【導(dǎo)讀】TMSLF2407為核心控制器的點膠機控制系統(tǒng)。利用其片內(nèi)集成的事件管理模塊通過軟。件設(shè)計實現(xiàn)脈沖控制。此驅(qū)動系統(tǒng)提高了系統(tǒng)控制的性能、步進(jìn)電動機步距角的精度，從而實現(xiàn)了點膠機的精確定位。該設(shè)計簡單，實用，具有很高的擴展性。2點膠機系統(tǒng)總體方案設(shè)計-----------------------------------------------------------------------------4. 系統(tǒng)運動方式的確定------------------------------------------------------------------------------------4. 伺服系統(tǒng)的選擇-------------------------------------------------------------------------------------------4. 控制系統(tǒng)的選擇-------------------------------------------------------------------------------------------5. 3機械部分的計算與選型----------------------------------------------------------------------------------7. 步進(jìn)電動機的計算與選型---------------------------------------------------------------------10. 線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型--------------------------------------------------------------15. 進(jìn)電動機的計算與選型-----------------------------------------------------------------------17. 系統(tǒng)硬件電路的總體結(jié)構(gòu)-----------------------------------------------------------------------------22

　　

【正文】 。 2）移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定 Z 軸最快空載移動速度 m ax 450 0 / m inV mm? ，對應(yīng)的運行頻率： ? ?m a x 45 00 / ( 60 0. 01 ) 75 00f H z H z? ? ?。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 max N m??，基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 22 大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩1eqT = ? ，滿足要求。 3）快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度 m ax 450 0 / m inV mm? 對應(yīng)的電動機運行頻率為 maxf =7500Hz。BS57HB5603 電動機的空載運行頻率可達(dá) 30000Hz，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸 2eqJ = cm? ，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 kg cmJ ??，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載啟動頻率 2700qf Hz? ，則可以求出步進(jìn)電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率： 14931/qLe q mff H zJJ??? 上式說明，要想保證步進(jìn)電機起動時不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于1493Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100Hz。 綜上所述，本例中工作臺的進(jìn)給傳動選用 BS57HB5603 步進(jìn)電動機，安全。 步進(jìn)驅(qū)動器的選擇 步進(jìn)電機功率驅(qū)動器將 DSP輸出的控制脈沖放大到幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動能力。一般 DSP的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾～幾十伏特、幾十～幾百毫安。但對于功率步進(jìn)電機則要求幾十～上百伏特、幾安～十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進(jìn)行放大。 本設(shè)計采用深圳白山機電的 Q2HB44MA型步進(jìn)驅(qū)動器， Q2HB44MA為等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動器， 驅(qū)動電壓 DC1240V,適配 6或 8出線、電流在 4A以下、外徑 4286mm的各種型號的二相混合式步進(jìn)電機。該驅(qū)動器內(nèi)部采用獨特的控制電 路，用此電路可以使電機噪音減小，電機運行更平穩(wěn)，電機的高速性能可提高 30％以上，而驅(qū)動器的發(fā)熱可減少 50％。廣泛運用于雕刻機、激光打標(biāo)機等分辨率較高的小型數(shù)控設(shè)備上。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了點膠機機械部分的計算與選型。