【正文】 進(jìn)電機(jī)，因此它用來(lái)驅(qū)動(dòng)刀具步進(jìn)電機(jī)。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電氣性能基本相同。輸入電壓220VAC，控制信號(hào)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 小于 安培 輸出電壓 3 325VAC 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(dòng)輸出。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 18 2）只要環(huán)境溫度不超過(guò) 55℃，驅(qū)動(dòng)器就可以正常工作。 3）電路板采取三防處理，有過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及相間短路保護(hù)功能。 4）驅(qū)動(dòng)器的輸入電源是 220VAC，變化范圍是： 30%~+20%。 5）電機(jī)和驅(qū)動(dòng) 器間僅用 3 根線，減少連線出錯(cuò)的可能性。 6）幾乎無(wú)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(wú)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(dòng)器采用了正弦電流驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率高達(dá) 。 11）電機(jī)上下電時(shí)，輸出軸位置不變，給工作帶來(lái)很大方便。 3. 連線及參數(shù)設(shè)置： PULSE/CW+PULSE/CWDIR/CCW+DIR/CCWRESET+RESETREADYREADYRDYTEMPFLTSTEP1STEP2DC+DCUVWPELNPEWD3 007信號(hào)接口：PULSE+—電機(jī)輸入控制脈沖信號(hào)；DIR+——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)；RESET+—復(fù)位信號(hào)，用于封鎖輸入信號(hào)；READY+—報(bào)警信號(hào)；PULSE、DIR、RESET和READY短接為公共地；狀態(tài)指示：RDY燈亮表示驅(qū)動(dòng)器正常工作；TEMP燈亮表示驅(qū)動(dòng)器超溫；FLT燈亮表示驅(qū)動(dòng)器故障；功能選擇：—設(shè)置電機(jī)相電流；STEPSTEP2—設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)；—可設(shè)置成“脈沖和方向”控制方式；也可設(shè)置成“正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制方式；—用于設(shè)置半流功能；功率接口：DC+和DC接制動(dòng)電容 （用戶使用時(shí)請(qǐng)與代理商聯(lián)系）；U、V、W接電機(jī)動(dòng)力線，PE是地；L、N接供電電源；圖 14 WD3007 面板圖 4. 控制信號(hào)定義 PULSE：脈沖信號(hào)輸入端，每一個(gè)脈沖的上升沿使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 DIR：方向信號(hào)輸入端，如“ DIR”為低電平，電機(jī)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 19 “ DIR”為高電平電機(jī)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。 CW：正轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 CCW：反轉(zhuǎn)信號(hào)，每個(gè)脈沖使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)一步。 RESET：復(fù)位信號(hào)，如復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，輸入脈沖信號(hào)起作用，如果復(fù)位信號(hào)為高電平時(shí)就禁止任何有效的脈沖，輸入信號(hào)無(wú)效，電機(jī)無(wú)保持扭矩。 READDY: 輸入報(bào)警信號(hào)。 READY 是繼電器開(kāi)關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作異常時(shí)繼電器斷開(kāi)。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(dòng)器正常工作時(shí)繼電器閉合，外部 24VDC 通過(guò)繼電器輸入到 CNC 輸入端，否則外部 24VDC 無(wú)法輸入到 CNC 輸入端。 注意： PULSE+與 CW+， PULSE與 CW， DIR與 CCW對(duì)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(hào)時(shí)序圖： 3A 3B 3Astepright leftPU LE S ：DI R ：2 2 1脈寬定義：脈寬和脈沖間隔 2 . 5 u s ；占 空 比：可選用任意占空比的脈沖；輸入信號(hào)：采用光耦隔離；切換時(shí)間：轉(zhuǎn)動(dòng)方向的切換時(shí)間 0 u s ；1Hold tim e 2 . 5 u s2 Se tu p ti me 0u s3A M in im um p ul se w id th 2. 5u s3B M in im um p ul se p au se 2. 5u s 圖 15 脈沖、方向信號(hào)時(shí)序圖 5. 控制信號(hào)連接 上位機(jī)的控制信號(hào)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(hào)的負(fù)端連在一起作為信號(hào)地，低有效時(shí)，把所有控制信號(hào)的正端連在一起作為信號(hào)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(kāi)關(guān)，兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)兩種控制方式。 下表中列出了控制信號(hào)高有效和低有效時(shí)的接線方式。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 20 表 3 控制信號(hào)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(hào) DIR+接反轉(zhuǎn)信號(hào) PULSE與 DIR短接為信號(hào)地 PULSE接正轉(zhuǎn)信號(hào) DIR接反轉(zhuǎn)信號(hào) PULSE+與 DIR+短接為公共端 OFF 脈沖和方向 PULSE+接脈沖信號(hào) DIR+接方向信號(hào) PULSE與 DIR短接為信號(hào)地 PULSE接脈沖信號(hào) DIR接方向信號(hào) PULSE+與 DIR+短接為公共端 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 的 LMD18200。 