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一种气动打标机控制驱动器的研究与开发

发布时间: 2020-11-24 12:09

  重庆大学硕士学位论文 一种气动打标机控制驱动器的研究与开发 姓名:叶秀云 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:朱文 20050501 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 气动打标机是集机、电、数控技术于一体的机电一体化产品。它可以在各种零部件上打印中英文字符、图形、流水号和其它标记符号,广泛用于汽车、摩托 车、机械、化工等行业。气动打标机有标准型、便携型和生产线型三种。标准型 适用于中小件,便携型适合大型件,生产线型适用于流水线生产。 气动打标机运动控制系统目前大致有四种:一是由计算机进行运动控制运算 后直接发出脉冲到步进电机驱动器驱动打标机打标,操作系统多为DOS 系统;二 是计算机下传运动控制指令,由运动控制卡进行运动控制运算后发出脉冲到步进 电机驱动器驱动打标机打标,成本较高;三是计算机下传运动控制指令,由控制 器进行运动控制运算后发出脉冲到步进电机驱动器驱动打标机打标;四是不需要 计算机,控制器中固化了一定的打标文件,由分离的驱动器或集成的控制驱动器 驱动打标。这种情况节省了计算机资源,但是对于用户自定义的打标文件操作不 方便,而且控制器体积大成本高。因此开发控制器和驱动器集成在一起、体积小 价格经济的气动打标机控制驱动器显得非常重要。 为解决以上问题,本文研发了一种气动打标机控制驱动器,将控制器和驱动 器集成在一起。在计算机中编辑、修改和预览打印标记的内容,达到预期的效果 后,将画板中的作图元素转换成控制驱动器可以识别的指令代码,发送到控制驱 动器控制打标机完成打标任务。控制驱动器负责解析从计算机接收到的控制指令, 由控制驱动器中的单片机进行运动控制运算后发出数字信号到步进电机功率驱动 芯片,控制打标机执行相应的运动。 本文重点对气动打标机控制驱动器的软硬件进行了研究和开发。本文研发的 控制驱动器具有以下特点:将驱动程序与控制程序写在同一块芯片上,充分利用 了现有的软硬件资源;采用计算机发出运动控制指令;通过接收控制指令而不是 脉冲信号来完成打标机的运动控制。 基于这种气动打标机控制驱动器,本文简要介绍了气动打标机运动控制系统 和上位机软件系统。 关键词:气动打标机,控制驱动器,步进电机驱动器,运动控制运算 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT Pneumatic marking system mechanical-electricintegrative product which integrates mechanism, electron numericalcontrol technology. canmark Chinese Englishcharacter, figure, flow number, othersigns widelyapplied automobile,motorcycle, mechanism, chemicalindustry. threekinds markers,which standardmarker, portable marker productline marker. Standard marker smallpart. Portable marker largepart. Product line marker motioncontrol system pneumaticmarking system can fourtypes. First, upper machine processes motion control operation sendspulses indirectly stepmotor driver markermark. operationsystems mostly DOSsystems. Second, upper machine send motion control instruction motioncontrol card which processes motion control operation sendpulses stepmotor driver markermark. high.Third, uppermachine send motion control instruction controllerprocesses motion control operation sendpulses stepmotor driver