經(jīng)過計算，點膠機的三軸均由 KL系列 JSALG15型導(dǎo)軌副， 濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G系列 16043型滾珠絲杠副， 深圳白山機電公司生產(chǎn)的 BS57HB5603型步進(jìn)電機及 Q2HB44MA型步進(jìn)驅(qū)動器組成。 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 23 4．系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)控制 系統(tǒng)功能的設(shè)計要求，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 l所示。系統(tǒng)主要由DSP(TMS320F2407)、三驅(qū)動器、三混合式步進(jìn)電機構(gòu)成。本系統(tǒng)通過上位機串口傳輸給 CPLD，經(jīng) CPLD譯碼之后， DSP根據(jù)其發(fā)出的參考輸入信號，將其轉(zhuǎn)換為 PWM輸出，向 x軸向步進(jìn)電機、 Y軸向步進(jìn)電機和 Z軸向步進(jìn)電機發(fā)出控制脈沖，經(jīng)過隔離電路、驅(qū)動器的控制，對信號進(jìn)行驅(qū)動和轉(zhuǎn)換，來實現(xiàn)步進(jìn)電機的三坐標(biāo)控制 [10]。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計最關(guān)鍵的就是電機控制器的設(shè)計。電機控制器的結(jié)構(gòu)包括以下幾個主要部分 : （ 1） DSP 微處理器及外圍電路 。 （ 2）電源與 電平轉(zhuǎn)換電路 。 （ 3） JTAG 仿真接口 （ 4） CPLD 譯碼電路 （ 5）光電隔離電路 控制電路的結(jié)構(gòu)如圖所示： 鎖 相 環(huán) 外 接 濾 波 器仿 真 插 座D S PT M 3 2 0 L F 2 4 0 7 P W M復(fù) 位晶 振光 電 隔 離 步 進(jìn) 電 機 驅(qū) 動 器 步 進(jìn) 電 機點 膠 機絲 杠C P L DE P M 7 1 2 8 A E上 位 機 圖 41 控制電路框圖 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 24 DSP 電機控制器部分的硬件設(shè)計 DSP 外圍電路的設(shè)計 本設(shè)計采用的 TMS320LF2407DSP 微控制器共有 144 個引腳，其封裝形式為 PGE，其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)包括 :DSP 內(nèi)核、內(nèi)部 DRAM、內(nèi)部 SRAM、擴展存儲器界面、事件管理器 A、事件管理器 B、 JTAG 接口、數(shù)字 I/0 口、 10 位 A/D 模塊、 PLL 時鐘、 FLASHROM、CAN 控制器模塊、 SCIl 串行通訊模塊、 SPI 串行外設(shè)模塊、看門狗模塊 [11]。 DSP 微控制器的外圍電路包括 : （ 1） PLL 濾波器輸入電路，依據(jù)廠家給定的參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計要求，我們選擇PLL 濾波器輸入的諧振電阻為 11 歐姆，與之串聯(lián)的電容為 ，而與它們并聯(lián)的電容為 波器輸入電路，依據(jù)廠家給定的參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計要求，我們選擇 PLL 濾波器輸入的諧振電阻為 11 歐姆，與之串聯(lián)的電容為 ，而與它們并聯(lián)的電容為。 （ 2） 外部晶振電路，本設(shè)計采用了 10MHz 無源晶振作為 DSP 微控制器的外部振蕩器，其諧振電容選取 20pF。 （ 3） DSP 復(fù)位電路 控制器電源電路的設(shè)計 圖 42 電源轉(zhuǎn)換電路 其中芯片 TPS7333QD 為 TI公司專門為 DSP 驅(qū)動設(shè)計的數(shù)字電源，此處用作 DSP及外擴 RAM 的數(shù)字電源。它輸出 電壓并具有過 /欠電壓保護功能。當(dāng)外部電源的輸入電壓過高或過低時，其內(nèi)部的比較電路將輸出一個復(fù)位電壓，通過它的第 8 腳輸出送到 DSP 芯片的復(fù)位腳，使 DSP 復(fù)位從而達(dá)到保護 DSP 的作用 [12]。 串行通訊接口電路的設(shè)計 DSP內(nèi)部有一個串行通信 (SCI)接口模塊，來實現(xiàn)與其它外設(shè)之間的串行數(shù)據(jù)通信?；?DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 25 波特率可編程。 SCI的發(fā)送器與接收器都是雙緩沖的。各自有工作使能和中斷控制。可工作于全雙工模式 波特率可編程。 SCI模塊的結(jié)構(gòu) 模塊主要包括以下部件： （ 1）發(fā)送器 TX： SCITXBUF發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器，存發(fā)送數(shù)據(jù)。 TXSHF－發(fā)送移位寄存器，每次 1位送到 SCITXD引腳。 （ 2）接收器 RX： RXSHF－接收移位寄存器，每次 1位將 SCITXD引腳上的數(shù)據(jù)移入。 SCIRXBUF接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器，存 RXSHF接收到 數(shù)據(jù) （ 3） 一個可編程的波特率發(fā)生器。 圖 43 串行通訊接口電路 仿真接口電路的設(shè)計 在 TMS320LF2407DSP 微處理器內(nèi)部集成了眾多的外設(shè)模塊，只要添加較少的外圍電路，就能設(shè)計出各種接口電路，實現(xiàn)通訊、程序下載等功能。首先，控制器通過 JTAG接口與仿真器相連，由于 DSP 微處理器內(nèi)己經(jīng)集成了 JTAG仿真和測試模塊，所以 JTAG接口的設(shè)計比較簡單，將 DSP 微處理器的 JTAG 仿真和測試引腳引出即可。