复印机供纸系统电动机驱动电路设计_图文

1、复印机供纸系统电动机驱动电路设计徐巧梅,王月梅,杨家富(南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京210037摘要:供纸系统是复印机纸路系统的一部分,主要完成复印机搓纸动作和输纸过程,直流电动机用来完成搓纸动作,而输纸过程由步进电动机完成。基于ARM嵌入式控制器,提出了供纸系统中直流电动机和步进电动机驱动电路设计方案。研究中选用的主控芯片S3C44BOX I/O引脚数量多且有多个定时器具备P WM功能,给设计供纸系统中传感器接口电路提供了方便,且减少硬件成本。S3C44BOX芯片运算速度快,控制精度高,省去各种控制算法的引入,节约软件设计流程。结果表明:设计方案节约控制资源,简化程序设计,利于系统

2、稳定运行。供纸系统贯穿整个复印机工作过程的始终,影响到纸张能否顺利、平稳地输送给印刷单元,且对形成高品质的复印件起重要作用。关键词:ARM;直流电动机;步进电动机中图分类号:TM921.02文献标志码:B文章编号:1671 5276(201101 0171 05D esign ofM otor s Driving Circuit for Feeding Syste m of Copier Based on AR MXU Q iao m e,i W ANG Y ue m e,i YANG Ji a fu(Co llege o fM echanica l and E lectron ic E ng

3、 ineer i n g,Nan ji n g Fore stry Un iversit y,Nanjing210037,Ch ina Abstrac t:The f eeding sys t e m of copier is parto f the syst ems o fpaper road,w hichm ainl y achieves t he ac tion of pickuping paper by DC and t he paper s f eeding by s t eppermo t or.Based on t he e m bedded syst em o fARM,The

4、 design sche m e ofDC m ot or and st epper mo t ors driv ing c ircuits is pr oposed.The control chi p w ith many S3C44B O X I/O p i n s and a f ew tm i ers w ith t he func tion of P WM are chosen i n the r esearch,which prov ides a conveni e nce f or i n terface c ircuit of sensors and reduces the h

5、ardware cos t s.S3C44BOX has h i g h operation speed and pr ec ision and is used t o elm i inat e t he need of introduc i n g various contr o l algorih ms and reduce the de s i g ning process of soft ware.The r esults ind i c at e that t he des ign saves t he controlling sources,sm i p lifies the pr

6、ogra m and he l p s the sys t e m operat e s t ab l y.K ey word s:ARM;DC mot or;s t epper mot or复印机纸路系统贯穿整个复印机工作过程的始终,保证复印纸稳定的从进纸口进入转印部最终到出纸口这一流程。供纸系统是针对纸张到达转印部之前的输纸过程进行设计,对形成高品质的复印件起重要的作用。供纸系统中主要研究分为两部分:搓纸动作和输纸过程。复印机进行搓纸动作时,纸张发生扭曲或倾斜,复印机通过曝光系统获取的图像信息将不真实,整机复印品质将降低。输纸过程中若发生卡纸故障,整机的复印效率也将降低。供纸系统中搓纸动作

7、和输纸过程是由直流电动机和步进电动机相应来完成。基于ARM嵌入式系统对直流电动机以及步进电动机驱动电路提出了设计方案1。1ARM7TD M I S3C44BOX单片机概述系统采用三星公司的ARM7TDM I2 5系列芯片的S3C44BOX,它包含ARM7TD M I处理器。ARM7TDM I处理器是ARM公司通用的32位微处理器,是一种高性能、廉价、低功耗的R ISC处理器,同时又具有丰富的片上资源,非常适合嵌入式产品的开发。其特点为:采用ARM7TDM I内核,I/O电压3.3V,内核电压2.5V;内置锁相环(PLL,系统主频高达66M H z;4种工作模式,可以实现电源管理以降低工作功耗;