markermark. Forth, computer.Some mark files has already been solidified controller.Step driver integrateddriver controllerdrive systemsaves user-definedmark files controllervolume big.So veryimportant developagility economicalcontrol driveapparatus whose controller pneumaticmarking system. problemsabove,this article presents pneumaticmarking system control driveapparatus whose controller markingcontent can edited,modified uppercomputer. When contentachieves expected effect, uppercomputer converts paintelements instructioncode which lowermachine can recognize. uppercomputer sends instructions driveapparatus markingsystem markingtask. Control driveapparatus has controlinstructions coming from uppercomputer. motioncontrol operation senddigital signals stepmotor power drive chip markerimplement markingtask. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III articleplays emphasis hardwaredevelopment pneumaticmarking system control driveapparatus. driveapparatus driveprogram controlprogram samechip hardwareresources fullyused; driveapparatus can motioncontrol instruction uppercomputer;the control driverapparatus accomplishes markingsystem motion control pulsesignal receivinginstructions. Based pneumaticmarking system control driveapparatus,this article briefly introduces motion control system pneumaticmarking system uppercomputer software system. Keywords: Pneumatic marking system, Control driveApparatus, Step motor driver, Motion control operation 重庆大学硕士学位论文 1.1气动打标机控制驱动器研究的目的及意义 气动打标机是由对打印针的运动进行控制的高速打印设备,它所用的高速电 磁阀,能以较高的频率开关压缩空气,从而可使打印针也按此频率往复冲击,在 工件表面打印出密集点阵构成字符或图形。在以制造业为主的发展中国家,打标 产业市场非常广阔。气动打标机有标准型、便携型和生产线型三种。标准型适用 于中小件,便携型适合大型件,生产线型适用于流水线生产。 目前的气动打标机运动控制系统,大致有四种类型: 第一,根据所要标记的图形或字符的轮廓,经过计算机中控制程序的处理, 由计算机生成控制脉冲信号,由计算机内部的I/0 板或打印机并口经缓冲器和光电 隔离后,送入步进电机驱动器驱动打标机打标,而很多这种系统仍然使用DOS 作系统。第二,计算机发出运动控制指令,由插在计算机主机中的PC 控制卡完成运动 控制计算,发出脉冲送入步进电机驱动器驱动打标机打标。运动控制卡售价不菲, 给客户带来多余的成本。 第三,计算机发出运动控制指令给下位机的控制器,下位机由控制器和步进 电机驱动器组成,运动控制计算在控制器的单片机中完成,控制器单片机的I/0 第四,不需要计算机,计算机只用于下传在计算机软件系统中编辑的打标文件到控制器中,控制器中固化了一定的打标文件,同时带有键盘和显示器,由分 离的驱动器或集成的控制驱动器驱动打标。这种情况节省了计算机资源,但是对 于用户自定义的打标文件操作不方便,而且控制器体积大成本高。 