網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙紅軍+李川+吳斌

摘 要： 受到步進(jìn)電機(jī)低頻共振特性的影響，導(dǎo)致以往設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)控制器的控制效率和控制精確度都較低。因此，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳入控制器中的步進(jìn)電機(jī)后會(huì)產(chǎn)生電流波動(dòng)，A4988細(xì)分芯片對(duì)該電流進(jìn)行細(xì)分控制。電源模塊為A4988細(xì)分芯片的控制工作提供電壓轉(zhuǎn)換，維持細(xì)分芯片在標(biāo)準(zhǔn)電壓下的正常工作。數(shù)據(jù)篩選模塊包括收發(fā)電路和分類電路，收發(fā)電路對(duì)經(jīng)A4988細(xì)分芯片控制后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，分類電路將其中的危險(xiǎn)數(shù)據(jù)篩選出來，再經(jīng)由收發(fā)電路傳輸給使用者。軟件構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的細(xì)分控制模型，實(shí)現(xiàn)控制器的高效、精準(zhǔn)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器具有較高的控制效率和控制精確度。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)； 危險(xiǎn)數(shù)據(jù)； 電源模塊； 細(xì)分控制器

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0117?03

Abstract： The control efficiency and control precision of the previously?designed network risk data controller is low die to the influence of low frequency resonance characteristics of the step motor. Therefore， the network risk data segmentation controller is designed. The network data transmitted into the stepping motor in the controller may cause a current fluctuation. The A4988 subdivision chip is used to perform a subdividing control of the current. The power supply module provides voltage conversion for A4988 subdivision chip for subdividing control to maintain the normal work of the subdividing chip under standard voltage. The data screening module includes classification circuit and transceiving circuit. The transceiving circuit receives the network data controlled by A4988 subdivision chip. The classification circuit screens out of the dangers data in the network data， and then transmits if to the user through the transceiving circuit. The subdivision control model of network data is built with software to implement the efficient and accurate control of the controller. Experimental results indicate that the designed controller has high control efficiency and control accuracy.

Keywords： network； dangerous data； power module； segmentation controller

0 引 言

近年來，步進(jìn)電機(jī)的出現(xiàn)加快了自動(dòng)化的發(fā)展腳步。將網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化有機(jī)結(jié)合起來，為各領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步帶來了新的曙光，步進(jìn)電機(jī)也在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制中起到了非常重要的作用[1]。網(wǎng)絡(luò)中存在較多的危險(xiǎn)數(shù)據(jù)，為了提高網(wǎng)絡(luò)安全，科研組織為步進(jìn)電機(jī)融合了多種控制方法，但由于受到步進(jìn)電機(jī)低頻共振特性的影響，以往提出的控制方法均無法對(duì)網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，控制效率也偏低[2]。細(xì)分是一種能夠有效改善步進(jìn)電機(jī)低頻共振特性的控制方法，因此，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器。

1 網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器設(shè)計(jì)

1.1 細(xì)分芯片設(shè)計(jì)

細(xì)分芯片的工作方式有三種，分別是電流滯環(huán)法、開關(guān)頻率法和恒頻脈寬法[3]。選用某公司生產(chǎn)的A4988細(xì)分芯片，該芯片的體積較小，并擁有高達(dá)的細(xì)分模式，其控制接口的操作簡(jiǎn)單，可為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行提供多種控制方式。A4988細(xì)分芯片的輸出電流是可調(diào)節(jié)的，這在一定程度上增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器的靈活性，使控制精確度得以有效提升。圖1為A4988細(xì)分芯片內(nèi)部電路圖。

由圖1可知，A4988細(xì)分芯片擁有電流衰減自動(dòng)測(cè)試功能，對(duì)于不正常的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)電流，其可提供電路休眠、電流跟蹤和電路交叉等操作，并擁有電源接地和邏輯短路等保護(hù)模式。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊負(fù)責(zé)為A4988細(xì)分芯片的控制工作提供電壓轉(zhuǎn)換，保證細(xì)分芯片能夠在標(biāo)準(zhǔn)電壓下正常工作[4?5]。A4988細(xì)分芯片在控制工作中所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓依次是6 V，5 V和3.3 V，其中6 V電壓可由步進(jìn)電機(jī)直接供給，5 V和3.3 V電壓則需要電源模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)的6 V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再供給A4988細(xì)分芯片使用。圖2是6 V?5 V轉(zhuǎn)換電路圖，圖3是5 V?3.3 V轉(zhuǎn)換電路圖。

