步進電機節拍發生器設計

蘇 琳，李 翠，趙德權

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

步進電機節拍發生器設計

蘇 琳，李 翠，趙德權

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

通過對脆性材料切割工藝過程的剖析，結合感應子式步進電機的結構、原理和特點，并從電機實際應用的角度，闡述了一種節拍發生器的構造方法，在總速率可調節的基礎上，引入了方式控制，即“四拍”方式和“八拍”方式，后者是前者的二分之一步距，采用“八拍”方式，可使“進刀量”更小，控制更精細，材料切面更細膩、平整，但效率相對要低些?？紤]到在回程和移位過程中，并無實質性切割動作，這時采用“四拍”方式運行，可顯著提高效率。因此，在硬件和軟件設計時，充分考慮材料易解離的特性，采用兩種方式切換的辦法，既照顧到速度，也保證了質量，事實證明，這種解決方案是實用、有效的。

感應子式；步進；節拍；步距角；繞組；調速；進刀量；位移

1 引言

目前，國內材料科學研究已經有了長足進步，收獲了一些成果，但開發手段還相對落后，在一些精密設備自主研制上，由于技術壁壘增高，在國際上追趕起來愈加困難，這極大制約了整體科研水平的進一步提高與發展。在以晶體、陶瓷、巖樣等堅硬物質作為處理對象時，由于加工樣品性脆、容易解離的特點，需要更為先進的技術支持，為此我們不得不引進大量設備或關鍵部件，也付出了巨額的財力和物力，通過引進吸收，國內也設計制造了一些晶體研磨和切割方面的儀器設備，令人振奮和鼓舞。

2 三軸驅動過程

滾輪上金剛石線長為80m；線速0～3m/s可調，由調速電機驅動，x軸雙向往復運動，轉向信號由位置傳感器提供,回轉周期最少20s(設實際使用60m線，兩端各預留10m）。

360°旋轉夾具，左右最大具有10°傾角。

夾具沿y軸運動，最大行程180mm,由y步進電機驅動[1-2]。

夾具沿z軸運動，最大行程165mm,由z步進電機驅動。

切割線沿x軸向運動，進行切割操作，y軸為進料方向，z軸為切割位移。

加工樣品最大尺寸 150mm（y）×150mmm(z)。

兩個導向輪使切割線在x軸向形成一段直線，兩個張緊輪自動調節切割線松緊，并傳遞斷線信號。兩個限位開關，當切割線超出工作范圍時斷電保護。自動循環泵提供冷卻液。

3 x軸向控制

（1）由DA轉換器[3]DAC0832及運放電路提供0～10V模擬電壓，用以控制變頻器的模擬輸入端，來達到電機調速的目的[4]。

（2）正反轉控制，x軸電機是往復運動的，通過變速箱轉成位移，在接近80m長切割線兩端一定距離時，會觸發Lf(左邊界)或Rf（右邊界）傳感器，以決定電機轉向。當使用的變頻器具有FWD和REV端子，則不需要啟停端控制。即當FWD接地為正轉，REV接地為反轉，二者接高或懸空為停止態，因二者事實上的互斥性，當FWD和REV同時為低時，變頻器規定為正轉方向。由二組繼電器分別控制FWD和REV端，產生方法即將繼電器（如圖1）的NO端接變頻器的地端，NC端接高（+10V或+5V），COM端作為控制輸出。

（3）啟?？刂?/p>

當變頻器的正轉和反轉控制輸入共用一個端子時，接入的開關量“0”和“1”分別代表不同的運行狀態，即一個狀態（低）為正轉，另一個狀態（高）為反轉，此種情況下，必有啟動和停止控制，一般也共用一個輸入端，為表述方便，令接地為運行，接高或懸空為停止。并令正反轉控制端為FWD/REV,啟停控制端為START/STOP。

因每組信號邏輯上的互斥，恰好利用繼電器常開和常閉兩個觸點的互斥性，采用同（2）中所述的方式跨接繼電器，即可實現FWD/REV端和START/STOP端的控制。

圖1 繼電器輸出

因此，在設計上，對FWD/REV及START/STOP等開關量輸出控制，一般不做“接死”處理，而是將繼電器的三端（公共端COM、常開觸點NO和常閉觸點NC）輸到接線端子即可，甚至連繼電器的控制端信號（4,5）也從接線端子獲取，實際使用時，可根據不同的變頻器和使用要求來靈活跨接。預留4組繼電器可充分滿足要求

4 y軸向和z軸向控制

此二軸向需由步進電機驅動，選擇合適的電機非常重要。

（1）類型：采用感應子式步進電機作為驅動，其優勢在于：與傳統的反應式相比，結構上轉子加有永磁體，免去轉子勵磁時的耗能，因此該電機效率高，電流小，發熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩、噪音低、低頻振動小。而定子激磁只需提供變化的磁場即可。

