基于單片機(jī)PIC18F66J10的主動(dòng)放線機(jī)設(shè)計(jì)

引言

　　速度是工業(yè)生產(chǎn)中的主要被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種速度控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。本文介紹的主動(dòng)放線機(jī)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)適用于微細(xì)金屬線的恒張力主動(dòng)放線，可廣泛用于拉絲機(jī)、繞線機(jī)的前端放線，并可在放線過(guò)程中保持金屬線的張力恒定。適用的線材有金、銀、銅、鋁等，放線速度為0～700 rpm，線徑可達(dá)φ0.05 mm，張力控制可通過(guò)擺臂一邊懸掛的砝碼來(lái)手動(dòng)調(diào)整。

　　整個(gè)系統(tǒng)選用六線式單極性步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行部件，具有低成本和控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，核心控制芯片選用美國(guó)Microchip公司的PIC單片機(jī)PIC18F66J10，該芯片具有實(shí)用可靠、代碼保密性好、片內(nèi)集成有模擬、數(shù)字功能部件等優(yōu)點(diǎn)。而系統(tǒng)選用美國(guó)Allegro Microsystems公司的單極性步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片SLA7026則集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體。因此，該放線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、工作穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　該放線機(jī)速度控制系統(tǒng)主要由主控芯片PIC18F66J10、驅(qū)動(dòng)芯片SLA7026步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單極性步進(jìn)電機(jī)、反饋指示裝置、環(huán)形電位計(jì)和相應(yīng)機(jī)械裝置構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

　　當(dāng)繞線機(jī)的線速度大于放線機(jī)的線速度時(shí)，擺臂上的滑輪會(huì)向上移動(dòng)，此時(shí)如將環(huán)形電位器反饋回的電壓信號(hào)送到單片機(jī)PIC18F66J10的模擬輸人口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化以得到數(shù)字量大于程序設(shè)定的數(shù)字值，然后經(jīng)過(guò)PI算法運(yùn)算后，就可使控制器輸出的四路脈沖頻率增加。頻率增加后的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器隔離放大后，最后送給步進(jìn)電機(jī)，使電機(jī)速度增加，從而使擺臂回到水平位置。反之，當(dāng)繞線機(jī)的線速度小于放線機(jī)的線速度時(shí)，擺臂上的滑輪會(huì)向下移動(dòng)，這樣，通過(guò)PI調(diào)節(jié)，同樣可以使擺臂最終回到水平位置。因此，通過(guò)擺臂位置反饋來(lái)自動(dòng)控制放線速度，使放線機(jī)速度與繞線機(jī)速度保持同步，便可構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其數(shù)字PI控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖中，P為比例系數(shù)，它所構(gòu)成的控制器比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)。I是積分系數(shù)，它所構(gòu)成的積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。TS為采樣時(shí)間，它決定單片機(jī)每隔多長(zhǎng)時(shí)間將實(shí)時(shí)位置反饋量與程序設(shè)定目標(biāo)量的差值帶入PI算法公式。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制器

　　本系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)控制器主要由單片機(jī)PIC18F66J10、反饋信號(hào)調(diào)理電路、光電隔離電路等組成。

(1) 單片機(jī)PIC18F66J10

　　單片機(jī)PIC18F66J10是Microchip公司推出的一款8位高檔Flash型單片機(jī)。具有如下特點(diǎn)：

　　◇采用納瓦技術(shù)，具有多種運(yùn)行模式，可顯著降低功耗；

　　◇片內(nèi)具有64 KB的Flash程序存儲(chǔ)器和2048字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；

　　◇內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)倍頻器在外部振蕩器模式下使用時(shí)，其允許時(shí)鐘速度高達(dá)40 MHz，從而可使執(zhí)行速度達(dá)到10 MIPS；

