【文章內容簡介】 所圖13 步進電機和驅動器簡圖以步距的誤差不是長期地積累下去的；控制性能好。起動停車，反轉及其他任何運行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式都不會丟失一步。因此，作為伺服電動機應用于控制系統(tǒng)時，往往可以使系統(tǒng)簡化，工作可靠而且獲得高的控制精度。在多數(shù)情況下，可以代替直流伺服電動機和交流伺服電動機。步進電動機不同于其它電機在于它必定要有專用驅動電源，否則就不能正常工作。所以，發(fā)展推廣步進電動機就與驅動電源的研究開發(fā)分不開。目前步進電動機驅動電源種類繁多而且各具特點。 步進電機驅動電源大家知道，步進電動機的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。例如，從電子計算機送出的數(shù)字控制脈沖就是單一碼。變換器的基本構成形式由機械變換器發(fā)展到電子變換器。目前由于電子技術迅速發(fā)展，機械變換器在步進電動機中已不再使用。這里只對電子變換器即驅動電源作介紹。步進電動機的驅動電源由環(huán)形分配器和功率放大器兩部分組成，環(huán)形分配器是每臺電機一個，而功率放大器則是每相一套。環(huán)行分配器主要使電機各相繞組按一定的順序和時間導通并根據輸入指令使電機正轉或反轉，實際上就是用以確定電機的工作方式。由此，環(huán)行分配器要按照電機的工作方式來進行設計。功率放大器的主要功用是根據電機或負載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號進行放大。驅動電源要求完整、準確、靈敏地執(zhí)行控制指令，具有足夠的功率，抗干擾能力強。當然還有一些對設備的基本要求，如體積小、結構簡單、成本低、維修方便以及安全可靠等。 電機驅動器的選擇清淤機器人驅動電機的選型為：載體步進電機的型號為VRDM31117，其額定扭矩為12Nm；刀具步進電機的型號為VRDM31122，；調節(jié)壓緊步進電機的型號為VRDM397，其額定扭矩為2Nm；收放直流減速電機的型號為TYV330DC，額定電壓為24V。其中，步進電機為德國百格拉公司生產的步進電機。 步進電機驅動器的選擇步進電機驅動器選擇德國百格拉公司的WD3007和WD3008。驅動器WD3007主要驅動2Nm12Nm三相混合式步進電機，因此它用來驅動載體步進電機和調節(jié)壓緊步進電機。，因此它用來驅動刀具步進電機。這兩個驅動器的電氣性能基本相同。輸入電壓220VAC，控制信號電壓5VDC，與百格拉電機配套性能最佳。1. 電氣參數(shù)如下表表2 WD3007的電氣參數(shù)輸入電壓單相220V輸入（30%~+20%）；頻率：45~66Hz輸入電流輸出電壓3325VAC輸出電流~功 耗功耗：80W；內部保險：溫 度工作溫度小于50℃；存放溫度40℃~70℃濕 度不能結露，不能有水珠氣 體禁止有可燃氣體和大量導電灰塵2. WD3007的主要特點：1）交流伺服工作原理，交流伺服運行特性，三相正弦電流驅動輸出。2）只要環(huán)境溫度不超過55℃，驅動器就可以正常工作。3）電路板采取三防處理，有過熱、過壓、欠壓、過流及相間短路保護功能。4）驅動器的輸入電源是220VAC，變化范圍是：30%~+20%。5）電機和驅動器間僅用3根線，減少連線出錯的可能性。6）幾乎無共振和爬行，輸出相電流可設置，帶有十細分和半流功能特性，噪聲幾乎與交流伺服電機一樣。7）比同樣尺寸的反應式步進電機所產生的功率大20%左右。8）電機的扭矩與它的轉速有關，而與電機每轉的步數(shù)無關。9）電機每轉步數(shù)可依用戶要求分別設定為500、1000、5000、10000步/轉。10）由于驅動器采用了正弦電流驅動。11）電機上下電時，輸出軸位置不變，給工作帶來很大方便。3. 連線及參數(shù)設置：圖14 WD3007面板圖4. 控制信號定義PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電機轉動一步。DIR：方向信號輸入端，如“DIR”為低電平，電機按順時針方向旋轉；“DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉。CW：正轉信號，每個脈沖使電機正向轉動一步。CCW：反轉信號，每個脈沖使電機反向轉動一步。RESET：復位信號，如復位信號為低電平時，輸入脈沖信號起作用，如果復位信號為高電平時就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無保持扭矩。READDY: 輸入報警信號。READY是繼電器開關，當驅動器正常工作時繼電器閉合，當驅動器工作異常時繼電器斷開。繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mA≤I≤200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當驅動器正常工作時繼電器閉合，外部24VDC通過繼電器輸入到CNC輸入端，否則外部24VDC無法輸入到CNC輸入端。