基于LonWorks技術(shù)步進(jìn)電機(jī)智能控制器硬件設(shè)計(jì)

1 引 言

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)或角位移的伺服執(zhí)行元件，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好，并且具有步距值不受諸如電壓和溫度變化的影響、誤差不長(zhǎng)期積累等優(yōu)點(diǎn)，所以在儀器儀表、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其基本原理是每施加一個(gè)脈沖信號(hào)，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，稱(chēng)為一步。隨著輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)增加，直線(xiàn)或角位移也隨之增加。如果將脈沖信號(hào)的頻率變大，則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就隨之而變快，反之則變慢。

　　為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，較多采用的一種方案是以傳統(tǒng)的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過(guò)一些大規(guī)模集成電路來(lái)控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置控制。但是，這種方案中微處理器本身不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力，要想和上位機(jī)器連接需要加上其他的通訊接口且可靠性較差，實(shí)現(xiàn)起來(lái)麻煩，并且在使用一些智能控制算法時(shí)，傳統(tǒng)單片機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)并且程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性的一個(gè)瓶頸。 由于LonWorks技術(shù)將底層控制和網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)合起來(lái)，并且通過(guò)其主要部件神經(jīng)元芯片來(lái)進(jìn)行控制，可以在局域或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上(簡(jiǎn)稱(chēng)上位控制機(jī))隨時(shí)將控制信號(hào)傳遞給LonWorks智能控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度控制。同時(shí)由于采用NeuronC進(jìn)行編程，可以很方便地實(shí)現(xiàn)智能控制算法，并將程序下載到所設(shè)計(jì)的智能控制器中，所以采用LonWorks技術(shù)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將具有更高的精度、靈活性、適應(yīng)性并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　要采用LonWorks技術(shù)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)智能控制器的設(shè)計(jì)，首先必須進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，這里采用的控制方法分為兩種：

(1)讓步進(jìn)電機(jī)按照上位控制機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行，包括轉(zhuǎn)角的大小和運(yùn)行的速度。

(2)讓步進(jìn)電機(jī)按照外部測(cè)量和控制設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)的智能控制器的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。執(zhí)行／停止按鈕接在神經(jīng)元芯片的IO4腳，用來(lái)控制電機(jī)按照控制器內(nèi)部的程序進(jìn)行運(yùn)行。正向點(diǎn)動(dòng)按鈕接神經(jīng)元芯片的IO5腳，用來(lái)手動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正向點(diǎn)動(dòng)，每步的點(diǎn)動(dòng)時(shí)間由程序來(lái)決定，按一下點(diǎn)動(dòng)一下，如按住按鈕不放，則進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)動(dòng)。反向點(diǎn)動(dòng)按鈕接神經(jīng)元芯片的IO6腳，用來(lái)手動(dòng)控制步電機(jī)進(jìn)行反向點(diǎn)動(dòng)，控制方式同正向點(diǎn)動(dòng)按鈕。所有按鈕一端接470Ω的電阻后接+5V電源，另一端接神經(jīng)元芯片的相應(yīng)的IO口引腳并同時(shí)接地。A／D轉(zhuǎn)換電路和神經(jīng)元芯片的IO7，IO8，IO9，IO10腳相聯(lián)，用來(lái)將測(cè)量裝置的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)再送人神經(jīng)元芯片進(jìn)行處理。IO0～I(xiàn)O3用于提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所需要波形信號(hào)。

　　具體的操作過(guò)程是這樣的，首先將設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行編譯，然后下載到控制器中，按下執(zhí)行按鈕，步進(jìn)電機(jī)將按照下載的程序控制方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)我們也可以實(shí)時(shí)地在上位控制機(jī)上向智能控制器傳遞控制信號(hào)，讓步進(jìn)電機(jī)在控制器內(nèi)部程序的控制之下，按照我們的指定的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行。

3 具體硬件的設(shè)計(jì)

3．1 LonWorks控制模塊的設(shè)計(jì)
　
　　使用LonWorks技術(shù)進(jìn)行智能控制器離不開(kāi)控制模塊，他是LonWorks智能控制器的最基本的一個(gè)控制單元，按照Echelon公司的思想，控制模塊實(shí)際上是設(shè)計(jì)LonWorks智能節(jié)點(diǎn)的一個(gè)通用模塊，是與外部接口電路分離的不同單元。圖2是所設(shè)計(jì)的控制模塊的電路板圖。

　　神經(jīng)元芯片采用Toshiba公司的TMPN3150，存儲(chǔ)器采用Atmel公司的AT29C256，收發(fā)器選用Echelon公司的FTT-10A自由拓?fù)潆p絞線(xiàn)收發(fā)器，2中左20插腳分別與神經(jīng)元；S片的11個(gè)I／O，RESET，SERVICE，電源及接地引腳等直接相連，右6個(gè)插腳中間2個(gè)用來(lái)接雙絞線(xiàn)接口。在智能控制器的開(kāi)發(fā)時(shí)，控制模塊只需設(shè)計(jì)一次，其他同類(lèi)型的產(chǎn)品都可以采用。