8、8KB的系统高速缓存(cache,极大地提高了系统运行速度。它还支持8个M E MORY B ANK,最大外部存储空间达256M,并且支持SDRAM;内置彩色LCD控制器,2路异步串口(UART;71个通用I/O口;8路模/数转换器(ADC;实时时钟(RTC和看门狗电路(WAT C H DOG。S3C44BOX6的存储系统地址空间分为8个存储体,每个存储体可达32M,总共可达256M;每BANK数据总线位数可设置为8/16/32;7个存储体的初始位置确定,空间大小可设置;1个BANK的初始位置和空间大小都可设置,BANK0分配给自举ROM,BANK6和BANK7通常分配给SDR M,普通设备放

9、在其他BANK上。S3C44BOX能实现比较复杂的控制,适用于工业控制和过程控制。2电动机驱动设计供纸系统中主要是搓纸电动机和输纸电动机,直流电动机用来完成搓纸动作,而输纸过程用步进电动机来完成。两种不同的电路驱动方式不同,针对不同的电动机设计相作者简介:徐巧梅(1986 ,女,江苏泗阳人,硕士研究生,研究方向为林业与木工机械、测控技术。 应的驱动电路,完成供纸系统电动机驱动电路的设计。2.1搓纸直流电动机驱动电路设计由于S3C44B OX的I/O口输出电流一般仅有几十毫安,其驱动能力十分有限,复印机中直流电动机在正常工作下所需要的电流远超过其最大输出电流,因此,必须增加一个功率放大电路,使得

10、直流电动机能够在控制下正常运转。为提高系统效率、降低功耗,功放驱动电路采用基于双极型H桥脉宽调制方式的集成电路L298。L298是SG S公司生产的一种高电压大电流桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V,2A以下的电动机,其内部具有2个完全相同的P WM功率放大回路,工作温度范围从-25到130。其内部的一个H桥如图1所示。En A是控制使能端,控制OUT1和OUT2之间电动机的启动和停止,IN1,I N2接控制电平,控制OUT1和OUT2之间电动机的转向。当使能端En A有效,I N1为低电平I N2为高电平时,三极管2、3导通,1、4截止,电动机反转;当使能端EnA有效,I

11、N1为高电平I N2为低电平时,三极管1、4导通,2、3截止,电动机正转;当I N1和I N2电平相同或使能信号En A为低时,电动机停转。图1H桥原理图S3C44BOX具有6个16位定时器,每个定时器可以按照中断或DMA模式前5个定时器具有P WM功能。为用户进行P WM调制提供了良好的硬件,用户可以根据自己的需要编写不同频率和占空比的P WM波形。P WM脉冲频率可由控制寄存器TCNT Bn决定,宽度值则由TC M PBn寄存器的值来决定,如图2所示7(假设TCNTBn=100且不变。通过增加或减少TC M PBn的值,得到较低或较高的P WM脉宽输出值。同时S3C44BOX内部还有死区发

12、生器,这为复印机中电动机的正反转提供一个时间间隔。图2P WM实例图由于S3C44BOX本身就带有5个P WM输出口,直接输出控制信号到复印机电动机驱动芯片L298即可,硬件电路设计如图3所示。系统中选用了工作在中断模式下的定时器1和3作为产生P WM的定时器。P WM定时器是通过设置其特殊功能寄存器来实现相应的功能,除前面介绍过的寄存器TCNTBn,TC M PBn等以外,还包括配置寄存器T CFG0以及TCFG1,以确定定时器预分频器的值及选择定时器的MUX输入,即确定4、5位除法器的值。最后由预分频值、除法器值以及系统的始终频率确定定时器的输入时钟频率。其计算公式如下:定时器输入时钟频率

13、=M CLK/预分频值/除法器值。其中预分频值=0255,除法器值=2、4、8、16、32。图3搓纸直流电机控制电路通过编程设定I/O口G PF4作为定时器1输出PWM的端口,接入L298的En A端口,根据定时器输出的PWM频率控制电动机的转速。G PF6设定为输出端口连接I N1并通过一反相器连接IN2,通过接入反相器,I N1和IN2就 不会同时处于高电平或低电平,即不会因为I N 1和I N 2电平相同而使电动机停止转动。电动机的停止操作可通过调制脉冲宽度为0即占空比为0或者关闭定时器的使能位来实现。电路只需一路信号GPE6就可控制I N1和I N 2的状态,从而使系统的控制信号得减少