　　◇包含2個(gè)獨(dú)立增強(qiáng)型USART異步串口以及2個(gè)主控SSP同步串行端口模塊，同時(shí)具備SPI和I2C (主控和從動(dòng))兩種工作模式；

　　◇具有2個(gè)捕捉／比較／PWM (CCP)模塊和3個(gè)增強(qiáng)型CCP模塊，具有控制的最大靈活性；

　　◇有11個(gè)通道10位A／D轉(zhuǎn)換器。該模塊包含有可編程采集時(shí)間，因此不必等待一個(gè)采樣周期就可選擇通道并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而減少代碼開銷。

　　實(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)可選用11 MHz晶振，并通過(guò)使用片內(nèi)4倍頻鎖相環(huán)使系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到40MHz。也可用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的PORTC口的RC0、RC1、RC2、RC3這四個(gè)管腳來(lái)輸出具有時(shí)序的方波，以作為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。由于單片機(jī)內(nèi)部集成有11通道10位高速A／D轉(zhuǎn)換器，因此，選用模擬通道AN0作為A／D轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入。A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓使用芯片自帶的正電源電壓和負(fù)電源電壓(AVDD和AVSS)。

(2) 反饋信號(hào)調(diào)理電路
　
　　由于從環(huán)形電位器反饋回的電壓信號(hào)范圍是0～10 V，此電壓超過(guò)了A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，所以要經(jīng)過(guò)精密電阻分壓、電容濾波、集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器跟隨，再送到單片機(jī)的模擬通道輸入口。本設(shè)計(jì)選用1MΩ和330 kΩ的電阻來(lái)進(jìn)行分壓，以使進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)變化范圍保持在0～2.5 V。其中集成運(yùn)放選用低功耗、單電源5 V供電的軌至軌輸入輸出通用運(yùn)算放大器MAX492。

(3) 光電隔離電路

　　選用高速光電耦合器6N137組成的光電隔離電路將步進(jìn)電機(jī)控制器與驅(qū)動(dòng)器隔離開來(lái)，可消除電機(jī)電感性繞組的串?dāng)_，從而使驅(qū)動(dòng)電路的變化不至于影響或者損壞控制電路部分，這樣可提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)其抗干擾能力。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SLA7026

　　步進(jìn)電機(jī)按照電機(jī)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)可分為單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)選用的單極性步進(jìn)電機(jī)包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個(gè)電機(jī)共有六條線與外界連接。

　　圖3所示是一種單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。它使用四個(gè)功率MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩組相位。兩相繞組的公共端接到電源VSUPPLY，電機(jī)繞組的自由端接各自功率MOSFET的漏極，MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自經(jīng)過(guò)光電隔離的單片機(jī)的控制信號(hào)。

　　本設(shè)計(jì)選用Allegro Microsystems公司的大電流PWM單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片SLA7026。該芯片集成了低功率CMOS邏輯電路和高電壓大電流的電力MOSFET輸出，可利用采樣電阻檢測(cè)電流，并用脈寬調(diào)制(PWM)控制輸出相電流，其內(nèi)部鉗位和續(xù)流二極管可提供對(duì)感性負(fù)載暫態(tài)過(guò)程的保護(hù)，十分適用于半步／整步單極性驅(qū)動(dòng)模式。該器件的工作電壓最大可達(dá)46 V，電流可達(dá)3A。

