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1、步進電機驅(qū)動電路

在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計步進電機驅(qū)動電路。采用分立元件mos管搭建雙H橋驅(qū)動電路是成熟的電機控制方案,電路不復(fù)雜,性能可靠,根據(jù)MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達數(shù)十安培,是理想的步進電機驅(qū)動器方案。MOS管H橋驅(qū)動電路有NMOS構(gòu)型和PMOS+NMOS構(gòu)型,全NMOS管H橋?qū)��?a href="/baike/list_1353.html">電阻更小,但上橋臂的NMOS管的導(dǎo)通電壓高于電源電壓,需要額外的升壓電路,這樣增加了電路的復(fù)雜程度和成本,我們采用PMOS+NMOS構(gòu)型方式搭建雙H橋步進電機驅(qū)動電路,電路更簡潔,成本更低;且在這樣的小電流工作場合,PMOS所增加的導(dǎo)通損耗可以忽略不計。驅(qū)動電路與MCU之間進行光電隔離,選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門(74HC08D),為驅(qū)動電路添加使能的功能,即只有在使能的前提下,四路控制信號才是有效的,使步進電機運行更安全穩(wěn)定MOS管選用IRF5305和IRF1205,其參數(shù)為55V、110A,TO252貼片封裝。步進電機驅(qū)動電路原理圖如圖所示。

2、電機參數(shù)測量電路

為了實時監(jiān)測步進電機的運行狀態(tài)是否正常,為驅(qū)動器設(shè)計了電機參數(shù)測量功能、通過實時監(jiān)測電機的工作電壓、工作相電流和機殼溫度來實時獲取電機的運行參數(shù),保證電機運行安全穩(wěn)定。

電機電流采樣電阻選用康銅電阻,一端連接H橋下方,另一端接GND,其工作溫度范圍寬,溫度系數(shù)僅為-40~40*10-6/℃,是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調(diào)理電路采用LM324運放搭建,電壓跟隨后送入MCU,由MCU內(nèi)置10Bit A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D采樣。機殼溫度監(jiān)測選用數(shù)字溫芯片DS18B20,將其貼至電機外殼表面,實時監(jiān)測溫度參數(shù)并送入MCU。電機參數(shù)檢測電路原理圖如圖所示。在進行電路設(shè)計時,使用0歐姆電阻將模擬地(AGND)和數(shù)字地(GND)單點連接,以降低相互干擾,提高電路性能。

3、電源及MCU控制電路

系統(tǒng)中,驅(qū)動電路用輸入電壓供電,MCU和藍牙模塊需要額外的3.3V電壓供電,傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率低、尺寸大且發(fā)熱嚴重,因此使用DC-DC開關(guān)電源方式提供3.3V電壓。開關(guān)穩(wěn)壓芯片選用MPS公司MP2359方案,其效率可高至92%、工作頻率高達1.4MHZ,極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。藍牙選用HC- 05模塊 ,串口自動發(fā)送。主控芯片為PIC24FJ64GA004,電源及主控芯片外圍電路如圖。

1、設(shè)置步進驅(qū)動器的細分數(shù),通常細分數(shù)越高,控制分辨率越高。但細分數(shù)太高則影響到最大進給速度。一般來說,對于模具機用戶可考慮脈沖當(dāng)量為0.001mm/P(此時最大進給速度為9600mm/min)或者0.0005mm/P(此時最大進給速度為4800mm/min);對于精度要求不高的用戶,脈沖當(dāng)量可設(shè)置的大一些,如0.002mm/P(此時最大進給速度為19200mm/min)或0.005mm/P(此時最大進給速度為48000mm/min)。對于兩相步進電機,脈沖當(dāng)量計算方法如下:脈沖當(dāng)量=絲杠螺距÷細分數(shù)÷200。