LMD18200 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)能力，無(wú) “shotthrough” 電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過(guò)流保護(hù)的測(cè)量電路，只需要在 LMD18200 的 8 腳輸出端測(cè)出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過(guò)流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流保護(hù)功能。 LMD18200 的 5 腳為 PWM 波輸入端，通過(guò)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(dòng)電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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 LMD182020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 1. 各引腳的功能 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 21 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(dòng)電流方向見(jiàn)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(dòng)電流方向見(jiàn)表 4， 通過(guò)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(hào)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(hào)輸入端。 PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見(jiàn)表 3， 該端與 3腳（ DIRECTION） 如何使用 ， 決定于 PWM信號(hào)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(hào)。 9腳 ： 溫度報(bào)警輸出。提供溫度報(bào)警信號(hào) ， 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 H H L 流出 1，流入 2 H L L 流入 1，流出 2 L —— L 流出 1，流出 2 H H H 流出 1，流出 2 H L H 流入 1，流入 2 L —— H NONE 2. 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。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 22 4） TTL和 CMOS兼容的控制信號(hào)輸入 。 5） 內(nèi)含防橋臂單側(cè)直通電路。 6） 芯片過(guò)熱報(bào)警輸出和自動(dòng)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(hào)接入 LMD18200的DIR端子 ， 由 PWM信號(hào)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(hào)接在 LMD18200的 PWM端 ， 而方向信號(hào)接在 DIR端 ， PWM端脈沖信號(hào)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(hào) ， 則使驅(qū)動(dòng)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(dòng)器電路設(shè)計(jì) 圖 17為所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器電路原理圖 ： 圖 17 驅(qū)動(dòng)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(hào) ， 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(cè)反饋電流 ， 僅檢測(cè)橋臂上端晶體管中的電流。 2 清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)分析 23 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(guò)熱時(shí)對(duì)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(cè)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(kāi)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(kāi)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(duì)內(nèi)部自舉電容充電可獲得 14V電壓 ， 該驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間為 20ns， 可保證器件的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)1kHz； 開(kāi)關(guān)頻率更高時(shí) ， 可采用外部自舉電容 ， 并由 DMOS管對(duì)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(dòng)電壓 ， 從而保證開(kāi)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(guò) 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) 24 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(guò)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(guò)程如下： 1. 按下啟動(dòng)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(dòng)，延時(shí) 2S后刀具電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。 2. 清淤機(jī)器人在工作過(guò)程中，通過(guò)高速計(jì)數(shù)指令完成載體打滑、電機(jī)過(guò)載、遇大障及工作位置輸出的檢測(cè)。因?yàn)榍逵贆C(jī)器人在工作過(guò)程中可能會(huì)打滑或電機(jī)過(guò)載，會(huì)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(wèn)題。當(dāng)清淤機(jī)器人不能向前運(yùn)動(dòng)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(cè)到當(dāng)前值等于上一時(shí)間段的值時(shí)，說(shuō)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(kāi)關(guān)時(shí)或按下手動(dòng)返回按鈕， PLC 接收到右行程開(kāi)關(guān)發(fā)出的導(dǎo)通信號(hào)，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