步進(jìn)電機(jī)控制器

1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(dá)數(shù)十安培，是理想的步進(jìn)電機(jī)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)娮韪?，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(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖1所示。

2、電機(jī)參數(shù)測量電路

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

電機(jī)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(yùn)放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內(nèi)置10Bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D采樣。機(jī)殼溫度監(jiān)測選用數(shù)字溫芯片DS18B20，將其貼至電機(jī)外殼表面，實時監(jiān)測溫度參數(shù)并送入MCU。電機(jī)參數(shù)檢測電路原理圖如圖2所示。在進(jìn)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(lán)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(yán)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(dá)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(lán)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3。

1、設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)，通常細(xì)分?jǐn)?shù)越高，控制分辨率越高。但細(xì)分?jǐn)?shù)太高則影響到最大進(jìn)給速度。一般來說，對于模具機(jī)用戶可考慮脈沖當(dāng)量為0.001mm/P（此時最大進(jìn)給速度為9600mm/min）或者0.0005mm/P（此時最大進(jìn)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(jìn)給速度為19200mm/min）或0.005mm/P（此時最大進(jìn)給速度為48000mm/min）。對于兩相步進(jìn)電機(jī)，脈沖當(dāng)量計算方法如下：脈沖當(dāng)量=絲杠螺距÷細(xì)分?jǐn)?shù)÷200。

2、起跳速度：該參數(shù)對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的起跳頻率。所謂起跳頻率是步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)運(yùn)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(jī)的出廠參數(shù)中，一般包含起跳頻率參數(shù)。但是在機(jī)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(fù)載運(yùn)動時。所以，該設(shè)定參數(shù)最好是在參考電機(jī)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(jìn)給軸的加減速能力，單位是毫米/秒平方。這個指標(biāo)由機(jī)床的物理特性決定，如運(yùn)動部分的質(zhì)量、進(jìn)給電機(jī)的扭矩、阻力、切削負(fù)載等。這個值越大，在運(yùn)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(jìn)電機(jī)，該值在100 ~ 500之間，對于伺服電機(jī)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(yùn)行一段時間，重復(fù)做各種典型運(yùn)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(jìn)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(jī)床在做圓弧運(yùn)動時的最高速度。這個值越大，機(jī)床在做圓弧運(yùn)動時的最大允許速度越大。通常，對于步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)組成的機(jī)床，該值在400~1000之間，對于伺服電機(jī)系統(tǒng)，可以設(shè)置在1000 ~ 5000之間。如果是重型機(jī)床，該值要小一些。在設(shè)置過程中，開始設(shè)置小一點，運(yùn)行一段時間，重復(fù)做各種典型聯(lián)動運(yùn)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?？紤]到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力、機(jī)械裝配的摩擦、機(jī)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(jī)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(jī)械原點參數(shù)。當(dāng)設(shè)置正確后，可運(yùn)行“操作”菜單中的“回機(jī)械原點”。先單軸回，如果運(yùn)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(jī)械原點方向，直至所有軸都可回機(jī)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?？梢栽跈C(jī)床的任意一根軸上做個標(biāo)記，在軟件中把該點坐標(biāo)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(biāo)卡尺測量實際距離與軟件中坐標(biāo)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(biāo)設(shè)為0；反復(fù)使機(jī)床運(yùn)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(jìn)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)。

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