步進(jìn)控制技術(shù)在繞線設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用*

張凱軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

步進(jìn)控制技術(shù)在繞線設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用*

張凱軍

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

為了滿足繞線設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定精密繞制要求，研制了基于步進(jìn)控制技術(shù)的繞線設(shè)備系統(tǒng)。在簡(jiǎn)述步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)控制器技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，講述了步進(jìn)控制技術(shù)在繞線設(shè)備系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了繞線設(shè)備的系統(tǒng)組成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，并給出了設(shè)備電氣系統(tǒng)接線圖和部分系統(tǒng)控制程序段。使用結(jié)果表明，采用步進(jìn)控制技術(shù)的繞線設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，自動(dòng)參數(shù)可以靈活設(shè)置。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，繞線精度高，能滿足工藝使用要求。

步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；步進(jìn)控制器；繞線系統(tǒng)

引 言

繞線設(shè)備是專門用于產(chǎn)品繞線生產(chǎn)的工具。繞線系統(tǒng)的性能好壞直接影響到繞線產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性及工藝一致性，還影響到生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，可達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，可達(dá)到調(diào)速的目的，通過(guò)改變電機(jī)的通電順序，可達(dá)到改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。

步進(jìn)電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)子質(zhì)量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的主要執(zhí)行元件之一。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)電一體化系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)行業(yè)的控制領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

開發(fā)基于步進(jìn)控制技術(shù)的自動(dòng)繞線設(shè)備系統(tǒng)可以顯著提高繞線產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)效率和產(chǎn)品穩(wěn)定性。采用步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器配合步進(jìn)控制器的自動(dòng)繞線控制系統(tǒng)，集信號(hào)采集顯示與運(yùn)算放大、自動(dòng)驅(qū)動(dòng)于一體，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)化，自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)[1-3]。

1 系統(tǒng)組成

自動(dòng)繞線設(shè)備系統(tǒng)主要由主繞線步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、排線步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)控制器、控制電源及繞線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，能為產(chǎn)品的自動(dòng)繞線生產(chǎn)提供良好的生產(chǎn)平臺(tái)。系統(tǒng)控制原理示意框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)控制原理示意框圖

系統(tǒng)使用的步進(jìn)控制器DMC300A采用高性能DSP+FPGA主控，軟件指令資源豐富、編程功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單；支持任意兩軸直線、圓弧插補(bǔ)，每軸帶2個(gè)硬件限位點(diǎn)；支持每軸200 kHz的脈沖頻率，標(biāo)準(zhǔn)的梯形加速曲線；人機(jī)交互界面便捷：內(nèi)嵌鍵盤模塊、128×64點(diǎn)陣液晶顯示，提供顯示指令，用戶可靈活控制顯示；可在PC機(jī)編程下載用戶程序或在鍵盤上直接編程。

2 工作原理

自動(dòng)繞線控制系統(tǒng)主要采用科瑞特自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)YK86HB80及配套的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器YK2608MG、步進(jìn)電機(jī)YK110HB99及配套的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器YKA2811MA配合三軸步進(jìn)控制器DMC300A進(jìn)行聯(lián)合控制，步進(jìn)控制器通過(guò)接口卡與驅(qū)動(dòng)器及外圍硬件互聯(lián)。它是系統(tǒng)的運(yùn)算控制中心，同時(shí)也是用戶對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控操作平臺(tái)。步進(jìn)電機(jī)控制器根據(jù)系統(tǒng)程序協(xié)調(diào)控制主繞軸步進(jìn)電機(jī)和排線步進(jìn)電機(jī)工作。系統(tǒng)控制硬件實(shí)物見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)控制硬件實(shí)物組成圖

電氣控制系統(tǒng)主要協(xié)調(diào)各結(jié)構(gòu)部件的協(xié)同動(dòng)作，同時(shí)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算顯示。系統(tǒng)控制電氣接線圖見(jiàn)圖3。步進(jìn)控制器根據(jù)工藝需求程序進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出脈沖信號(hào)給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)放大后輸出給步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)接到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作。步進(jìn)控制器實(shí)時(shí)采集繞線圈數(shù)的計(jì)數(shù)信號(hào)和按鈕等信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理并在液晶屏上顯示。

