基于PIC24F的无线步进电机控制器

上传者: 上传时间:2018-05-09 09:18:10 浏览次数:1887

1、步进电机驱动电路

在H桥电路的基础上设计步进电机驱动电路。采用分立元件MOS管搭建双H桥驱动电路是成熟的电机控制方案,电路不复杂,性能可靠,根据MOS管的不同工作电流的上限甚至可以高达数十安培,是理想的步进电机驱动器方案。MOS管H桥驱动电路有NMOS构型和PMOS+NMOS构型,全NMOS管H桥导通电阻更小,但上桥臂的NMOS管的导通电压高于电源电压,需要额外的升压电路,这样增加了电路的复杂程度和成本,我们采用PMOS+NMOS构型方式搭建双H桥步进电机驱动电路,电路更简洁,成本更低;且在这样的小电流工作场合,PMOS所增加的导通损耗可以忽略不计。驱动电路与MCU之间进行光电隔离,选用广泛使用的低成本光耦PC817。加入双输入四通道与门(74HC08D),为驱动电路添加使能的功能,即只有在使能的前提下,四路控制信号才是有效的,使步进电机运行更安全稳定MOS管选用IRF5305和IRF1205,其参数为55V、110A,TO252贴片封装。步进电机驱动电路原理图如图所示。


2、电机参数测量电路

为了实时监测步进电机的运行状态是否正常,为驱动器设计了电机参数测量功能、通过实时监测电机的工作电压、工作相电流和机壳温度来实时获取电机的运行参数,保证电机运行安全稳定。

电机电流采样电阻选用康铜电阻,一端连接H桥下方,另一端接GND,其工作温度范围宽,温度系数仅为-40~40*10-6/℃,是高精度电流采样电阻的理想选择。电压电流信号调理电路采用LM324运放搭建,电压跟随后送入MCU,由MCU内置10Bit A/D转换器进行A/D采样。机壳温度监测选用数字温芯片DS18B20,将其贴至电机外壳表面,实时监测温度参数并送入MCU。电机参数检测电路原理图如图所示。在进行电路设计时,使用0欧姆电阻将模拟地(AGND)和数字地(GND)单点连接,以降低相互干扰,提高电路性能。


3、电源及MCU控制电路

系统中,驱动电路用输入电压供电,MCU和蓝牙模块需要额外的3.3V电压供电,传统的线性稳压器效率低、尺寸大且发热严重,因此使用DC-DC开关电源方式提供3.3V电压。开关稳压芯片选用MPS公司MP2359方案,其效率可高至92%、工作频率高达1.4MHZ,极高的工作频率决定其只需要小容量的输入电容、输出电容和功率电感即可正常工作。蓝牙选用HC- 05模块 ,串口自动发送。


应用设置


1、设置步进驱动器的细分数,通常细分数越高,控制分辨率越高。但细分数太高则影响到最大进给速度。一般来说,对于模具机用户可考虑脉冲当量为0.001mm/P(此时最大进给速度为9600mm/min)或者0.0005mm/P(此时最大进给速度为4800mm/min);对于精度要求不高的用户,脉冲当量可设置的大一些,如0.002mm/P(此时最大进给速度为19200mm/min)或0.005mm/P(此时最大进给速度为48000mm/min)。对于两相步进电机,脉冲当量计算方法如下:脉冲当量=丝杠螺距÷细分数÷200。


2、起跳速度:该参数对应步进电机的起跳频率。所谓起跳频率是步进电机不经过加速,能够直接启动工作的最高频率。合理地选取该参数能够提高加工效率,并且能避开步进电机运动特性不好的低速段;但是如果该参数选取大了,就会造成闷车,所以一定要留有余量。在电机的出厂参数中,一般包含起跳频率参数。但是在机床装配好后,该值可能发生变化,一般要下降,特别是在做带负载运动时。所以,该设定参数最好是在参考电机出厂参数后,再实际测量决定。


3、单轴加速度:用以描述单个进给轴的加减速能力,单位是毫米/秒平方。这个指标由机床的物理特性决定,如运动部分的质量、进给电机的扭矩、阻力、切削负载等。这个值越大,在运动过程中花在加减速过程中的时间越小,效率越高。通常,对于步进电机,该值在100 ~ 500之间,对于伺服电机系统,可以设置在400 ~ 1200之间。在设置过程中,开始设置小一点,运行一段时间,重复做各种典型运动,注意观察,如果没有异常情况,然后逐步增加。如果发现异常情况,则降低该值,并留50%~100%的保险余量。


4、弯道加速度:用以描述多个进给轴联动时的加减速能力,单位是毫米/秒平方。它决定了机床在做圆弧运动时的最高速度。这个值越大,机床在做圆弧运动时的最大允许速度越大。通常,对于步进电机系统组成的机床,该值在400~1000之间,对于伺服电机系统,可以设置在1000 ~ 5000之间。如果是重型机床,该值要小一些。在设置过程中,开始设置小一点,运行一段时间,重复做各种典型联动运动,注意观察,如果没有异常情况,然后逐步增加。如果发现异常情况,则降低该值,并留50%~100%的保险余量。


通常考虑到步进电机的驱动能力、机械装配的摩擦、机械部件的承受能力,可以在厂商参数中修改各个轴的最大速度,对机床用户实际使用时的三个轴最大速度予以限制。


5、根据三个轴零点传感器的安装位置,设置厂商参数中的回机械原点参数。当设置正确后,可运行"操作"菜单中的"回机械原点"。先单轴回,如果运动方向正确则继续回,否则需停止,重新设置设置厂商参数中的回机械原点方向,直至所有轴都可回机械原点。


6、设置自动加油参数(设置得小一些,如5秒加一次油),观察自动加油是否正确,如果正确,则将自动加油参数设置到实际需要的参数。


7.校验电子齿轮和脉冲当量的设定值是否匹配。可以在机床的任意一根轴上做个标记,在软件中把该点坐标设为工作零点,用直接输入指令、点动或手轮等工作方式使该轴走固定距离,用游标卡尺测量实际距离与软件中坐标显示距离是否相附。


8、测定有无丢脉冲。您可以用直观的方法:用一把尖刀在工件毛坯上点一个点,把该点设为工作原点,抬高Z轴,然后把Z轴坐标设为0;反复使机床运动,比如空刀跑一个典型的加工程序(最好包含三轴联动),可在加工中暂停或停止,然后回工件原点,缓慢下降Z轴,看刀尖与毛坯上的点是否吻合。如有偏差,请检查步进驱动器接收脉冲信号的类型,检查端子板与驱动器间接线是否有误。如果还出现闷车或丢步,按10、11、12步调整加速度等参数。

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