【文章內(nèi)容簡介】 所圖13 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)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(zhuǎn)及其他任何運(yùn)行方式的改變，都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會丟失一步。因此，作為伺服電動機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，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(jī)和交流伺服電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)不同于其它電機(jī)在于它必定要有專用驅(qū)動電源，否則就不能正常工作。所以，發(fā)展推廣步進(jìn)電動機(jī)就與驅(qū)動電源的研究開發(fā)分不開。目前步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源種類繁多而且各具特點(diǎn)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源大家知道，步進(jìn)電動機(jī)的控制指令是單一碼，就是一串脈沖方波。例如，從電子計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字控制脈沖就是單一碼。變換器的基本構(gòu)成形式由機(jī)械變換器發(fā)展到電子變換器。目前由于電子技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)械變換器在步進(jìn)電動機(jī)中已不再使用。這里只對電子變換器即驅(qū)動電源作介紹。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)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(jī)一個(gè)，而功率放大器則是每相一套。環(huán)行分配器主要使電機(jī)各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通并根據(jù)輸入指令使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)際上就是用以確定電機(jī)的工作方式。由此，環(huán)行分配器要按照電機(jī)的工作方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)。功率放大器的主要功用是根據(jù)電機(jī)或負(fù)載的需要，將環(huán)行分配器輸出的各相電信號進(jìn)行放大。驅(qū)動電源要求完整、準(zhǔn)確、靈敏地執(zhí)行控制指令，具有足夠的功率，抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)然還有一些對設(shè)備的基本要求，如體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便以及安全可靠等。 電機(jī)驅(qū)動器的選擇清淤機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)的選型為：載體步進(jìn)電機(jī)的型號為VRDM31117，其額定扭矩為12Nm；刀具步進(jìn)電機(jī)的型號為VRDM31122，；調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)的型號為VRDM397，其額定扭矩為2Nm；收放直流減速電機(jī)的型號為TYV330DC，額定電壓為24V。其中，步進(jìn)電機(jī)為德國百格拉公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選擇德國百格拉公司的WD3007和WD3008。驅(qū)動器WD3007主要驅(qū)動2Nm12Nm三相混合式步進(jìn)電機(jī)，因此它用來驅(qū)動載體步進(jìn)電機(jī)和調(diào)節(jié)壓緊步進(jìn)電機(jī)。，因此它用來驅(qū)動刀具步進(jìn)電機(jī)。這兩個(gè)驅(qū)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(jī)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(nèi)部保險(xiǎn)：溫 度工作溫度小于50℃；存放溫度40℃~70℃濕 度不能結(jié)露，不能有水珠氣 體禁止有可燃?xì)怏w和大量導(dǎo)電灰塵2. WD3007的主要特點(diǎn)：1）交流伺服工作原理，交流伺服運(yùn)行特性，三相正弦電流驅(qū)動輸出。2）只要環(huán)境溫度不超過55℃，驅(qū)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(hù)功能。4）驅(qū)動器的輸入電源是220VAC，變化范圍是：30%~+20%。5）電機(jī)和驅(qū)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(shè)置，帶有十細(xì)分和半流功能特性，噪聲幾乎與交流伺服電機(jī)一樣。7）比同樣尺寸的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大20%左右。8）電機(jī)的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)。9）電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)可依用戶要求分別設(shè)定為500、1000、5000、10000步/轉(zhuǎn)。10）由于驅(qū)動器采用了正弦電流驅(qū)動。11）電機(jī)上下電時(shí)，輸出軸位置不變，給工作帶來很大方便。3. 連線及參數(shù)設(shè)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(gè)脈沖的上升沿使電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。DIR：方向信號輸入端，如“DIR”為低電平，電機(jī)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；“DIR”為高電平電機(jī)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。CW：正轉(zhuǎn)信號，每個(gè)脈沖使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動一步。CCW：反轉(zhuǎn)信號，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動一步。RESET：復(fù)位信號，如復(fù)位信號為低電平時(shí)，輸入脈沖信號起作用，如果復(fù)位信號為高電平時(shí)就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機(jī)無保持扭矩。