注意：PULSE+與CW+，PULSE與CW，DIR與CCW對應同一個接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。下面為脈沖、方向信號時序圖： 圖15脈沖、方向信號時序圖 5. 控制信號連接上位機的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。當高有效時，把所有控制信號的負端連在一起作為信號地，低有效時，把所有控制信號的正端連在一起作為信號公共端。 注意：公共端不能與大地（殼體）接到一起。“”為控制方式選擇開關，兩種狀態(tài)對應兩種控制方式。下表中列出了控制信號高有效和低有效時的接線方式。表3 控制信號接線方式控制方式高電平有效接線低電平有效接線ON正轉和反轉PULSE+接正轉信號DIR+接反轉信號PULSE與DIR短接為信號地PULSE接正轉信號DIR接反轉信號PULSE+與DIR+短接為公共端OFF脈沖和方向PULSE+接脈沖信號DIR+接方向信號PULSE與DIR短接為信號地PULSE接脈沖信號DIR接方向信號PULSE+與DIR+短接為公共端 直流電機驅動器的選擇直流電機驅動器選擇美國國家半導體公司的LMD18200。LMD18200是美國國家半導體公司推出的專用于直流電動機驅動的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅動電流可達6A，正常工作電流可達3A，具有很強的驅動能力，無 “shotthrough” 電流，而且此種芯片內部還具有過流保護的測量電路，只需要在LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即可保護電路過流，從而實現(xiàn)電路的過流保護功能。LMD18200的5腳為PWM波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調節(jié)電機的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機的正反轉。此電路和以上幾種驅動電路比較具有明顯的優(yōu)點，驅動功率大，穩(wěn)定性好，實現(xiàn)方便，安全可靠。其內部結構原理圖如下：圖16 LMD182000內部結構原理圖1. 各引腳的功能11腳：橋臂2的自舉輸入電容連接端，在腳1與腳腳10與腳11之間應接入10nF的自舉電容。10腳：H橋輸出端。3腳：方向輸入端。轉向時，輸出驅動電流方向見表3，該腳控制輸出1與輸出2 （腳10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉的方向。4腳：剎車輸入端。剎車時，輸出驅動電流方向見表4，通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，腳3的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用器件。3腳為邏輯高電平時，H橋中兩個高端晶體管導通。3腳呈邏輯低電平時，H橋中兩個低端晶體管導通。腳4置邏輯高電平，腳5置邏輯低電平時，H橋中所有晶體管關斷。此時，每個輸出端只有很小的電流（1. 5mA）。5腳：PWM信號輸入端。PWM信號與驅動電流方向的關系見表3，該端與3腳（DIRECTION）如何使用，決定于PWM信號類型。7腳：電源正端與負端。8腳：電流取樣輸出端，提供電流取樣信號。9腳：溫度報警輸出。提供溫度報警信號，芯片結溫達145℃時，該端變?yōu)榈碗娖?，結溫達170℃時，芯片關斷。表4 邏輯真值表PWM轉向剎車實際輸出電流HHL流出1，流入2HLL流入1，流出2L——L流出1，流出2HHH流出1，流出2HLH流入1，流入2L——HNONE2. LMD18200主要特點1）額定電流3A，峰值電流6A。2）電源電壓55V。3）功率晶體管導通電阻RDS為0. 38。4）TTL和CMOS兼容的控制信號輸入。5）內含防橋臂單側直通電路。6）芯片過熱報警輸出和自動關斷。7）內部的充電泵電路提供橋路上臂兩管的柵極電壓。3. 控制方式LMD18200提供雙極性方式（也稱反向鎖定控制）和單極性方式（也稱方向脈寬控制）兩種工作方式。在雙極性工作方式中，單個的PWM信號接入LMD18200的DIR端子，由PWM信號的占空比大小控制電機的轉向和轉速，當占空比為50%時，UAB電壓的平均值為零，電機靜止；當占空比為75%時，UAB平均值大于零，電機正轉；當占空比為25%時，UAB的平均值小于零，電機反轉。使用單極性工作方式，在單極性這種工作方式中，PWM脈沖信號接在LMD18200的PWM端，而方向信號接在DIR端，PWM端脈沖信號的占空比決定電機轉速，而DIR端的電平高低決定電機轉向。如果控制器能提供PWM和DIR信號，則使驅動器工作在單極性方式，這樣構成的系統(tǒng)為全數(shù)字式，避免了模擬電壓的溫漂和噪聲干擾等不利影響。