14、,在一定程度上简化了系统。由于电动机驱动电路工作时电流非常大,为避免烧毁复印机主控电路,需要在这两个电路之间加一个主控芯片保护电路。在S3C44BOX 的I /O 引脚与L298的控制引脚之间加上肖特基二极管I N 4148,肖特二极管I N4148用于嵌压,使S3C44BOX 的I /O 引脚电压保持在5V,当L298三个控制引脚产生24V 的反向电压时,二极管I N 4148正向导通,由于4.7K 电阻的存在,使得反向电流非常小,因此保护了后端电路。为保证L298驱动芯片的正常工作,还要在其与直流电动机之间加入4对续流二极管I N 5822,用以将电动机中反向电动势产生的电流分流到地或电源

15、正极,以免反向电动势对L298芯片产生损害。另外,为了提高系统的抗干扰能力,可在微处理器和点去驱动放大电路之间用光电耦合器(TLP521-4来实现电气隔离8。2.2 步进电动机驱动电路设计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,是数字控制系统中一种重要执行元件4,它实际上是一种单相或多相同步电动机,不能直接接到交直流电源上,而必须使用专用设备步进电动机控制驱动器,广泛应用在各种自动化控制系统和机电一体化设备中。在不超载的情况下,电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响;即给电动机加一个脉冲信号,电动机则转过一个步距脚,同时通过改变通电顺

16、序,可以改变电动机旋转方向。步进电动机的种类很多,按结构可分为反应式和激励式两种,按相数可分为单相,两相和多相三种。在复印机纸路控制系统中,通常要控制机械部件的平移和转动,对位移和角度的控制要求较高,一般电动机很难实现,步进电动机可以精确实现设定的角度和转数,具有良好的步进特性。典型步进电动机控制框图如图4所示。图4 典型步进电动机控制框图本设计的功能是实现一个基于AR M 控制的4相步进电动机系统,如图5所示。变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信号发生器,它为环形分配器提供脉冲序列。脉冲信号由S3C44BOX 产生,电动机转速越高,占空比越大,系统可以选用S3C44BOX

17、 的PWM 输出口作为脉冲信号输出端口,也可选取通用I /O 作为脉冲信号的产生端口。由于直流电动机已经用去了PWM 大的部分端口,此时选取G PF 口,利用软件设置使其产生要求的脉冲信号。环形分配器主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进驱动电源的各相输入端,以驱动步进电动机的转动。L297是步进电动机控制器(包括环形分配器,设有两个PWM 斩波器控制线绕组电流,实现恒流斩波控制,以获得良好的转矩 频率特性。它可产生四项驱动信号,用于计算机控制的两项双极或四项单极步进电动机9 10。G PF 0G PF 5口分别接到L 297的相应控制端,通过软件的

18、合理编排,达到控制电动机按预期转动的目的。功率放大器是驱动系统最主要的部分,主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电动机的目的。L298是高电压、大电流双H 桥式驱动器,其设计是为接收TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的。图5 步进电机控制电路在控制过称中,被控对象通常处在较强的%噪声&中,为确保单片机实时控制系统可靠的工作,需采用光隔离或磁隔离的方法,切断单片机与外设公共地线,以防外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过该公共地线进入单片机系统而影响其正常工作。根据隔离器件相对于单片机的位置不同,隔离方式又可分为模拟隔离和数字隔离2种。由于模拟隔离放大器成品价格

