基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王喜柱

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引 言

目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)在自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)發(fā)揮了重要作用[1]。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，特別是電子集成、電路應(yīng)用、電力部件、電子自動(dòng)化等的高速發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的應(yīng)用已經(jīng)從過去簡(jiǎn)單的操控儀器轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N高速快捷的動(dòng)力應(yīng)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)施對(duì)速度、加速度、位移等方面的精準(zhǔn)控制，使得驅(qū)動(dòng)的機(jī)械儀器能夠準(zhǔn)確、快速完成工作[2]。在步進(jìn)電機(jī)實(shí)際工作時(shí)，如果脈沖打進(jìn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)電力設(shè)施轉(zhuǎn)移固定的角。

1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電源模塊

測(cè)試所需裝備對(duì)驅(qū)動(dòng)壓力有較高要求，所以電源模塊尤為重要。在最大承載狀態(tài)下，測(cè)試裝備儀器需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)20個(gè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)壓力為45 V，每個(gè)機(jī)器的耗電量都極為龐大，所以總功率要在483 W及以上。通常會(huì)采用大功率電源和數(shù)路開關(guān)總壓芯片，減少電力負(fù)擔(dān)[3]。本文選擇的電源開關(guān)的主要指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為38O W、54 V，對(duì)于最大承載量來說，剛好能夠滿足實(shí)際需要，進(jìn)而降低電源開關(guān)的損耗，提高其使用壽命。開關(guān)總壓芯片主要采取LM2556-DAJ系統(tǒng)，芯片的調(diào)整范圍為1.33～34 V，輸出電流電路最高可達(dá)8 A。對(duì)電源模塊的框架來講，用一個(gè)ML2176的開關(guān)總壓芯片是不可能滿足需要的7 A電路，所以實(shí)驗(yàn)會(huì)設(shè)置三組ML2176的輸出電流，其中一組專門為單片機(jī)電路供電。

1.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊能夠直接連接系統(tǒng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)推動(dòng)單一模塊的控制發(fā)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中采取了雙極驅(qū)動(dòng)內(nèi)芯。這是一款能夠忍受高壓狀態(tài)并符合大容量電流要求的雙導(dǎo)向內(nèi)芯，工作電壓可達(dá)4 A，具備一定的溫度過高保護(hù)切斷裝備功能，意味著1塊L2028N就可以驅(qū)動(dòng)兩組步進(jìn)電機(jī)。圖1為L(zhǎng)2028N的功能框架圖。為了符合制造商既可以驅(qū)動(dòng)單極電路又能驅(qū)動(dòng)雙極電路的極高標(biāo)準(zhǔn)，除了采取L2028N來驅(qū)動(dòng)雙流電路外，還增辟一個(gè)OSNM性質(zhì)的壓力管，使二極管可以組成小組續(xù)流電路。四片步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該具備六根引線，處于單極驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，OSNM壓力管的Q1和Q2會(huì)聯(lián)合通路，使得小組電路接通公共電壓；而處在雙極驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，小組公共電壓不能連通電路或者截止Q1、Q2。

圖1 L2028N的電路圖

1.3 按鍵及液晶顯示模塊

鍵盤的檢查是通過讀取電路信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。為了減輕增加電路負(fù)擔(dān)，可以采取液晶模塊HO12032-29。這種模塊的核心部分主要是中碼顯示控制器ST0920，所以實(shí)驗(yàn)中面對(duì)單機(jī)液晶編程時(shí)，可以適當(dāng)以ST092O作為參考資料。ST092O同時(shí)滿足串聯(lián)和并聯(lián)的條件，因此為了節(jié)省接口空間，通常實(shí)行串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的方式。

1.4 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是中心單元控制系統(tǒng)的重要組成部分。利用高標(biāo)準(zhǔn)的AVR單片機(jī)Atgame16L，通過Atgame16L的DA接口可以對(duì)電源、電壓進(jìn)行檢查，利用通用數(shù)字KIOY接口可以進(jìn)行鍵鈕檢測(cè)。控制顯示液晶模擬模塊、電路驅(qū)動(dòng)控制模塊在切換電路時(shí)安排順序。Atgame16L是AVR單機(jī)的Mega系列產(chǎn)品中比較經(jīng)典的一款單機(jī)。它采用精英指令集合，具備IPSIM/zMH（每秒百萬條指令/兆赫茲）的高速分析能力，采用Haryvard總結(jié)構(gòu)獨(dú)自完成尋找地址存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、模擬操縱器等功能。CPU在執(zhí)行指令時(shí)，自動(dòng)將要執(zhí)行的指令摘錄放入寄送器，成功避免了經(jīng)典的MCS01系列單機(jī)中指令周期頻繁出現(xiàn)的問題，基本上全部指令限制在1～2個(gè)周期就可以結(jié)束。采用98個(gè)工作寄放器形成高速、便利存進(jìn)寄放器系統(tǒng)，以此替代傳統(tǒng)的增加器，有效解決了增加器和存放器之間信息輸送過慢問題。采用COSM使之具備休眠功能，有效降低了電力功耗。支持HIsP（hiSystemProgram）編程，其中Mega系列組合電路具備了AJTG（JnintTestActionGroup）、仿真功能。這項(xiàng)技術(shù)在支持編程外，還支持Basic、C等高級(jí)編程，極大便利了AVR單片機(jī)的開發(fā)。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Atmega16L開發(fā)環(huán)境