因此开发控制器和驱动器集成在一起、体积小价格经济的气动打标机控制驱 动器显得非常重要。 为了解决上述问题,本文研发了一种即插即用的气动打标机控制驱动器,它 将控制器和驱动器集成为一体。在计算机电源已开启状态下就可直接将控制驱动 器通过计算机的RS232 串口和计算机相连。连接好后只需在计算机中上位机系统 中编辑好要打标的内容,计算机将画板中的作图元素转换成控制驱动器可以识别 的指令代码,发出运动控制指令给控制驱动器,由控制驱动器中的单片机进行运 动控制运算后发出数字信号到步进电机功率驱动芯片,控制打标机执行相应的运 动。采用一款高性能的步进电机驱动芯片,能直接和单片机的并行 口相连,重庆大学硕士学位论文 接收输入的数字信号,然后驱动电机运动。选用大容量成本低的单片机,不需要外接程序存储器。联机操作十分简单、体积小、性价比高、用户使用方便,使用 它能够作到高精度的实时运动控制。 该设计充分利用现有的单片机技术、大规模集成电路芯片和嵌入式软件开发 资源。它可以在各种零部件上打印中英文字符、图形、流水号和其它标记符号, 广泛用于汽车、摩托车、机械、化工等行业,灵活、可靠性高和易于操作。 1.2 国内外气动打标机运动控制系统的发展状况 国内外对气动打标机运动控制系统已经进行了一系列卓有成效的研究开发工 重庆大学研制的DCQ工业气动标记机 ,由计算机发出运动控制指令给插在计算机主机箱中的运动控制卡,运动控制卡完成运动控制运算,发出脉冲送入步 进电机驱动器驱动打标机打标。运动控制卡在安装时还必须先关掉计算机的电源, 给用户使用带来不便。 武汉化工学院自动化系研制的基于PC 计算机并行口的气动标记机系统 据所要标记的图形或字符的轮廓,经过PC机中控制程序的运动控制运算,由PC 机生成控制脉冲信号,经缓冲器和光电隔离后,送入步进电机驱动器驱动打标。 这种气动打标机系统常为DOS 系统。武汉化工学院自动化系还研制了一种分布式 数控标记机系统 ,由上位机发出运动控制指令,运动控制运算在下位机的控制器中完成,下位机由控制器和步进电机驱动器组成。控制器单片机的I/0 口输出控制 步进电机运行的脉冲,经缓冲器和光电隔离送入步进电机驱动器驱动打标机打标。 打标产业的技术往往源于发达国家,而又更多地在发展中国家运用。进口品 牌的打标机质量较好但价格和售后服务却使广大中小企业望而却步。进口气动打 标机通常最低配置 万元,国产气动打标机目前技术也相当成熟了,最低配置在18000 元左右,实际打标效果基本类似。 美国TELESIS 公司的SC5000/420 型气动打标机 ,不需要计算机控制,它的TMC420 控制器集成了步进电机驱动器的功能,控制器上有键盘和四行的LCD 示屏。主机可以通过串口向控制器下载刻字资料,有可选配的电脑软件用来设计标识和字型,然后再载入至控制器中使用,主机还有监控系统错误功能。控制器 控制X 轴运动从而带动打标头进行标记。控制器可以存储、加载和编辑用户已经定义的75 个打标文件。控制器还提供和PLC 连接的I/O 信号接点,这些接 口允许远距离控制,如打标文件选择、打印、中止、监控输出信号、在线打标等。 法国SIC公司()的SIC i111s 气动打标机 ,不需要计算机,SIC i111s的控制器e6集成了软件、蓝色高分辨率显示屏、键盘,可以创建、加载和 重庆大学硕士学位论文 保存文件,能储存多达1000个打标文件。在打标头上有一块集成智能芯片记录所有与设备使用相关的信息。SIC i111s可以打印序列号、日期、图标等,并能进行 预览和密码保护。机械部分采用加强型双导轨设计,更加可靠。控制器集成了步 进电机驱动器的功能,打标机X轴和Y轴方向的移动是控制器指挥步进电机产生 的。SIC i111s可以直接受PLC控制。可以在上位机windows版软件中编辑预览打标 文件并下载到控制器中。 随着单片机功能的增强和智能功率集成电路的发展,气动打标机驱动控制器 会向多样化、集成化和智能化方向发展。虽然国内外在这方面研究已经取得了巨 大的成果,并开发了相应的产品,但是存在用户针对性不强,成本相对较高等缺 1.3主要研究内容 本文研究的主要内容有: 完成控制驱动器的样机制作及软硬件调试。简要介绍气动打标机运动控制系统上位机软件。 本文重点解决如下问题: 整个系统集成的问题由于本系统把气动打标机的控制器与驱动器有机地结合在一体,因此在控 制驱动器的软硬件设计中,就要充分考虑二者的结合问题,才能合理用好单片 机的资源。 计算机和控制驱动器的通信问题由于本系统采用计算机和控制驱动器共同完成控制任务,所有的控制命 令及参数设置均由计算机发出,控制驱动器按接收到的指令完成相应的运动 控制运算。所以就必须保证计算机和控制驱动器的正确通信。实现正确通信 的关键就是制定规范的通信协议和指令格式。 步进电机的运动控制问题如何基于单片机实现步进电机的运动控制,包括速度控制、位置控制、 加、减速控制和细分驱动等。 