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在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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)��?a href="/baike/list_1353.html">電阻更小,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(jì)。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)動電路原理圖如圖所示。

2、電機(jī)參數(shù)測量電路

為了實(shí)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(jì)了電機(jī)參數(shù)測量功能、通過實(shí)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(shí)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(shí)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所示。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時,使用0歐姆電阻將模擬地(AGND)和數(shù)字地(GND)單點(diǎn)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。

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(shí)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(diǎn),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(diǎn),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。

通常考慮到步進(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(shí)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(diǎn)傳感器的安裝位置,設(shè)置廠商參數(shù)中的回機(jī)械原點(diǎn)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(diǎn)"。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(diǎn)方向,直至所有軸都可回機(jī)械原點(diǎn)。

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(shí)際需要的參數(shù)。

7、校驗(yàn)電子齒輪和脈沖當(dāng)量的設(shè)定值是否匹配。可以在機(jī)床的任意一根軸上做個標(biāo)記,在軟件中把該點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為工作零點(diǎn),用直接輸入指令、點(diǎn)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(shí)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(diǎn)一個點(diǎn),把該點(diǎn)設(shè)為工作原點(diǎn),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(diǎn),緩慢下降Z軸,看刀尖與毛坯上的點(diǎn)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)。