基于LonWorks技術(shù)步進(jìn)電機(jī)智能控制器硬件設(shè)計

1、基于lonworks技術(shù)步進(jìn)電機(jī)智能控制器硬件設(shè)計1 引 言是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直線或角位移的伺服執(zhí)行元件，因為其具有結(jié)構(gòu)容易、運(yùn)行牢靠、控制便利、控制性能好，并且具有步距值不受諸如和溫度變幻的影響、誤差不長久堆積等優(yōu)點，所以在儀器儀表、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)控制、樓宇等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其基本原理是每施加一個脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定的角度，稱為一步。隨著輸入到步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)增強(qiáng)，直線或角位移也隨之增強(qiáng)。假如將脈沖信號的頻率變大，則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就隨之而變快，反之則變慢。為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制，較多采納的一種計劃是以傳統(tǒng)的作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過一些大規(guī)模來控制其脈沖輸出頻

2、率和脈沖輸出數(shù)，實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置控制。但是，這種計劃中微處理器本身不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力，要想和上位機(jī)器銜接需要加上其他的通訊接口且牢靠性較差，實現(xiàn)起來棘手，并且在用法一些智能控制算法時，傳統(tǒng)單片機(jī)不簡單實現(xiàn)并且程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實時控制性的一個瓶頸。 因為lonworks技術(shù)將底層控制和網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)合起來，并且通過其主要部件神經(jīng)元芯片來舉行控制，可以在局域或遠(yuǎn)程計算機(jī)上(簡稱上位控制機(jī))隨時將控制信號傳遞給lonworks智能控制器，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度控制。同時因為采納neuronc舉行編程，可以很便利地實現(xiàn)智能控制算法，并將程序下載到所設(shè)計的智能控制器中，所以采納l

3、onworks技術(shù)舉行步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計將具有更高的精度、靈便性、適應(yīng)性并且可以通過網(wǎng)絡(luò)對步進(jìn)電機(jī)舉行實時監(jiān)視和控制。2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要采納lonworks技術(shù)舉行步進(jìn)電機(jī)靈能控制器的設(shè)計，首先必需舉行整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，這里采納的控制辦法分為兩種：(1)讓步進(jìn)電機(jī)根據(jù)上位控制機(jī)發(fā)出的控制信號舉行，包括轉(zhuǎn)角的大小和運(yùn)行的速度。(2)讓步進(jìn)電機(jī)根據(jù)外部測量和控制設(shè)備的信號舉行運(yùn)動。 設(shè)計的智能控制器的整體結(jié)構(gòu)框圖1所示。執(zhí)行停止按鈕接在神經(jīng)元芯片的io4腳，用來控制電機(jī)根據(jù)控制器內(nèi)部的程序舉行運(yùn)行。正向點動按鈕接神經(jīng)元芯片的io5腳，用來手動控制步進(jìn)電機(jī)舉行正向點動，每步的點動時光由程序來打算

4、，按一下點動一下，如按住按鈕不放，則舉行延續(xù)點動。反向點動按鈕接神經(jīng)元芯片的io6腳，用來手動控制步電機(jī)舉行反向點動，控制方式同正向點動按鈕。全部按鈕一端接470的后接+5v電源，另一端接神經(jīng)元芯片的相應(yīng)的io口引腳并同時接地。ad轉(zhuǎn)換和神經(jīng)元芯片的io7，io8，io9，io10腳相聯(lián)，用來將測量裝置的模擬量信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號再送人神經(jīng)元芯片舉行處理。io0io3用于提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路所需要波形信號。詳細(xì)的操作過程是這樣的，首先將設(shè)計好的程序舉行編譯，然后下載到控制器中，按下執(zhí)行按鈕，步進(jìn)電機(jī)將根據(jù)下載的程序控制辦法舉行運(yùn)動，同時我們也可以實時地在上位控制機(jī)上向智能控制器傳遞控制信號，讓步進(jìn)

5、電機(jī)在控制器內(nèi)部程序的控制之下，根據(jù)我們的指定的運(yùn)動方式舉行。3 詳細(xì)硬件的設(shè)計31 lonworks控制模塊的設(shè)計用法lonworks技術(shù)舉行智能控制器離不開控制模塊，他是lonworks智能控制器的最基本的一個控制單元，根據(jù)echelon公司的思想，控制模塊事實上是設(shè)計lonworks智能節(jié)點的一個通用模塊，是與外部接口電路分別的不同單元。圖2是所設(shè)計的控制模塊的電路板圖。神經(jīng)元芯片采納toshiba公司的tmpn3150，存儲器采納公司的at29c256，選用echelon公司的ftt-10a自由拓?fù)潆p絞線收發(fā)器，2中左20插腳分離與神經(jīng)元；s片的11個io，reset，service，