19、高,在国内市场上又很难买到,所以采用数字隔离T LP521 4接于L298与ARM芯片S3C44BOX之间来保护控制系统。在S3C44BOX芯片与步进电动机驱动回路中利用16个引脚光电耦合器件TLP521 4来切断ARM与步进电动机驱动回路之间电的直接联系,实现ARM与驱动回路系统地线的分别连结,防止处于大电流感性负载下工作的驱动器产生的干扰信号以及电网负载突变产生的干扰信号通过线路传入ARM芯片,影响系统的正常工作。该复印机纸路系统中步进电动机控制实现了对步进电动机转速和转动距离的精确控制和监测11,系统具有数据处理速度快,需要原件少,装配成本低,可靠性高和占空间少等优点。通过软件开发,可以

20、简化和减轻微型计算机的负担。另外,L297和L298都是独立的芯片,应用灵活,电动机线圈完全利用,使步进电动机达到最佳的驱动。2.3电动机驱动软件设计关键研究中涉及搓纸电动机和输纸电动机2种电动机的驱动控制,对电动机需进行软件编程。主控芯片S3C44BOX的三级流水线技术,运算速度快,控制精度高,软件设计可省去各种控制算法的引入,节约了软件成本。1搓纸电动机的(直流电动机控制是应用S3C44BOX定时器的P WM功能,通过对功能寄存器的配置来定义占空比的大小和定时频率的大小。流程图如图6。2步进电动机控制系统中应用S3C44B OX产生脉冲序列,步进电动机正相转动或反相转动由电动机的绕组通电顺

21、序正反向决定.在确定步进电动机的转动后,只需要改变给定脉冲的频率即可改变步进电动机的转速,不过输送脉冲的频率不能太快,否则会造成电动机不转,而发出啸声.考虑到要使步进电动机平稳运行,采用定时器定时输出控制脉冲。主程序流程(图7以及中断程序流程图(图812。3结论本文分析电动机的结构和工作原理,提出了搓纸电动机(直流电动机和输纸电动机(步进电动机的电路驱动设计,根据ARM芯片S3C44BOX的性能,设计出能够提供复印机供纸系统运行的主要应用系统。供纸系统的可靠运行是靠电动机相互之间的协调动作来实现的, S3C44BOX的P WM口与电动机驱动芯片L298连接实现了搓纸电动机驱动模块设计,步进电动

22、机控制器L297和电动机驱动芯片L298共同对步进电动机进行控制完成输纸动作。结合供纸纸路的工作流程图,完成电动机驱动程序设计,与硬件电路共同完成供纸系统的稳定运行。为复印机的完整系统控制板的设计提供了参考,并为完成供纸系统的稳定运行提供了极大的方便。参考文献:1王月梅.基于AR M的复印机供纸系统研究D.南京:南京林业大学硕士论文,2009.2ARM li m ited,%ARM7TD M I tec hn ical reference m anual(rev&, ARM,2001.l er Gu i de.4S t eve Fu rber.AR M sys t e m on ch

23、i p arc h itecture.Pears on E du cati on L i m ited Press,2000.5Davi d Sea.l AR M arch i tecture reference m anua.l S econd Ed iti on,Pearson E du cation L i m ited(Add i s i on W esley,2001. 6SA M SUNG E l ectron i cs.S3C44BOX U s erM anua.l pdfEB/OL.www.sa m s ung.7常新海.S3C44BOX及其在无刷直流电动机控制中的应用D.南京

24、:东南大学硕士论文,2006.8何立民.单片机应用技术选编M.北京:北京航空航天大学出版社,2000.367 372.9王宗培.步进电机及控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1984.10唐国栋、高云国.基于L297/L298芯片步进电机的单片机控制J.测控自动化,2006,22,(12 1.11陈石龙.基于单片机的步进电机控制系统J.宁德师专学报,2009,21(1.12刘川,刘景林,王凌.基于AT89C2051的步进电动机恒频恒流斩波控制J.微电机,2009,42(5.收稿日期:20100527(上接第129页图9把手的三维造型度。如果用户能通过组合投影命令熟练地把2D曲线转换为3D曲线,将大大地加快曲面的建立,进而提高产品造型设计的进度,加速产品更新换代的周期。参考文献:1