数控机床步进电机控制系统的设计.pdf

数控机床步进电机控制系统的设计 ThedesignoftheCNCsteppermotorcontrolsystem YanZhang LongChen 摘要 步进电动机是一种能将电脉冲 信号转换成角位移或线位移的机电元件 步进 电机控制系统主要由步进控制器 功率放大器 及步进电机等组成 步进控制器由缓冲寄存器 环形分配器 控制逻辑及正 反转控制门等组成 能把输入的脉冲转换成环形脉冲 以便控制步 进电机 并能进行正反向控制 采用单片机与 CPLD 控制 用软件代替上述步进控制器 使得 线路简单 成本低 可靠性大大增加 灵活改变步 进电机的控制方式 关键词 CPLD 步进电机 SH 20403细 分驱动器 Abstract The stepper motor is an mechani cal component which can convert the electrical signal into the angular displacement or line The stepper motor control system consists of stepping controller power amplifier and stepper motor etc 1 系统结构图 步进电动机控制系统主要是由步进控制 器 功率放大器及步进电动机组成 如图 1 所 示 图 1 步进电动机控制系统的组成 步进电动机控制器是由缓冲寄存器 环 形分配器 控制逻辑及正 反转控制门等组 成 它的作用就是能把输入的脉冲转换成环 型脉冲 以便控制步进电机 并能进行正反向 控制 功率放大器的作用就是把控制器输出 的环型脉冲加以放大 以驱动步进电机转动 在这种控制方式中 由于步进控制器线路复 杂 成本高 因而限制了它的应用 如果采用 计算机控制系统 这不仅简化了线路 降低了 成本 而且可靠性也大为提高 采用单片机与 CPLD 控制 更可以根据系统的需要 灵活改 变步进电机的控制方案 使用起来很方便 步 进电机系统结构如图 2 所示 2 系统原理 2 1 步进电机驱动器介绍 采用的是北京四通电机公司 SH 20403 两相混合式步进电动机细分驱动器 其特点为 图示 2 步进电机系统结构图 2 1 1 电源电压 驱动器内部的开关电源可以在直流 10V 到 40V 之间选择 较高的额定电压有利于提 高电机的高速力矩 但却会加大驱动器的损 耗和温升 2 1 2 自动半电流 若上位控制机在半秒中内没有发出步进 脉冲信号 驱动器将自动进入节电的半电流 运行模式 电机绕组的相电流将减为设定值 的一半 在此状态下电机和驱动器的功耗得 以降低 但电机的输出力矩也相应下降 在下 一个脉冲到来时驱动器自动恢复输出电流额 定值 2 1 3 错相保护 两相电机与驱动器连接时 电路设计了错 相保护电路 接错相时 驱动器不会毁坏 但电 机运行不正常 表现为出力极小 2 1 4 输入信号 1 公共端 输入信号采用共阳极接线 方式 将输入信号的电源正极连接到该端子 上 将输入信号连接到对应的信号端子上 信 号低电平有效 此时对应的内部光耦导通 控 制信号输入驱动器中 2 脉冲信号输入 共阳极时该脉冲信 号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲 并 驱动电机运行一步 为了确保脉冲信号的可 靠响应 共阳极时脉冲低电平的持续时间不 应少于 10us 3 方向信号输入 该端信号的高电平 和低电平控制电机的两个转向 共阳极时该 端悬空被等效认为输入高电平 控制电机转 向时 应确保方向信号领先脉冲信号至少 5us 建立 可避免驱动器对脉冲的错误响应 4 脱机信号输入 该端接受控制机输 出的高 低电平信号 共阳极时低电平时电机 相电流被切断 转子处于自由状态 脱机状 态 共阳极时高电平或悬空 转子处于锁定 状态 5 运行模式 本驱动器提供整步 改善半步 四细分 八 细分 十六细分 三十二细分和六十四细分七 种模式 6 输出电流设定 驱动器利用驱动器面板拨码开关可组合 八种状态 对应八种输出电流从 0 9A 到 3A 配合不同的电机使用 输入接口电路如图 3 所示 图 3 输入接口电路 注 当控制信号不是 TTL 电平时 应根据 信号电压大小在各输入端口 公共端除外 外 串限流电阻 如 24V 时 外串 3K 电阻 典型接线图如图 4 所示 图 4 步进电机驱动器连线图 由图 3 可以看出 步进电机驱动器的输入 端有四条控制信号 分别是 公共端 脉冲信 号 方向信号 脱机信号 做过这样的实验 用 函数发生器发出方波 接入脉冲信号输入端 公共端接 5V 驱动器接电源 24V 通过改变函 数发生器输出脉冲频率 步近电机的转速发生 改变 当改变方向输入端信号高 低电平时 电机旋转方向发生改变 设计思想是改变输 入频率就能改变电机转速 即用 CPLD 输出不 同频率的脉冲来控制步进电机驱动器 2 2 单片机控制 CPLD 单片机的 P1 