2、起跳速度:該參數(shù)對應(yīng)步進電機的起跳頻率。所謂起跳頻率是步進電機不經(jīng)過加速,能夠直接啟動工作的最高頻率。合理地選取該參數(shù)能夠提高加工效率,并且能避開步進電機運動特性不好的低速段;但是如果該參數(shù)選取大了,就會造成悶車,所以一定要留有余量。在電機的出廠參數(shù)中,一般包含起跳頻率參數(shù)。但是在機床裝配好后,該值可能發(fā)生變化,一般要下降,特別是在做帶負載運動時。所以,該設(shè)定參數(shù)最好是在參考電機出廠參數(shù)后,再實際測量決定。

3、單軸加速度:用以描述單個進給軸的加減速能力,單位是毫米/秒平方。這個指標由機床的物理特性決定,如運動部分的質(zhì)量、進給電機的扭矩、阻力、切削負載等。這個值越大,在運動過程中花在加減速過程中的時間越小,效率越高。通常,對于步進電機,該值在100 ~ 500之間,對于伺服電機系統(tǒng),可以設(shè)置在400 ~ 1200之間。在設(shè)置過程中,開始設(shè)置小一點,運行一段時間,重復(fù)做各種典型運動,注意觀察,如果沒有異常情況,然后逐步增加。如果發(fā)現(xiàn)異常情況,則降低該值,并留50%~100%的保險余量。

4、彎道加速度:用以描述多個進給軸聯(lián)動時的加減速能力,單位是毫米/秒平方。它決定了機床在做圓弧運動時的最高速度。這個值越大,機床在做圓弧運動時的最大允許速度越大。通常,對于步進電機系統(tǒng)組成的機床,該值在400~1000之間,對于伺服電機系統(tǒng),可以設(shè)置在1000 ~ 5000之間。如果是重型機床,該值要小一些。在設(shè)置過程中,開始設(shè)置小一點,運行一段時間,重復(fù)做各種典型聯(lián)動運動,注意觀察,如果沒有異常情況,然后逐步增加。如果發(fā)現(xiàn)異常情況,則降低該值,并留50%~100%的保險余量。

通常考慮到步進電機的驅(qū)動能力、機械裝配的摩擦、機械部件的承受能力,可以在廠商參數(shù)中修改各個軸的最大速度,對機床用戶實際使用時的三個軸最大速度予以限制,。

5、根據(jù)三個軸零點傳感器的安裝位置,設(shè)置廠商參數(shù)中的回機械原點參數(shù)。當(dāng)設(shè)置正確后,可運行"操作"菜單中的"回機械原點"。先單軸回,如果運動方向正確則繼續(xù)回,否則需停止,重新設(shè)置設(shè)置廠商參數(shù)中的回機械原點方向,直至所有軸都可回機械原點。

6、設(shè)置自動加油參數(shù)(設(shè)置得小一些,如5秒加一次油),觀察自動加油是否正確,如果正確,則將自動加油參數(shù)設(shè)置到實際需要的參數(shù)。

7、校驗電子齒輪和脈沖當(dāng)量的設(shè)定值是否匹配。可以在機床的任意一根軸上做個標記,在軟件中把該點坐標設(shè)為工作零點,用直接輸入指令、點動或手輪等工作方式使該軸走固定距離,用游標卡尺測量實際距離與軟件中坐標顯示距離是否相附。

8、測定有無丟脈沖。您可以用直觀的方法:用一把尖刀在工件毛坯上點一個點,把該點設(shè)為工作原點,抬高Z軸,然后把Z軸坐標設(shè)為0;反復(fù)使機床運動,比如空刀跑一個典型的加工程序(最好包含三軸聯(lián)動),可在加工中暫�；蛲Ｖ�,然后回工件原點,緩慢下降Z軸,看刀尖與毛坯上的點是否吻合。如有偏差,請檢查步進驅(qū)動器接收脈沖信號的類型,檢查端子板與驅(qū)動器間接線是否有誤。如果還出現(xiàn)悶車或丟步,按10、11、12步調(diào)整加速度等參數(shù)。