直线插补算法和圆弧插补算法的选择和优化气动打标机的运动控制实质是对两个步进电机进行运动控制,也即对打 标头进行运动控制。直线插补和圆弧插补是生成打标轨迹的基本子程序,在 重庆大学硕士学位论文 很大程度上决定了打标机的打标精度和最大打标速度。因此要选用插补精度较高,程序简捷的直线插补算法和圆弧插补算法。 重庆大学硕士学位论文 气动打标机运动控制系统的方案设计气动打标机运动控制系统一般由上位机、控制器或运动控制卡、步进电机驱 动器、打标机本体组成。控制单元一般给驱动器提供使能电平和步进脉冲信号。 驱动器,又称驱动电源,能按一定的规律将绕组的电流分配放大,进而驱动步进 电机运动。在某些气动打标机运动控制系统中控制器和驱动器是集成的。 气动打标机的运动控制是对气动打标机中带动打标头运动的两个步进电机的 位置、速度进行实时的控制管理,使打标头按规定的运动参数完成已定轨迹的打 标操作。通过调节针头高度和气压控制打标深度,冲击出来的线条有深度、耐久、 不变色、耐高温、不怕有机溶济擦洗。 2.1 常见的气动打标机运动控制系统方案 常见的气动打标机运动控制系统的方案一般有以下几种: 计算机+驱动器+打标机根据所要标记的图形或字符的轮廓,经过计算机中控制程序的处理,由计算 机生成控制脉冲信号,经缓冲器和光电隔离后送入步进电机驱动器驱动打标机打 标,而很多这种系统仍然使用DOS 操作系统。如图2.1 所示。 计算机 驱动器 打标机 (或打标机上的步进电机) 方向 脉冲 图2.1 控制驱动系统方案一图 Fig2.1 firstscheme drivesystem 计算机+运动控制卡+驱动器+打标机 计算机发出运动控制指令,由插在计算机主机中的运动控制卡完成运动控制 计算,发出脉冲送入步进电机驱动器驱动打标机打标。运动控制卡售价不菲,给 客户带来多余的成本,在计算机扩展槽上安装控制卡,必需打开机箱才能操作, 而且在某些小型电脑中根本没有安装控制卡的空间和扩展槽。如图2.2 所示。 运动控 驱动器打标机 (或打标机上的步进电机) 方向 脉冲 计算机 控制指令 图2.2 控制驱动系统方案二图 Fig2.2 secondscheme drivesystem 重庆大学硕士学位论文 计算机+控制器+驱动器+打标机计算机发出运动控制指令给下位机的控制器,下位机由控制器和步进电机驱 动器组成,运动控制计算在控制器的单片机中完成,控制器单片机的I/0 口输出控 制步进电机运行的脉冲,经缓冲器和光电隔离送入步进电机驱动器驱动打标。如 图2.3 所示。 控制器 驱动器 打标机 (或打标机上的步进电机) 方向 脉冲 计算机 控制指令 图2.3 控制驱动系统方案三图 Fig2.3 thirdscheme drivesystem 控制器(可接计算机或PLC)+驱动器+打标机 不需要计算机,计算机只用于下传在计算机软件系统中编辑好的打标文件到 控制器中或对控制器进行监控。控制器中也固化了一定的打标文件,控制器上带 有键盘和显示屏。控制器发送脉冲信号到驱动器驱动打标。这种系统节省了计算 机资源,但是对于用户自定义的打标文件操作不方便,不便于打标文件的存档和 统计,而且控制器体积大成本高。这种控制器有时还提供和 PLC 连接的 信号接点,允许远距离控制,如打标文件选择、打印、中止、监控输出信号、在线 所示。 控制器 (带键盘和显示屏) 驱动器 打标机 (或打标机上的步进电机) 方向 脉冲 图2.4 控制驱动系统方案四图 Fig2.4 forthscheme drivesystem 控制驱动器(可接计算机或PLC)+打标机 这种方案与方案四类似,只是控制器和驱动器集成在一起。如图2.5 所示。 控制驱动器 (带键盘和显示屏) 打标机 (或打标机上的步进电机) 电流 图2.5 控制驱动系统方案五图 Fig2.5 fifthscheme drivesystem 2.2 运动控制系统方案及结构原理图 常见的气动打标机运动控制方案都有不同的使用对象及优缺点,为了能简单、 低成本完成气动打标机的运动控制,本文综合了以上几种方案,提出了一种以气动 重庆大学硕士学位论文 打标机控制驱动器为核心的气动打标机运动控制系统方案。如图2.6所示。 控制驱动器 打标机 (或打标机上的步进电机) 计算机 控制指令 电流 图2.6 以控制驱动器为核心的运动控制系统方案图 Fig2.6 motioncontrol systemscheme based driveapparatus 本文提出的气动打标机控制驱动系统由三部分构成: (1)计算机。整个控制系统中,采用计算机作为上位机,负责完成人机交互界 面的管理和控制系统的实时监控等功能,如键盘和鼠标的管理、如何破AG真人百家,系统状态的显示、 作图元素向运动控制指令的转换、控制指令的发送、外部信号的监控等等。 (2)控制驱动器。