　　由SLA7026構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。該電路的供電電壓是24 V，INA、INA、INB、INB是單片機(jī)經(jīng)光電隔離送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，可用來(lái)控制驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部NMOS管的快速導(dǎo)通與截至，從而變換給電機(jī)繞組通電以驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。OUTA、OUTA、OUTB、OUTB驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端接步進(jìn)電機(jī)兩相繞組的自由端。Rsa、Rsb分別接采樣功率電阻0.33Ω以檢測(cè)電流大小。REFa、REFb是參考電壓輸入端，主要用來(lái)設(shè)置輸出電流大小。TDa、TDb是OFF時(shí)間端。SLA7026驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部的PWM電流控制原理為：先使能輸出，以使電流流經(jīng)步進(jìn)電機(jī)繞組和采樣電阻，當(dāng)電流采樣電阻上的電壓等于參考電壓時(shí)，電流傳感比較器將PWM鎖存器復(fù)位，此后，驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)閉一段時(shí)間(OFF時(shí)間)。在這段時(shí)間里，由于負(fù)載電感作用會(huì)引起續(xù)流，并使電流衰減。然后，驅(qū)動(dòng)芯片將重新被使能，這樣周期性地重復(fù)，就可達(dá)到限流的目的。驅(qū)動(dòng)芯片中一相繞組中的電流計(jì)算公式為：

　　若R9取200Ω，R15取0.33Ω，R17選1 kΩ的電位器，那么，實(shí)際工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器阻值就可使輸出電流穩(wěn)定為3 A。

2.3 電源設(shè)計(jì)

　　由于本放線機(jī)使用的是市電220 V，所以，本設(shè)計(jì)選用臺(tái)灣明緯的AC／DC開關(guān)電源將交流220 V變成直流24 V，然后再經(jīng)過(guò)PWM控制器NCP1200構(gòu)成的反激式開關(guān)電源將該24 V變成直流5 V，再經(jīng)過(guò)LDO穩(wěn)壓芯片AS1117-3.3V變換并穩(wěn)壓至3.3 V給單片機(jī)供電。另外，該24 V還要經(jīng)過(guò)三端可調(diào)穩(wěn)壓塊LM317變成5 V以給SLA7026提供輔助電源。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件由主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、PI控制算法子程序和脈沖信號(hào)產(chǎn)生子程序等部分組成。主程序主要完成數(shù)控系統(tǒng)各子程序的上電初始化，以及實(shí)際控制過(guò)程中各個(gè)功能模塊的協(xié)調(diào)。A／D轉(zhuǎn)換子程序用于完成擺臂位置的采樣轉(zhuǎn)換，實(shí)際編程時(shí)，為了降低采樣過(guò)程的瞬態(tài)誤差干擾，本設(shè)計(jì)運(yùn)用了算術(shù)均值濾波的方法，即最終參與控制運(yùn)算的位置反饋值是通過(guò)多次采樣的反饋值求算術(shù)平均取得的。PI控制算法子程序是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，調(diào)試時(shí)要根據(jù)放線機(jī)的運(yùn)行狀況，反復(fù)調(diào)整P系數(shù)KP、I系數(shù)Ki、采樣時(shí)間Ts和設(shè)定值SetValue，以求達(dá)到最好的運(yùn)行效果。脈沖信號(hào)產(chǎn)生程序設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的時(shí)序關(guān)系來(lái)不斷循環(huán)延時(shí)，并通過(guò)給單片機(jī)口線置高、低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中精確定時(shí)是使用CCP(捕捉／比較／PWM)模塊來(lái)完成的。設(shè)計(jì)中讓CCP2工作在比較模式，并選用16位定時(shí)器T1作時(shí)基，在每個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)使T1數(shù)據(jù)寄存器中的值從0不斷加1，當(dāng)與16位比較寄存器CCPR2里的設(shè)定值匹配時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生軟件中斷，然后在中斷服務(wù)程序中將RC0、RC1、RC2、RC3置高、低電平。圖5所示是系統(tǒng)的主程序流程圖，而其PI控制算法子程序流程圖則如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文分析了主動(dòng)放線機(jī)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過(guò)選用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停及變速的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，抗干擾性較強(qiáng)的PIC單片機(jī)PIC18F66J10作為主控芯片和集成PWM驅(qū)動(dòng)芯片SLA7026作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，從而提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)使用PI控制算法使放線速度不斷跟隨繞線速度的變化，近而達(dá)到放線速度自動(dòng)控制目的。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，可在使用中取得良好的效果。