3．2 A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

　　為了讓控制器能夠根據(jù)測(cè)量的模擬信號(hào)進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制，所以必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，這里考慮到步進(jìn)電機(jī)的控制精度，所以必須選用精度躬高的A／D轉(zhuǎn)換芯片。另外考慮到神經(jīng)元芯片和A／D芯片在進(jìn)行連接時(shí)，使用串行方式可以節(jié)省神經(jīng)元芯／的IO端口，所以選用Maxim公司的8路輸入12b精度的高速、低功耗串行A／D轉(zhuǎn)換器MAXl86?？梢杂袉?5V電源輸人或者土5 V電源輸入。模擬輸入可以通過(guò)軟件配置為雙極性／單極性、單端／差分工作方式。MAXl86具有四線(xiàn)串行接口，可以直接與SPI、QSPI或Microwire外部邏輯的設(shè)備直接相連，MAXl86內(nèi)部有+4．096V參考電壓源。

　　圖3是A／D轉(zhuǎn)換芯片的接口電路以及和神經(jīng)元芯片的引腳連接圖，神經(jīng)元芯片的IO7在這里用于MAXl86的片選，IO8提供時(shí)鐘信號(hào)輸出，IO9用于串行數(shù)據(jù)輸出，IO10用于串行數(shù)據(jù)輸入。MAXl86的控制字的寫(xiě)入與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出通過(guò)串行數(shù)據(jù)線(xiàn)完成，其各個(gè)輸入通道由控制字進(jìn)行選擇。模擬信號(hào)輸入范圍是0～十4．096V。需要說(shuō)明的是模擬信號(hào)的輸入必須加上信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大和縮小等以適應(yīng)量程的需求。

3．3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　步進(jìn)電機(jī)在這里選用二相八步，也就是控制時(shí)鐘走8個(gè)周期，步進(jìn)電機(jī)走一定格。所以選用一種用來(lái)驅(qū)動(dòng)二相步進(jìn)電機(jī)的專(zhuān)用芯片UC3770A，他由可控制邏輯輸入端，電流傳感器，含有內(nèi)置式保護(hù)二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端組成。由于控制的是二相步進(jìn)電機(jī)，所以采用2片UC3770A和一些外部元件可以組成一個(gè)完備的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　圖4是由2片UC3770A組成的驅(qū)動(dòng)電路。UC3770A邏輯輸入端在開(kāi)路時(shí)，被認(rèn)為是高電子輸入。UC3770A的換相輸入端為管腳8，他控制著二相步進(jìn)電機(jī)繞組電流的方向，內(nèi)置的施密特觸發(fā)器產(chǎn)生換相延時(shí)，可以有效地消除電流換相時(shí)輸出管腳電流噪音干擾。輸出端為管腳1和管腳15，電路工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動(dòng)電流從0增大，管腳16上的外接電阻產(chǎn)生分壓Vrs，Vrs通過(guò)低通電路的電阻Rc加壓于管腳10，當(dāng)Vrs增大超過(guò)內(nèi)置電壓比較器的門(mén)限電壓時(shí)，將關(guān)斷電流開(kāi)關(guān)運(yùn)算器，電流開(kāi)關(guān)運(yùn)算器產(chǎn)生信號(hào)關(guān)斷其內(nèi)部晶體管，繞組電流將通過(guò)續(xù)流二極管組成的環(huán)行通路里續(xù)流，電流逐漸減小，Vrs也隨之減?。划?dāng)小于門(mén)限電壓時(shí)，電流開(kāi)關(guān)運(yùn)算器開(kāi)啟，此過(guò)程周而復(fù)始重復(fù)，直至繞組電流被要求反相；當(dāng)換相輸入端管腳8被輸入邏輯信號(hào)要求換相時(shí)，開(kāi)啟的晶體管被關(guān)斷，關(guān)斷的一組晶體管將被開(kāi)啟，此時(shí)繞組電流減小至0，再反向增大。

3．4 UC3770A輸入信號(hào)波形的產(chǎn)生

　　由于對(duì)二相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行二相八步控制，所以必須讓神經(jīng)元芯片輸出和此相適應(yīng)的波形信號(hào)，然后將波形信號(hào)輸入U(xiǎn)C3770A，從而控制步進(jìn)電機(jī)。為了滿(mǎn)足要求，對(duì)于2片UC3770A需要的波形時(shí)序圖如圖5所示，如讓步進(jìn)電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)，PhaseB的波形選擇圖中的正向，如讓步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)，只要將PhaseB的波形取反選擇圖中的反向，根據(jù)時(shí)序圖，其實(shí)只要在程序的控制之下在IO0一IO3口產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序波形即可。也就是在相應(yīng)間隔時(shí)間下讓IO0一IO3依次輸出1100→0110→0100→0001→0000→1010→1000→1101，如果讓步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行，則IO0～I(xiàn)O3依次產(chǎn)生1000→0010→0000→00101→0100→1110→1100→1001，由于神經(jīng)元芯片IO口本身具有較高的可靠性，完全可以滿(mǎn)足UC3770A的要求。這樣一來(lái)省去了波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

　　通過(guò)LonWorks技術(shù)可以非常方便設(shè)計(jì)出二相八步步進(jìn)電機(jī)智能控制器，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且可靠性高。通過(guò)LonWorks技術(shù)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)智能控制器，將智能控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制都結(jié)合起來(lái)，具備較高的技術(shù)含量，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單片機(jī)控制的不足，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。