控制驱动器完成运动控制的所有细节,包括相电流和方向信 号的输出、升降速的处理、限位开关信号的检测等等。计算机采用统一的标准接 口(RS232)和统一的通信协议与控制驱动器连接,接口简单、体积小、成本低、 操作简单。控制驱动器由串行通信电路、单片机及外围电路、抗干扰电路、功率 驱动电路、电源电路、风扇及温度检测电路、电磁阀控制电路等组成。 (3)标记打印机本体。由步进电机、电磁气阀、打印针及传动导向机构组成。 电磁气阀用于控制打印头的压缩空气气路。打印针头如没有压缩空气输入,打印 针不作冲击动作。电磁气阀的通断受控制驱动器的控制。打印头可手动升降,以 适应各种不同尺寸的工件。针头采用镶嵌硬质合金,略有磨损只需在细油石上打 磨即可恢复针尖。采用耐磨损的直线运动机构。 操作人员将需打印的字符或图形输入计算机安装的气动打标机上位机软件系 统中,计算机将用户的输入转换成运动控制指令从串口传给控制驱动器,控制驱 动器经过具体的运动控制运算后输出电流控制步进电机作插补运动从而带动打印 针运动。压缩空气使打印针高频振动,从而在工件上打出由连续点阵构成的字符或 图形。 能否在气动打标机的控制驱动器中,利用嵌入式微处理器在完成步进电机驱 动程序的同时,实现步进电机运动控制的功能,从理论上说是完全可行的。其一, 随着微处理器性能提高和容量增大,微处理器有足够的资源利用空间和处理能力, 完全可以利用微处理器完成打标机上步进电机的运动控制和驱动。其二,控制与 驱动做成一体,可以减少控制环节,从而节约硬件成本,提高运行可靠性。因此, 以微处理器为核心,加上驱动放大电路,就可构成气动打标机控制驱动器。 以控制驱动器为核心的气动打标机运动控制系统框图见图2.7 所示。 重庆大学硕士学位论文 计算机P89V51RD2 RS232 接口电路 驱动放大电路 变压器 DC-DC转换 风扇 限位开关 开关量 输入输出 电磁阀 控制电路 电磁阀 风扇及温度 检测电路 30V 5V 12V 两个 步进电机 打印针及 传动导向机构 打标机 控制驱动器 图2.7 气动打标机控制驱动系统框图 Fig2.7 Control drivesystemof pneumatic Marking System 2.3 气动打标机运动性能 本文所研究的气动打标机运动性能及技术指标如下: (1)控制精度:细分方式设有400 步/转、2000 步/转、6000 步/转运行,滑动丝 杆副的螺距为1mm 时,步距精度分别为2.5μm、0. 167μm。滑动丝杆副的螺距为1mm,精度要达到0.167um,则对应一个螺距,步进电机要走6000 步距角要达到360/6000=0.06。本项目提供的步进电机是两相四拍,机械步距角 0.9,根据电路设计可进行细分驱动,为15 细分时就可达到 0.09,理论上 完全满足设计要求。 (2)标准配置的气动打标机都是为打平面设计的。但实际打标部分的上下落差 在3mm 以内的圆弧,也可直接打印。落差在3mm 以上的圆弧(如整个圆弧),可以 增配旋转夹具。 (3)输入方式 :手工、自动流水递增 (4)实时显示:可接摄像头直接在屏幕上观察标记效果 (5)可自动统计打印内容 2.4 本章小结 本章对气动打标机运动控制系统进行了设计。主要内容有: 提出一种气动打标机运动控制系统的总体方案。 介绍气动打标机的运动性能。 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计本文所研究的气动打标机控制驱动器由串行通信电路、单片机及外围电路、 抗干扰电路、功率驱动电路、电源电路、风扇及温度检测电路、电磁阀控制电路 等组成。 将控制驱动器通过计算机的 RS232 串口和计算机相连,连接好后只需在计算 机输入要打标的内容,计算机将进行程序处理发出运动控制指令给控制驱动器, 控制驱动器完成具体的运动控制运算然后输出电流控制步进电机运行,从而带动 打标头完成打标操作。 3.1 气动打标机控制驱动器的性能要求 对气动打标机控制驱动器的性能有如下要求: (1)接收计算机下传的指令,进行指令解析,完成复位、返回位置、插补运动 等操作。 (2)实现两轴联动的步进电机直线插补和圆弧插补,控制两个坐标轴位置、速 度、方向。 (3)根据实走行程和空走行程,控制电磁阀的开通和关断。 (4)运动方式有匀速运动,加、减速运动。 (5)提供风扇状态监控制和温度过热报警。 (6)看门狗功能。 (7)有较强的抗干扰能力。 (8)能实现细分驱动。 3.2 控制驱动器的硬件设计 在进行应用系统的硬件方案设计时,首要的问题是确定电路的总体方案,并 需进行详细的技术论证。为了实现本驱动控制器所需的功能,硬件设计采用功能 模块化设计方法。本驱动控制器主要由主控制模块、功率驱动模块、电磁阀控制 模块、通信模块、风扇和温度监控模块、抗干扰模块和电源模块七部分组成。如 图3.1 所示。 