molinari ,Dependence of the Coefficient of Friction on the Sliding Conditions in the High Velocity Range. Journal of Tri2 bology , the American Society of Mechanical Engineers ,Jan. 1999. 2 Shigley J E ,Unicker JJ . Theory of Machines and Mechanisms M . New York ,McGraw - Hill Company ,1980. 3 Peter Lynwander. Gear Drive Systems ,Design and Application , MARCEL DEKKER ,INC. New York and Basel ,1983. 4 郑文纬 ,吴克坚 . 机械原理 (第七版 ) . 北京 ,高等教育出 版社 ,2000. 5 上海交通大学 ,清华大学 . 精密机械与仪器零部件设计 . 上海交通大学出版社 ,1990. 6 张剑峰 ,周志芳 . 摩擦磨损与抗磨技术 . 天津 :天津科技 翻译出版社 ,1993. 7 邵荷生 ,曲敬伎 . 摩擦与磨损 . 北京 :北京煤炭工业出版 社 ,1992. 8 英 J .霍林 . 摩擦学原理 . 北京 :机械工业出版社 ,1981. 9 苏 . B. 克拉盖尔斯基 . 摩擦磨损计算原理 . 北京 :机 械工业出版社 ,1982. 7同步带成型工序中的排线控制 杨娅君 陈德传 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.