由圖2、圖3可知，電源模塊的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)均較為簡(jiǎn)單，且尺寸較小。兩電路均利用基于序列分組交換協(xié)議（SPX）的電源芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種電源芯片可對(duì)電壓功率進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換，且不會(huì)使電路元件出現(xiàn)發(fā)熱情況，可維持網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器穩(wěn)定工作。

1.3 數(shù)據(jù)篩選模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)篩選模塊包括收發(fā)電路和分類電路[6]。收發(fā)電路對(duì)A4988細(xì)分芯片處理過的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，分類電路將其中的危險(xiǎn)數(shù)據(jù)篩選出來，再經(jīng)由收發(fā)電路傳輸給使用者。收發(fā)電路和分類電路如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，收發(fā)電路的實(shí)質(zhì)是天線與晶振電路的有機(jī)結(jié)合，其根據(jù)A4988細(xì)分芯片控制工作前后所產(chǎn)生的不同阻抗，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確收發(fā)。收發(fā)電路還設(shè)有濕度控制開關(guān)和顯示器，用于調(diào)節(jié)電路工作模式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和顯示。

2 網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1 電壓平衡模型

步進(jìn)電機(jī)的電壓平衡模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)等效電路模型，如圖6所示。

圖6中，假設(shè)反電動(dòng)勢(shì)為為電壓流動(dòng)角度），用a，b表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中的正常數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)數(shù)據(jù)，則正常數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)數(shù)據(jù)的反電動(dòng)勢(shì)可表示為：

2.2 電磁轉(zhuǎn)矩模型

假設(shè)是步進(jìn)電機(jī)中永磁體的電感，由于電感因子已設(shè)為常數(shù)，故也為常數(shù)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：

2.3 網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)模型

在電磁轉(zhuǎn)矩模型正常應(yīng)用的前提下，網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器中步進(jìn)電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)模型表達(dá)式為：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 控制器控制效率驗(yàn)證

圖7～圖9是三個(gè)控制器在三種類型網(wǎng)絡(luò)下的控制效率對(duì)比圖。

由圖7～圖9知，在星型網(wǎng)絡(luò)中，本文控制器的控制效率最高，范圍在98.8%～99.5%之間，控制效率非常穩(wěn)定。橫流斬波控制器的控制效率最低，其控制效率在95.6%～98.7%之間，控制效率的穩(wěn)定性最差。單相電源控制器的控制效率則較為中庸。

在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，橫流斬波控制器和單相電源控制器的控制效率明顯降低。本文控制器僅有小幅度降低，控制效率仍維持在98.2%～99.3%之間，明顯高于其他兩個(gè)控制器。在總線型網(wǎng)絡(luò)中，三個(gè)控制器的控制效率區(qū)別較為明顯，這可能是總線型網(wǎng)絡(luò)安全性能較差導(dǎo)致的。其中，本文控制器的控制效率仍明顯高于其他兩個(gè)控制器的控制效率。綜上本文控制器擁有較高的控制效率。

3.2 控制器控制精確度驗(yàn)證

三個(gè)控制器對(duì)星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和總線型網(wǎng)絡(luò)的控制精度用危險(xiǎn)數(shù)據(jù)集合平均誤報(bào)比例表示，該比例越低，控制器的控制精確度就越高，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見表1。

4 結(jié) 論

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)的控制效率和控制精確度。細(xì)分是一種按照特殊方式對(duì)某項(xiàng)事物進(jìn)行持續(xù)細(xì)化，進(jìn)而獲取光滑曲線的控制方法，可增強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)魯棒性和定位精度，使步進(jìn)電機(jī)獲取較高的分辨率。

為此，本文設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)數(shù)據(jù)細(xì)分控制器，其以步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)控制硬件，重點(diǎn)設(shè)計(jì)對(duì)象為細(xì)分芯片、數(shù)據(jù)篩選模塊和電源模塊。實(shí)驗(yàn)將本文控制器與單相電源控制器和橫流斬波控制器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文控制器在星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和總線型網(wǎng)絡(luò)中均具有較高的控制效率和控制精確度。

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