（2）相數：感應子式步進電機定子有4對極N、S磁場的激磁線圈，即稱為四相電機。

（3）拍數：即完成一個磁場周期性變化所需脈沖數或導電狀態，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

（4）步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用θ表示。θ=360°/（轉子齒數×運行拍數），以轉子齒數為50的四相電機為例，四拍運行時步距角為θ=360°/（50×4）=1.8°（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360°/（50×8）=0.9°（俗稱半步）。

（5）位移：旋轉的電機沿著絲杠形成位移，實施中，設計絲杠絲距為1mm,即電機旋轉1周，位移量為1mm，當以四拍運行時，步距為 1mm×1.8/360=0.005mm；以八拍方式則為0.0025mm。

5 節拍發生器

（1）節拍邏輯的數字表述

根據四相電機繞組特性，采取負極驅動更便捷，開關器件應選為NPN管，基極控制為高有效。由于電機四拍及八拍都是循環輪轉的，為描述和設計上的方便，四項繞組以 A、B、C、D 順序取位，“1”為加電狀態，“0”為失電狀態，同時規定數據起點均為AB。

四拍循環方式AB-BC-CD-DA-數字表述即為：八拍循環方式AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-數字表述即為：

從上述可以看出，（2）式包含（1）式，連續位置輸出時即為八拍方式（半步），取偶數（0起始）位置輸出即為四拍方式（整步），因此，根據取數位置的變化，可以靈活地實現兩種方式的平穩轉換，使得步進過程不失步（禁止在奇數位置轉換），反序輸出則實現反轉。

（2）硬件電路實現

為了減輕主控器的負擔，節拍發生器有必要由純硬件邏輯來實現[5-7]。如圖2所示，U3器件28C64為電可擦寫存儲器，從0地址開始，以順序結構固化節拍數據，對應（2）式，即為：0CH,04H,06H,02H,03H,01H,09H,08H。相應地址線也僅使用A0、A1和A2，其余接地。

存儲器采用只讀方式，取低4位數據使用,暫記作abcd。

U1為74191可逆計數器，CLK為時鐘端，也作為步進時鐘；DOWN/UP端為可逆計數控制端，“0”為加計數，“1”為減計數，也是步進電機正/反轉(Rev/Fowd)控制端；

圖2 節拍發生器硬件電路圖

U2器件74157為四二選一電路，S端為“0”，選擇 A3，A2，A1，輸出 Y3，Y2，Y1 對應前級器件 QC,QB,QA；為“1”選擇 B3，B2，B1,則輸出 Y3，Y2，Y1 對應QB，QA,0。顯然，前者形成0-7（或7-0）連續8個地址循環輸出，后者形成0-2-4-6（或6-4-2-0）偶數地址循環輸出，即與八拍模式和四拍模式的取數規則相符，所以S端也作為步進電機方式選擇信號。再看U3位置，步進脈沖取反作為讀出使能信號/OE，abcd是此刻輸出信號，當/OE變高后，輸出不能一直維持，因此，應利用/OE上跳沿鎖存U3的低4位數據，采用U6器件74374完成鎖存，對應輸出ABCD就是所需要的節拍信號。

由于U2器件對四拍地址的處理，相當于對前級計數器進行乘2操作，實際尋址位置為計數輸出的2倍，當從四拍轉向八拍時，乘2作用消失，計數輸出需要乘2并重置到計數器中，才能保持當前尋址的位置不變；同樣，從八拍轉向四拍時，由于后繼乘2操作的影響，當前計數輸出則需要除以2處理，實際尋址位置才能保持。

方式轉換時，維持實際位置不變，意義在于保持節拍的連續性，亦即保持動作的連續性。否則，隨著方式的頻繁轉換，易產生誤差積累，且軟件處理起來比較繁瑣。

U5即是產生重置地址的邏輯，一種選擇為乘2的結果，另一種選擇為除以2的結果，選擇器輸出JA、JB和JC即為重置數據。U4器件74123為兩路單穩態電路，在方式信號Way上跳沿和下跳沿產生單穩低脈沖，寬度由RT和CT決定（一般取μs級，或與節拍脈沖相當）,通過與門電路Q3合成LOD，用以重置計數器。一旦有方式轉換，就必有Way上跳沿或下跳沿發生，也就能隨時進行地址的調校。采用硬件實現節拍發生器邏輯，當Step-clock脈沖為連續均勻的，電機動作也連續平穩，噪音小。用軟件方式實現上述邏輯，則難以做到這一點。使用中y軸和z軸都需要這樣一組邏輯支持。

（3）繞組驅動[8]