圖3 系統(tǒng)控制電氣接線圖

采用步進(jìn)電機(jī)配合步進(jìn)控制器進(jìn)行控制具有如下特點(diǎn)：

1)步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)成正比，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周后沒(méi)有累積誤差，具有良好的跟隨性；

2)由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器電路組成的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠；

3)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速；

4)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下能保證獲得大轉(zhuǎn)矩；

5)步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和直流電源；

6)步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載等采取相應(yīng)的措施；

7)步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶瞬間負(fù)載的能力較差。

系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)完全數(shù)字控制，參數(shù)數(shù)字化可調(diào)。

2)排線精度高，排線起始位置、排線寬度靈活可設(shè)。

3)繞線圈數(shù)、出線位置精確可設(shè)，排線、繞線過(guò)程完全數(shù)控，產(chǎn)品成型效果好，與排線層數(shù)無(wú)關(guān)。

4)繞線效率高，采用專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及配件，穩(wěn)定性好；模塊化結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試方便。

5)參數(shù)設(shè)置合理、易學(xué)好用。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)，硬件主要由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)控制器(見(jiàn)圖2)及機(jī)械結(jié)構(gòu)繞線系統(tǒng)等組成，用于完成繞線的工藝功能。系統(tǒng)控制器硬件接線見(jiàn)圖4，連接好控制器與驅(qū)動(dòng)器及外界開關(guān)與電源后上電可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。

圖4 系統(tǒng)控制器硬件接線圖

端點(diǎn)說(shuō)明如下：

1)PU0、PU1、PU2為三軸脈沖控制信號(hào)。

2)DR0、DR1、DR2為三軸方向控制信號(hào)。

3)OT0～OT7為8個(gè)點(diǎn)位輸出信號(hào)。

4)IN0～I(xiàn)N7為輸入信號(hào)觸發(fā)開關(guān)。

5)Run(IN14)、Stop(IN15)是2個(gè)特定運(yùn)行和停止外接輸入點(diǎn)。

6)L0～L2+/-是三個(gè)軸的左右限位，其中，L0+、L0-(IN8、IN9)為X軸的左右限位；L1+、L1-(IN10、IN11)為Y軸的左右限位；L2+、L2-(IN12、IN13)為Z軸的左右限位。

7)V+(24V)、V-(GND)為電源和地(內(nèi)部提供電流<500 mA/路)。

8)RS232為連接PC的通信口。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要指步進(jìn)控制器的軟件設(shè)計(jì)，步進(jìn)控制器編程采用步進(jìn)控制軟件Motion300A進(jìn)行編程，在計(jì)算機(jī)上根據(jù)工藝控制要求按程序指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。對(duì)控制器編程有3個(gè)步驟：程序輸入，編譯和下載到控制器。

程序設(shè)計(jì)采用匯編指令語(yǔ)句進(jìn)行編寫，設(shè)計(jì)完成后通過(guò)軟件自動(dòng)編譯，把編譯無(wú)誤的程序段按工藝要求修改完善。只有編譯全部正確后才能通過(guò)串口線下載到步進(jìn)控制器中備用。

系統(tǒng)的監(jiān)控操作界面如圖5所示?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用需求利用計(jì)算機(jī)畫圖軟件進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，在畫面中定義好所需的工作參數(shù)及顯示位置，主要參數(shù)包括繞線速度、繞線圈數(shù)、加工數(shù)量等。設(shè)計(jì)完畢后將畫面及設(shè)置的參數(shù)導(dǎo)入步進(jìn)控制器的內(nèi)部存儲(chǔ)器中備用。當(dāng)系統(tǒng)加電后點(diǎn)按鍵“編程”、“參數(shù)”、“運(yùn)行”、“急停”等可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的修改和控制設(shè)備的運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)監(jiān)控液晶界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示工作參數(shù)。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控操作界面圖