4. 驅動器電路設計圖17為所設計的驅動器電路原理圖： 圖17 驅動器電路原理圖5. 基本工作原理1）電流取樣每輸出1A電流，腳8輸出377nA的取樣電流。接在8腳與地之間的電阻將其轉化為電壓信號，該電壓幅值在58V之間時，線性度與精度最佳。該端最高電壓12V。電流取樣電路并不檢測反饋電流，僅檢測橋臂上端晶體管中的電流。2）溫度報警標志該端（9腳）為OC門輸出，該端通常接到系統(tǒng)控制器的中斷輸入，以便過熱時對系統(tǒng)采取適當措施。該端最高電壓為12V。3）限流LMD18200內部含有限流保護電路。該電路檢測器件中的電流，該電流接近10A時，迅速關斷功率器件。器件關斷后，保護電路周期性的重新試圖開通功率器件。一旦外界短路故障消失，器件就能夠恢復正常運行。由于短路將產生大量熱量，因此，實際使用時，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時，為了散熱，芯片電源端VCC（腳6）在PCB板上需要1平方英寸的銅箔。4）充電泵電路如圖18所示，開通高端的DMOS管時，每個器件的柵極電壓應比電流取樣電壓約高8V。采用內部充電泵電路可獲取該電壓。利用內部300kHz的振蕩器對內部自舉電容充電可獲得14V電壓，該驅動電壓的上升時間為20ns，可保證器件的開關頻率達1kHz；開關頻率更高時，可采用外部自舉電容，并由DMOS管對該自舉電容充電，H橋輸出端與自舉端接入10nF外部電容，可提供上升時間達100ns的驅動電壓，從而保證開關頻率達到500kHz。圖18 內部充電泵電路/自舉電路5）內部續(xù)流二極管H橋中四個DMOS管都有續(xù)流（保護）二極管，高端續(xù)流二極管流過6A的反向電流時，反向恢復時間為70ns，反向恢復電流為1A。同樣條件下，低端續(xù)流二極管的反向恢復時間為100ns，反向恢復電流為4A。3 基于PLC的清淤機器人控制系統(tǒng)設計3 基于PLC的清淤機器人控制系統(tǒng)設計 清淤機器人的控制過程根據唐山市排水管道的實際情況及前面的分析，確定PLC控制清淤機器人的過程如下：1. 按下啟動按鈕，載體電機正轉、收放電機反轉和刀具電機正轉啟動，延時2S后刀具電機開始啟動。2. 清淤機器人在工作過程中，通過高速計數(shù)指令完成載體打滑、電機過載、遇大障及工作位置輸出的檢測。因為清淤機器人在工作過程中可能會打滑或電機過載，會使載體速度變慢；遇到障礙或者出現(xiàn)故障，載體停止，如果有工作位置的顯示，工作人員可以很方便的查出出現(xiàn)障礙的位置和清淤機器人出現(xiàn)故障的位置，方便及時處理問題。當清淤機器人不能向前運動時，光電編碼器停止輸出脈沖給高速計數(shù)器，利用高速計數(shù)功能當檢測到當前值等于上一時間段的值時，說明清淤機器人遇障并停止工作。3. 清淤機器人到達右井口行程開關時或按下手動返回按鈕，PLC接收到右行程開關發(fā)出的導通信號，使刀具電機停止，載體電機反轉、收放線電機正轉使清淤機器人返回。4. 當清污機到達左井口行程開關時，接收到左行程開關發(fā)出的導通信號，清淤機器人停止。因為將行程開關安裝在工作管道的對面管口處，所以不用停車延時，使載體電機和收放電機直接停止工作。此時，報警器開始報警。調節(jié)電機反轉，直到調節(jié)裝置回到原位，調節(jié)電機停止。5. 如果需要急停時，按下急停按鈕，四臺電機全部停止。 PLC的選型和通信 PLC的選型在工程設計選型和估算時應詳細分析工藝過程的控制要求，明確控制任務和范圍，確定所需的操作和動作；然后，根據控制要求估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設備的選擇等；最后，設計選擇有較高性能價格比的PLC和相應的控制系統(tǒng)。首先確定系統(tǒng)用PLC是單機控制還是用PLC形成網絡，由此計算PLC的輸入輸出點數(shù)，并且在選購PLC時要在實際需要點數(shù)的基礎上有一定的余量（10%）。然后列出被控對象輸入輸出的設備名稱，并根據所帶的輸入輸出點數(shù)進行統(tǒng)計。在統(tǒng)計時，應考慮為了控制的要求而增加的一些開關、按鈕或報警的信號，例如，增加總的供電開關、為手動需要而增加的手動自動開關、為聯(lián)鎖需要設置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關等。80點以內的系統(tǒng)選用不需擴展模塊的PLC單機，當系統(tǒng)較大時，就需擴展。不同公司的產品，對系統(tǒng)總點數(shù)及擴展模塊的數(shù)量都有限制。當擴展不能滿足要求時，可采用網絡結構；同時，在一些廠家產品的個別指令不支持擴展模塊，因此，在進行軟件編制時要注意。在S7200系列PLC中，一臺PLC中只有兩個高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個PWM脈沖輸出來控制三臺步進電機和一臺直流