口作为步进电机控制输出 下转第 274 页 文 张妍陈龙 268 上接第 264 页 2 1加大收集力度 收集工作是一项政策性强 艰苦细致的 工作 这要求干部人事档案管理人员必须业 务熟 信息灵 坚持执行有关制度 做到手勤 口勤 腿勤 充分发挥自己的主观能动作用 及时全面地完成收集任务 疏通材料来源的 渠道 掌握材料形成规律 建立和健全收集归 档工作制度 建立送交 定期检查索要制度 登记制度 要及时 保质 按量 实际工作中可 以实行普遍收集和定向收集相结合 对不符 合归档要求的材料要及时进行处理 手续不 全的材料要退回形成材料的部门进行补办 确保材料齐全完整 手续完备 保证人事档案 的权威性 准确性和真实性 2 2改进和完善档案功能 一是对档案的原有重要部分应该予以保 留 二是档案的内涵可以进一步丰富和扩大 如增加涉及养老保险 医疗保险 失业保险等 内容 增加一些其他诸如劳动技能 学习奖惩 专业特长等方面的材料 使所具有的功能更加 适合馆对人才的需求 2 3解决档案材料制作不规范的问题 干部人事档案材料 须统一使用16开规 格的办公用纸 大于或小于16开规格的档案 材料以及对那些不规则 破损 卷角 折皱的材 料都要进行技术加工 折叠 剪裁及裱糊 安 徽省博物馆老的档案和新进档案中时有A4 纸规格的材料归档 如 大专院校毕业生登记 表 晋升职称审批表 先进工作者呈报表 等等 这些材料裁剪非常困难 裁剪后四边的 文字往往 顶天立地 漫无边际 这样人为的 重复劳动 不仅造成人力 物力 财力的浪费 同时也使得人事档案案卷很不美观 这就需 要在收集时作出规定 尽量要求送交的档案规 范用纸 2 4加强档案管理现代化和信息化建设 档案管理部门可以考虑进一步提高工作 效率 利用计算机 扫描仪等现代设备和现代 技术 将档案资料整理输入计算机 通过相应 的技术处理 将文字 图片等资料转变成数据 资料 实现干部人事档案纸质与数据格式并 存 根据需要 通过屏幕查阅有关内容 参考文献 干部档案工作实用手册 中共安徽省委 组织部干部综合处编 2004 年 3 月 作者单位 安徽省博物馆 上接第 268 页 口 P1 口高低四位不同数据组合分别控制两 台电机的转速的挡位 高低四位各有 16 种数 据 用单片机写数据控制 CPLD CPLD 改变频 率控制步进电机驱动器 实现了控制步进电 机的转速 这种控制方式灵活 方便 减轻了 编程人员对程序编写的繁琐 MOV P1 20H 控制第一台电机 速度为 2 挡 MOV P1 03H 控制第二台电机 速度为 3 挡 MOV P1 44H 控制两台电机 速 度都为 4 挡 MOV P1 56H 控制第一台电机速 度为 5 挡 第二台电机速度为 6 挡 2 3 CPLD 控制步进电机驱动器 单片机 P1 口高低四位各控制一台步进 电机驱动器 四位数据从 0000 到 1111 共有 16 种组合 最高位做为方向控制位 0 电机 顺时针旋转 1 电机逆时针旋转 剩下三位 构成 8 种组合 本次设计只用了前 6 种 即 001 至 110 001 对应的是最低频率 第 1 挡 以此类推 110 对应的是最高频率 第 6 挡 CPLD 内部功能图如 5 所示 图 5 CPLD 内部功能图 总结 采用 CPLD 与单片机控制步进电机驱动 器 进而控制步进电机转速 这种方试提供灵 活多样的控制手段和提高控制精度对复杂繁 琐的控制易于实现 尤其在本系统中更显示 出微机控制的优越性 参考文献 1 宋万杰 罗丰 吴顺君 CPLD 技术及其 应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 1999 年 9 月第 1 版 2 冯涛 王程 可编程逻辑器件开发技术 Maxplus2 入门与提高 M 北京 人民邮电出 版社 2002 年 10 月第 1 版 3 康华光 邹寿彬 电子技术基础 数字部 分 第四版 M 北京 高等教育出版社 2000 年 6 月第 4 版 作者简介 张妍 1981 女 天津市人 天津 滨海职业学院 机电系教师 助教 作者单位 天津滨海职业学院 构框架柱巾产生的内力相共同对框架柱截面 的大小起控制作用 3 2 桁架设计 由于钢结构错列桁架体系整体侧向刚度 很大 不需要增加材料来控制结构侧移 杆件 设计一般由截面强度来控制 当该体系采用 混合桁架时 根据上文模型和内力计算 弦杆 承受弯矩 腹杆以承受轴力为主 所以其腹杆 按轴心受力构件进行截面设计 弦杆按叠和 板连续组合梁进行截面设计 由于交错桁架 体系中假设楼板刚度为无穷大 且桁架上 下 弦杆上均搁置楼板 所以设计上 下弦杆时可 以不用考虑平面外的计算长度 直接用平面 内计算长度进行设计 腹杆计算氏度根据桁 架形式的计算模型来确定 本文参考钢结构设计规范 CB50017 2003 及相关参考文献规定 混合桁架支座斜杆和 竖杆计算长度为 L 其它腹杆计算长度为 0 8L L 为构件几何长度 节点中心点间距离 本 文参照 钢结构设计规范 GB 50017