ATmegal6L單片機(jī)具備JGTA調(diào)試端口，且支持C語言，所以開發(fā)便捷。ARSVtudio（是Atmel公司推出的專利）作為開發(fā)AVR組合單片機(jī)的集成電路，集成了匯編、編譯、模擬、仿真和下載編程等功能，還支持源代碼高級(jí)調(diào)試，能與TKs500、AvRSP、GICJTAE等仿真編程軟件配合。在支持CVCAR等多方工具的基礎(chǔ)上（CVCAR是Craftmage公司推出的一個(gè)專門針對(duì)AVR組合單機(jī)的G編譯器），該編譯器具有環(huán)境單純、編碼效率高等優(yōu)點(diǎn)。GICEJTA主要在AVRStudio、單機(jī)的AJTG接口之間起協(xié)同轉(zhuǎn)換作用，價(jià)格比MCS81要低得多。用戶在VRICCA中編寫、編譯程序代碼時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)生成后綴為FCO的文件，之后在AVRStudio中打開文件。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)控

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有散射形脈沖和多射脈沖頻率，通過單機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際編程代碼時(shí)，將設(shè)置一個(gè)序列數(shù)組{Psu1eCode=8}和序列指針PtrPulse。序列數(shù)組中安置各個(gè)序列下的對(duì)應(yīng)信號(hào)，分別有NL298的N1～N4。如果處在10進(jìn)制磁方方位時(shí)，序列指針會(huì)嚴(yán)格遵守0-1-2-3-4-5-6-7-8-0的順序轉(zhuǎn)換。1進(jìn)制磁方方位時(shí)，序列指針會(huì)嚴(yán)格遵守0-2-4-6-8-0的順序轉(zhuǎn)換。0進(jìn)制磁方方位時(shí)，序列指針會(huì)嚴(yán)格遵守1-3-5-7-1的順序轉(zhuǎn)換。上述情況的轉(zhuǎn)換是在1進(jìn)位制中斷服務(wù)過程中進(jìn)行的，因而1的中斷已經(jīng)是另外一種形式的脈沖。

2.3 測(cè)試模擬

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)生產(chǎn)傳輸系統(tǒng)的測(cè)試流程重點(diǎn)是精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換頻率、延時(shí)操作等。定位Atmegal6L的18位定時(shí)器在1工作狀態(tài)時(shí)開啟，在快速KO模式時(shí)，使OMBOTT數(shù)值遞減到最大周，之后馬上重啟至OMBOTT重新開始。OMBOTT數(shù)值為0時(shí)，TOP數(shù)值可從RIC或RIocA兩者之間選擇，區(qū)別在于TOP峰值的下載和更新不一樣。為了保證不丟失數(shù)據(jù)模擬匹配結(jié)果，CRI在重啟時(shí)要保證計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TOP峰值，否則加速器P將一直計(jì)數(shù)到650 035。為保證本文提出的方法具備有效性，進(jìn)行模擬論證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)論證將采取相同生產(chǎn)線論證。為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，應(yīng)采用傳統(tǒng)傳輸方法，即每完成一條生產(chǎn)線后進(jìn)行產(chǎn)品傳輸作為實(shí)驗(yàn)論證對(duì)比，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品運(yùn)輸和出品速度行。實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果曲線，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)際結(jié)果證明，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)能保持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)，穩(wěn)定操作頁面。利用程序語言編寫代碼，低廉的AJTG調(diào)控器進(jìn)行源代碼調(diào)整，使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)加持的自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)極大地節(jié)省了成本，提高了整體的生產(chǎn)力。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)硬件設(shè)計(jì)中的電源模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵及液晶顯示模塊、單片機(jī)控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)的應(yīng)用。軟件設(shè)計(jì)中，通過對(duì)Atmega16L開發(fā)環(huán)境、轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)控的進(jìn)一步整合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)的優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)論證表明，設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法具備極高的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)榛诓竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)生產(chǎn)線傳輸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。