其設(shè)計如圖所示： 圖 44 JTAG 接口 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 26 CPLD 的設(shè)計 隨著大規(guī)模可編 程邏輯器件的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法已大為改觀。許多傳統(tǒng)的邏輯電路完全可以用可編程邏輯器件來代替，提高系統(tǒng)的可靠性，減小 PCB 的面積，使產(chǎn)品小型化，還有利于保護知識產(chǎn)權(quán)。 采用 可編程邏輯器件 進(jìn)行電路設(shè)計 已成為現(xiàn)代電子設(shè)計的一種必然趨勢。本文所介紹電路的接口模塊就是基于 CPLD 芯片完成的。 根據(jù)設(shè)計要求和綜合估算整個電路所需要的管腳和宏單元的個數(shù)， 本設(shè)計中選用ALTERA 公司的 MAX7000 系列中的 EPM7128AE， ALTERA 的 MAX 系列器件為高速設(shè)計應(yīng)用提供了非常高的性價比， MAX系列器件高性能和高密 度是基于它先進(jìn)的 MAX架構(gòu)，密度從 600 門到 12020 門。 MAX7000 系列提供了業(yè)界速度最快的可編程邏輯解決方案，包含有 32 至 512 個宏單元?；?CMOS EEPROM 工藝，傳播延遲最小為 ，可以實現(xiàn)速度高于 200MHz 的計數(shù)器。而且提供 PCI 兼容，非常適合高速設(shè)計使用 [31,32]。EPM7128AE 是 MAX7000A 系列的，支持 的在系統(tǒng)編程。且本設(shè)計中采用的 DSP芯片 TMS320LF2407A 供電電壓也為 ，方便了電路的設(shè)計 [13]。 CPLD 需要完成的功能是地址譯碼、將上位機傳 送過來的數(shù)據(jù)鎖存并輸入給 DSP。IOW為上位機向 DSP 傳送數(shù)據(jù)的控制信號， IOR為 DSP 向上位機傳送數(shù)據(jù)的控制信號。DSP 地址譯碼提供輸出控制信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方向與傳輸通道。 DSP 地址譯碼提供輸出控制信號控制數(shù)據(jù)的傳輸方向與傳輸通道。上位機向 DSP發(fā)送電機控制命令信息。本設(shè)計中包括 2 片 74373，作為從上位機中向 DSP 中傳送數(shù)據(jù)的鎖存器 [14]。 圖 45 上位機地址譯碼電路 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 27 光電隔離電路的設(shè)計 如下圖所示，是 DSP 的 EVA（事件管理器）傳過來的一路脈沖的光耦電路原理圖，PWM1 先 送給 SN7407（六門緩沖器 /驅(qū)動器），再送入光耦合器 6N137。將數(shù)字信號與模擬信號分開，提高抗干擾能力。 DSP 事件管理器輸出的另外五路脈沖的光電隔離原理圖與之相同。 圖 46 光電隔離電路 本章小結(jié) 本章介紹了點膠機控制電路的設(shè)計及其作用。系統(tǒng)控制電路由 DSP及外圍電路、電源與電平轉(zhuǎn)換電路、 JTAG仿真接口， CPLD譯碼電路、光電隔離電路組成。其中 DSP外圍電路包括 PLL濾波器輸入電路、外部晶振電路及 DSP復(fù)位電路。 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 28 5． 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 系統(tǒng)控制軟件的總體 組成 本設(shè)計的控制軟件部分主要是指 C源程序和匯編程序。其內(nèi)容主要包括以下各個部分，其中除了主程序以外其他部分都是子程序模塊，可以對這些模塊分別調(diào)試。 （ 1） 主程序，它包括各個中斷出入口的定義、各個模塊初始化、步進(jìn)步長。 開 始C P U 初 始 化I / O 初 始 化E V 初 始 化變 量 初 始 化等 待P W M 中 斷 服 務(wù)子 程 序T 3 中 斷 服 務(wù) 程序 T 2 中 斷 服 務(wù) 程序 圖 51 主程序流程圖 （ 2） PWM信號產(chǎn)生程序，這是本軟件最關(guān)鍵的部分，整個處理過程在 DSP的事件管理器 A(EVA)中完成。 TMSLF2407DSP帶有功能強大的通用 I/O口和 PWM 輸出功能，能同時輸出 16 路的PWM波 形，改變 PWM 的頻率可實現(xiàn)步進(jìn)電機的精確定位和速度控制。其輸出引腳極性將由控制寄存器 (ACTR)的控制位來決定，根據(jù)需要選擇高電平或低電平作為開通信號。 2407中有兩個事件管理器（ EV）單元，每個 EV中又有兩個通用定時器，可以為各種操作提供時間基準(zhǔn)。每個通用定時器中又包含以下幾種模塊： 基于 DSP控制的三坐標(biāo)點膠機器人（步進(jìn)電機驅(qū)動）的設(shè)計 29 1） 通用定時器增減計數(shù)器 TxCNT； 2） 16位通用定時器比較寄存器 TxCMPR； 3） 16位通用定時器周期寄存器 TxPR； 4） 16位通用定時器控制寄存器 TxCON。 寫相應(yīng)的 TxCON 設(shè)定計數(shù)模式：停止 /保持模式、連續(xù)增計數(shù)模式、定 向增減計數(shù)模式、連續(xù)增減計數(shù)模式。先向 TxPR賦值，設(shè)定脈沖的周期，然后向 TxCMPR賦值，就可以得到占空比從 0到 100%T的脈沖信號。利用 EV， PWM的輸出控制極為方便，它有以下一些特性： 1） 可根據(jù)電機頻率變動的需要快速的改變 PWM的載波率； 2） 可根據(jù)電機的需要快速改變 PWM的脈沖寬度； 3） 功率驅(qū)動的保護中斷； 4） 由于比較和周期寄存器的自動重載，使 CPU的負(fù)擔(dān)最小 [15]。 步進(jìn)電機的位置控制 步進(jìn)電機的位置控制需要兩個參數(shù)： 第 1個參數(shù)是步進(jìn)電機控制的執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，成為絕對位置。絕對位置是有極 限的，其極限是執(zhí)行機構(gòu)運動的范圍，超越了這個極限就應(yīng)報警。絕對位置需折算成步進(jìn)電機的步數(shù)。 第 2個參數(shù)是從