節拍邏輯還不能直接連向電機繞組，至少加一級驅動。圖3左側給出一個繞組的驅動電路，YA連向圖2的節拍輸出A端。右側為電機4相繞組的連接形式，v1為A和B繞組公共端，v2為C和D繞組的公共端。

y和z每個軸向電機的其它繞組均要按A相的形式連接，控制端連向對應的節拍輸出端。

實施中，NPN管選為TIP126型，并加裝散熱片，電阻RS應選為1Ω/5W。

圖3 繞組驅動及電機繞組

6 工藝流程

y軸電機在手動調位和程控方式時，均以四拍方式運行，只有z軸電機在控制進刀量時，才使用8拍方式，退刀過程仍使用4拍方式，以盡量提高工作效率。尋位步距0.005mm,可以確保加工精度0.01mm的要求，因機器專為脆性材料設計，并傾向科學研究，根據樣品硬度高易解離的特點，進刀過程是緩慢的、細致的，當切割線彎曲時，根據傳感結果，自動調整進刀速率。

7 結束語

由于采用高精度的步進電機,切割過程尋位定位非常精準，進刀過程自動調節，剖面平整細膩，線速的精確控制和無級調整，即保證同批產品的均勻性，也顧及到不同材質的使用要求，兼顧精度與效率，具有比較理想的加工品質，更適合超薄材料的制作。加入一些抗干擾設計，使系統在各種復雜的工況下，保持了較高的穩定度。

[1]譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京：機械工業出版社，2003（6）：15-164.Tan Jiancheng.Special Integrated Circuit for Motor Control[M].Beijing:Mechanical Industry Press，2003(6):15-164.

[2]任致程.實用電動機控制電路350例[M].北京：人民郵電出版社，2002（7）：28-52.Ren Zhicheng.Practical Motor Control Circuit 350 Cases[M].北京：People Post Press,2002(7):28-52.

[3]陳國棟，何玉表，徐中佑，等.集成電路應用設計手冊[M].沈陽：遼寧科學教育出版社，1986（5）:1-38.Chen Guodong,He Yubiao,Xu Zhongyou,etc.Application of Integrated Circuit Design Manual[M].Shenyang:Liaoning Science and Education Press,1986(5):1-38.

[4]陳章龍,婁興棠，曹名揚，等.實用單片機大全[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1988（5）：174-225.Chen Zhanglong，Lou Xingtang,Cao Mingyang,etc.Practical Single-chip Daquan[M].Haerbin:Heilongjiang Science and Technology Press,1988(5):174-225.

[5]馬小亮.大功率交-交變頻調速及矢量控制技術 [M].北京：機械工業出版社，2003（10）：42-57.Ma Xiaoliang.High Power AC/AC Variable Frequency Speed Regulation and Vector Control Technology[M].Beijing:Mechanical Industry Press,2003(10):42-57.

[6]嚴蔚敏，吳偉民.數據結構[M].北京：清華大學出版社，1987（1）：10-31.Yan Weimin,Wu Weimin.Data Structure[M]Beijing:Tsinghua University Press,1987(1):10-31.

[7]楊吉祥，成松林.微處理機實用30例[M].南京：江蘇科學技術出版社，1985（1）:159-163.Yang Jixiang,Cheng Songlin.Microprocessor Practical 30 Cases[M].Nanjing:Jiangsu Science and Technology Press，1985(1):159-163.

[8]張曾常.電機繞組接線速成[M].北京：機械工業出版社,1996(5):1-126.Zang Cengchang.Motor Winding Wiring Crash[m].Beijing:Mechanical Industry Press,1996(5):1-126.

Design of Stepping Motor Beat Generator

Su Lin，Li Cui,Zhao Dequan
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Based on the analysis of the brittle material cutting process,combining with the structure,principle and characteristics of the induction sub-stepper motor,and from the practical application of the motor,a method of constructing the beat generator is described.On the basis of the total speed adjustablity,the mode control is introduced,namely"four-beat"and"eight-beat"modes,in which the latter is 1/2 step distance of the former.By adopting the"eight-beat"mode,the amount of feed is smaller,and the control is finer,with the more delicate and smoother material cutting aspects but relatively lower efficiency.Considering that there is no substantial cutting motion in the process of return and shift,the"fourbeat"operation can significantly improve the efficiency.Therefore,in the design of hardware and software,fully considering the material characteristics of easy dissociation,using two modes to switch,it can ensure both the speed and the quality,and this fact proves that the solution is practical and effective.

Induction type;Step;Beat;Step angle;Winding;Speed；Feeding;Displacement

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.021

TP3

B

1002-2279-（2017）05-0080-04

蘇琳（1987—），女，遼寧省沈陽市人，助理工程師，主研方向：計算機應用。