READDY: 輸入報(bào)警信號。READY是繼電器開關(guān)，當(dāng)驅(qū)動器正常工作時(shí)繼電器閉合，當(dāng)驅(qū)動器工作異常時(shí)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(fù)載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到CNC的某輸入端。當(dāng)驅(qū)動器正常工作時(shí)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(yīng)同一個(gè)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(shí)序圖： 圖15脈沖、方向信號時(shí)序圖 5. 控制信號連接上位機(jī)的控制信號可以高電平有效，也可以低電平有效。當(dāng)高有效時(shí)，把所有控制信號的負(fù)端連在一起作為信號地，低有效時(shí)，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?！啊睘榭刂品绞竭x擇開關(guān)，兩種狀態(tài)對應(yīng)兩種控制方式。下表中列出了控制信號高有效和低有效時(shí)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)PULSE+接正轉(zhuǎn)信號DIR+接反轉(zhuǎn)信號PULSE與DIR短接為信號地PULSE接正轉(zhuǎn)信號DIR接反轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動器的選擇直流電機(jī)驅(qū)動器選擇美國國家半導(dǎo)體公司的LMD18200。LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)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(qū)動電流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力，無 “shotthrough” 電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)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(hù)電路過流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。LMD18200的5腳為PWM波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此電路和以上幾種驅(qū)動電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如下：圖16 LMD182000內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)接入10nF的自舉電容。10腳：H橋輸出端。3腳：方向輸入端。轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)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(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。4腳：剎車輸入端。剎車時(shí)，輸出驅(qū)動電流方向見表4，通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。剎車時(shí)，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(dá)所用器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中兩個(gè)高端晶體管導(dǎo)通。3腳呈邏輯低電平時(shí)，H橋中兩個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平，腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷。此時(shí)，每個(gè)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(qū)動電流方向的關(guān)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(fù)端。8腳：電流取樣輸出端，提供電流取樣信號。9腳：溫度報(bào)警輸出。提供溫度報(bào)警信號，芯片結(jié)溫達(dá)145℃時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖?，結(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。表4 邏輯真值表PWM轉(zhuǎn)向剎車實(shí)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(diǎn)1）額定電流3A，峰值電流6A。2）電源電壓55V。3）功率晶體管導(dǎo)通電阻RDS為0. 38。4）TTL和CMOS兼容的控制信號輸入。5）內(nèi)含防橋臂單側(cè)直通電路。6）芯片過熱報(bào)警輸出和自動關(guān)斷。7）內(nèi)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(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，當(dāng)占空比為50%時(shí)，UAB電壓的平均值為零，電機(jī)靜止；當(dāng)占空比為75%時(shí)，UAB平均值大于零，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)占空比為25%時(shí)，UAB的平均值小于零，電機(jī)反轉(zhuǎn)。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(jī)轉(zhuǎn)速，而DIR端的電平高低決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。如果控制器能提供PWM和DIR信號，則使驅(qū)動器工作在單極性方式，這樣構(gòu)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(qū)動器電路設(shè)計(jì)圖17為所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器電路原理圖： 圖17 驅(qū)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(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓幅值在58V之間時(shí)，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(bào)警標(biāo)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(shí)對系統(tǒng)采取適當(dāng)措施。