軟件程序每條語(yǔ)句由序號(hào)、操作指令與操作數(shù)等組成，系統(tǒng)部分程序段如下：

0001 SPEED 0,S10,S20,S30;

0002 SPEED 1,S12,S22,S32;

0003 SPEED 3,S14,S24,S34;

0004 ADJ 0,10;

0005 ADJ 1,10;

0006 INC M0;

0007 DISPLAY 2,M0,0;

0008 LINAD S16,S26;

0009 CWID S18,0,S28,0;

0010 DRVID 1,S40;

0011 PAUSE 1;

0012 DRVID 0,S60;

0013 PAUSE 0;

0014 LOOP 6,100;

0015 END

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)按照繞線工藝要求進(jìn)行編寫，實(shí)際自動(dòng)繞線時(shí)，預(yù)先進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面定義好工藝參數(shù)并確認(rèn)無(wú)誤后保存退出。實(shí)際進(jìn)行自動(dòng)繞線時(shí)，按控制器自動(dòng)按鍵或設(shè)備外接自動(dòng)按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)，自動(dòng)完成繞線監(jiān)控過(guò)程直至結(jié)束。

手動(dòng)調(diào)試操作時(shí)，切換界面進(jìn)入系統(tǒng)手動(dòng)控制界面，單擊步進(jìn)控制按鍵開關(guān)可進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)軸的手動(dòng)調(diào)試控制。手動(dòng)調(diào)試的點(diǎn)動(dòng)速度及加減速參數(shù)均可設(shè)置。自動(dòng)參數(shù)設(shè)置時(shí)切換模式進(jìn)入自動(dòng)參數(shù)設(shè)置界面，進(jìn)行自動(dòng)繞線參數(shù)設(shè)置。如果需要，亦可直接在控制器上修改程序，點(diǎn)擊編程按鍵輸入系統(tǒng)權(quán)限密碼后進(jìn)行修改，修改后的程序在斷電后自動(dòng)保存。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器配合步進(jìn)控制器的自動(dòng)繞線設(shè)備系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，性能控制靈活可靠，能夠滿足繞線工藝要求。在生產(chǎn)使用時(shí)，根據(jù)實(shí)際繞線需要可在硬件配置不變的情況下實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)控制程序的修改，以滿足不同工藝生產(chǎn)的控制需要。對(duì)于系統(tǒng)扭矩適中、速度經(jīng)常需要變化的運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合，采用步進(jìn)控制技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)。配套的步進(jìn)控制器液晶屏分辨率偏低，顯示的內(nèi)容不夠豐富，開發(fā)類似于觸摸技術(shù)的高性能一體化控制器會(huì)更好地滿足客戶的需要。隨著步進(jìn)處理技術(shù)和步進(jìn)集成控制功能的進(jìn)步，步進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

[1] 溫正偉. 電機(jī)解讀系列之解讀步進(jìn)電機(jī)[J]. 無(wú)線電, 2012(9): 86-90.

[2] 張明. 步進(jìn)電機(jī)的基本原理[J]. 機(jī)械與電子, 2007(9): 83.

[3] 黃建科. 步進(jìn)電機(jī)在自動(dòng)線中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2009(8): 135-137, 172.

張凱軍(1975-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作。

Application of Step Control Technology on Rolling Lines Equipment System

ZHANG Kai-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to satisfy the requirements of stable and precise rolling for the rolling lines equipment system, the rolling lines equipment system based on step control technology is developed. After brief description the technology characteristics of step motor, step driver and step controller, the application of the step control technology on the rolling lines equipment system is discussed. The system constitution, working principle, technology characteristics and software and hardware implementation methods of the rolling lines equipment are introduced, and the electrical system wiring diagram and part of the control program block are given. Practical use indicates that the rolling lines equipment control system using step control technology has good real time property. The auto-parameters can be configured flexibly. The system has stable performance and high rolling precision, satisfying the technical requirements.

step motor; step driver; step controller; rolling lines system

2014-02-16

TN383.6

A

1008-5300(2014)05-0061-04