6、電源及接地引腳等挺直相連，右6個插腳中間2個用來接雙絞線接口。在智能控制器的開發(fā)時，控制模塊只需設(shè)計一次，其他同類型的產(chǎn)品都可以采納。32 ad轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計為了讓控制器能夠按照測量的模擬信號舉行步進(jìn)電機(jī)的控制，所以必需將模擬信號改變成數(shù)字信號，這里考慮到步進(jìn)電機(jī)的控制精度，所以必需選用精度躬高的ad轉(zhuǎn)換芯片。另外考慮到神經(jīng)元芯片和ad芯片在舉行銜接時，用法串行方式可以節(jié)約神經(jīng)元芯的io端口，所以選用公司的8路輸入12b精度的高速、低功耗串行ad轉(zhuǎn)換器maxl86。可以有單+5v電源輸人或者土5 v電源輸入。模擬輸入可以通過軟件配置為雙極性單極性、單端差分工作方式。maxl86具有四線串行接口

7、，可以挺直與spi、qspi或microwire外部規(guī)律的設(shè)備挺直相連，maxl86內(nèi)部有+4096v參考電壓源。圖3是ad轉(zhuǎn)換芯片的接口電路以及和神經(jīng)元芯片的引腳銜接圖，神經(jīng)元芯片的io7在這里用于maxl86的片選，io8提供時鐘信號輸出，io9用于串行數(shù)據(jù)輸出，io10用于串行數(shù)據(jù)輸入。maxl86的控制字的寫入與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出通過串行數(shù)據(jù)線完成，其各個輸入通道由控制字舉行挑選。模擬信號輸入范圍是0十4096v。需要解釋的是模擬信號的輸入必需加上信號調(diào)理電路舉行信號的轉(zhuǎn)換、放大和縮小等以適應(yīng)量程的需求。33 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計步進(jìn)電機(jī)在這里選用二相八步，也就是控制時鐘走8個周期，步進(jìn)

8、電機(jī)走一定格。所以選用一種用來驅(qū)動二相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片uc3770a，他由可控制規(guī)律輸入端，含有內(nèi)置式庇護(hù)的單穩(wěn)態(tài)輸出端組成。因為控制的是二相步進(jìn)電機(jī)，所以采納2片uc3770a和一些外部元件可以組成一個完備的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。圖4是由2片uc3770a組成的驅(qū)動電路。uc3770a規(guī)律輸入端在開路時，被認(rèn)為是高輸入。uc3770a的換相輸入端為管腳8，他控制著二相步進(jìn)電機(jī)繞組電流的方向，內(nèi)置的施密特觸發(fā)器產(chǎn)生換相延時，可以有效地消退電流換相時輸出管腳電流噪音干擾。輸出端為管腳1和管腳15，電路工作時，步進(jìn)電機(jī)繞組的驅(qū)動電流從0增大，管腳16上的外接電阻產(chǎn)生分壓vrs，vrs通過低通電路

9、的電阻rc加壓于管腳10，當(dāng)vrs增大超過內(nèi)置電壓的門限電壓時，將關(guān)斷電流開關(guān)運(yùn)算器，電流開關(guān)運(yùn)算器產(chǎn)生信號關(guān)斷其內(nèi)部晶體管，繞組電流將通過續(xù)流二極管組成的環(huán)行通路里續(xù)流，電流逐漸減小，vrs也隨之減小；當(dāng)小于門限電壓時，電流開關(guān)運(yùn)算器開啟，此過程周而復(fù)始重復(fù)，直至繞組電流被要求反相；當(dāng)換相輸入端管腳8被輸入規(guī)律信號要求換相時，開啟的晶體管被關(guān)斷，關(guān)斷的一組晶體管將被開啟，此時繞組電流減小至0，再反向增大。34 uc3770a輸入信號波形的產(chǎn)生因為對二相步進(jìn)電機(jī)舉行二相八步控制，所以必需讓神經(jīng)元芯片輸出和此相適應(yīng)的波形信號，然后將波形信號輸入uc3770a，從而控制步進(jìn)電機(jī)。為了滿足要求，對于2片uc3770a需要的波形時序圖5所示，如讓步進(jìn)電機(jī)正向運(yùn)動，phaseb的波形挑選圖中的正向，如讓步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)動，只要將phaseb的波形取反挑選圖中的反向，按照時序圖，其實只要在程序的控制之下在io0一io3口產(chǎn)生相應(yīng)的時序波形即可。也就是在相應(yīng)間隔時光下讓io0一io3依次輸出11000110010000010000101010001101，假如讓步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)行，則io0io3依次產(chǎn)生100000100000001010100111011001001，因為神經(jīng)元芯片io口本身具有較高的牢靠性，徹低可以滿足uc3770a的要求。這樣一來省去了波形發(fā)生電路的設(shè)計，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提