該端最高電壓為12V。3）限流LMD18200內(nèi)部含有限流保護(hù)電路。該電路檢測器件中的電流，該電流接近10A時(shí)，迅速關(guān)斷功率器件。器件關(guān)斷后，保護(hù)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(fù)正常運(yùn)行。由于短路將產(chǎn)生大量熱量，因此，實(shí)際使用時(shí)，LMD18200必須配備面積足夠大的散熱器。同時(shí)，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(shí)，每個(gè)器件的柵極電壓應(yīng)比電流取樣電壓約高8V。采用內(nèi)部充電泵電路可獲取該電壓。利用內(nèi)部300kHz的振蕩器對內(nèi)部自舉電容充電可獲得14V電壓，該驅(qū)動電壓的上升時(shí)間為20ns，可保證器件的開關(guān)頻率達(dá)1kHz；開關(guān)頻率更高時(shí)，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(shí)間達(dá)100ns的驅(qū)動電壓，從而保證開關(guān)頻率達(dá)到500kHz。圖18 內(nèi)部充電泵電路/自舉電路5）內(nèi)部續(xù)流二極管H橋中四個(gè)DMOS管都有續(xù)流（保護(hù)）二極管，高端續(xù)流二極管流過6A的反向電流時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間為70ns，反向恢復(fù)電流為1A。同樣條件下，低端續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間為100ns，反向恢復(fù)電流為4A。3 基于PLC的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3 基于PLC的清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 清淤機(jī)器人的控制過程根據(jù)唐山市排水管道的實(shí)際情況及前面的分析，確定PLC控制清淤機(jī)器人的過程如下：1. 按下啟動按鈕，載體電機(jī)正轉(zhuǎn)、收放電機(jī)反轉(zhuǎn)和刀具電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動，延時(shí)2S后刀具電機(jī)開始啟動。2. 清淤機(jī)器人在工作過程中，通過高速計(jì)數(shù)指令完成載體打滑、電機(jī)過載、遇大障及工作位置輸出的檢測。因?yàn)榍逵贆C(jī)器人在工作過程中可能會打滑或電機(jī)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(jī)器人出現(xiàn)故障的位置，方便及時(shí)處理問題。當(dāng)清淤機(jī)器人不能向前運(yùn)動時(shí)，光電編碼器停止輸出脈沖給高速計(jì)數(shù)器，利用高速計(jì)數(shù)功能當(dāng)檢測到當(dāng)前值等于上一時(shí)間段的值時(shí)，說明清淤機(jī)器人遇障并停止工作。3. 清淤機(jī)器人到達(dá)右井口行程開關(guān)時(shí)或按下手動返回按鈕，PLC接收到右行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號，使刀具電機(jī)停止，載體電機(jī)反轉(zhuǎn)、收放線電機(jī)正轉(zhuǎn)使清淤機(jī)器人返回。4. 當(dāng)清污機(jī)到達(dá)左井口行程開關(guān)時(shí)，接收到左行程開關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號，清淤機(jī)器人停止。因?yàn)閷⑿谐涕_關(guān)安裝在工作管道的對面管口處，所以不用停車延時(shí)，使載體電機(jī)和收放電機(jī)直接停止工作。此時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。調(diào)節(jié)電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到調(diào)節(jié)裝置回到原位，調(diào)節(jié)電機(jī)停止。5. 如果需要急停時(shí)，按下急停按鈕，四臺電機(jī)全部停止。 PLC的選型和通信 PLC的選型在工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的控制要求，明確控制任務(wù)和范圍，確定所需的操作和動作；然后，根據(jù)控制要求估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器的容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備的選擇等；最后，設(shè)計(jì)選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。首先確定系統(tǒng)用PLC是單機(jī)控制還是用PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計(jì)算PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并且在選購PLC時(shí)要在實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上有一定的余量（10%）。然后列出被控對象輸入輸出的設(shè)備名稱，并根據(jù)所帶的輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮為了控制的要求而增加的一些開關(guān)、按鈕或報(bào)警的信號，例如，增加總的供電開關(guān)、為手動需要而增加的手動自動開關(guān)、為聯(lián)鎖需要設(shè)置的聯(lián)鎖、非聯(lián)鎖開關(guān)等。80點(diǎn)以內(nèi)的系統(tǒng)選用不需擴(kuò)展模塊的PLC單機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，就需擴(kuò)展。不同公司的產(chǎn)品，對系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展模塊的數(shù)量都有限制。當(dāng)擴(kuò)展不能滿足要求時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，在一些廠家產(chǎn)品的個(gè)別指令不支持?jǐn)U展模塊，因此，在進(jìn)行軟件編制時(shí)要注意。在S7200系列PLC中，一臺PLC中只有兩個(gè)高速脈沖輸出端，但是控制系統(tǒng)要有四個(gè)PWM脈沖輸出來控制三臺步進(jìn)電機(jī)和一臺直流