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计10 主控制 模块 驱动 模块 电源 模块 气动打标机控制驱动器 硬件组成模块 抗干扰 模块 风扇和温度 监控模块 电磁阀控 制模块 通信 模块 图3.1 控制驱动器硬件组成模块 Fig3.1 Hardware components driveapparatus 3.2.1 主控制模块硬件设计 气动打标机控制驱动器的主控制模块以 P89V51RD2 单片机为核心加上外围集成电路及元器件组成。 气动打标机控制驱动器,要求有较大的程序存储器和数据存储器。以前的气 动打标机控制驱动器一般采用外接程序存储器和数据存储器的方式。随着单片机 性能的提高,很多的单片机已经有大容量的程序存储器和较大的数据存储器能直 接满足单片机使用者的要求。 本系统所选用的单片机是Phillps 公司的P89V51RD2,是一款80C51 微控制器, 5V 的工作电压,操作频率为0~40MHz;64kB 的片内Flash 程序存储器;数据RAM 含有1024 字节的内部存储器。器件也可对高达64kB 的外部数据存储器进行寻址。 Flash 程序存储器支持并行和串行在系统编程(ISP)。并行编程方式提供了高 速的分组编程(页编程)方式,可节省编程花费和推向市场的时间。ISP 允许在软 件控制下对成品中的器件进行重复编程。 P89V51RD2 也可采用在应用中编程(IAP),允许随时对 Flash 程序存储器重 新配置,即使应用程序正在运行时也不例外。 P89V51RD2 具有 SPI(串行外围接口)和增强型UART; PCA(可编程计数 器阵列),具有PWM和捕获/比较功能; 口,含有3个高电流P1 口的电流为16mA);3 16位定时器/计数器;可编程看门狗定时器 (WDT);8 个中断源,4 个中断优先级;2 个DPTR 寄存器;兼容TTL 和CMOS 逻辑电平;含掉电检测电路;提供低功耗模式。 其引脚结构如图3.2 所示: 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计11 图3.2 P89V51RD2 的引脚结构 Fig3.2 Pin configuration P89V51RD2单片机本身就是一个最小系统,但由于应用系统中有些功能器件无法集成到 芯片内部,如晶振电路、复位电路等,因此,控制模块的电路设计还包括振荡电 路和复位电路。如图3.3 所示。 图3.3 P89V51RD2 振荡电路和复位电路 Fig3.3 Oscillator connections resetcircuit P89V51RD2P89V51RD2 单片机的时钟产生办法有内部时钟方式和外部时钟方式两种。本 系统采用内部时钟方式构成振荡电路。为了提高运算速度,选用24M 设计印刷电路板时,晶振和电容尽可能地靠近单片机放置,以保证晶振更好更可靠地工作。 P89V51RD2 单片机在启动时都需要复位,使CPU 及系统各部件处于确定的初 始状态,并从初始状态开始工作。一般有两种复位方式,一种是手动复位,一种 是上电复位。本文采用的上电复位电路,器件通电后,RST 脚上的高电平除了要 保持有效上电复位所需的 个机器周期外,还要保持一段时间,以便振荡器能稳定起振(低频振荡器需要几个毫秒)。本系统中在RST 脚通过一个10uF 的电容连 接到VDD 和通过一个8.2kΩ的电阻连接到VSS,搭建一个RC 电路。 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计12 3.2.2 驱动模块硬件设计 功率集成电路是 20 世纪 80 年代初出现的新型电子器件,通常是指输出功率 大于 1W 的集成电路,它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。智能功率 集成电路实现了功率与信息控制统一在一个器件内,成为机电一体化系统中弱电 与强电的接口。大多数功率集成电路的输入都是TTL 电路或COMS 电平兼容,可 以直接由微处理器控制,状态信号也可以反馈给微处理器。智能功率集成电路的 使用给电机控制系统装置极大的方便,简化了开发和调整工作,缩小了体积,减 轻了重量,提高了可靠性和抗干扰能力,改善了性能,而且也节约了成本,目前 使用相当普遍。 本系统选用了一款DMOS 全桥电机集成驱动芯片,只需外接两个电阻和两个 电容,即可实现电机的全桥驱动、数字电流控制、过流保护、过热保护、欠压保 护、防止对管直通等功能,充分体现了集成功放电路外围电路简单、性能稳定可 靠、控制功能全面的特点。该集成驱动芯片是为中小型直流电机及两相步进电机 设计的功率放大集成电路。芯片内部不仅包含了DMOS 开关功率放大电路,还包 含了直流电机和步进电机驱动及控制所需的所有电路模块,如四位 转换器、电机电流传感放大器、比较器、单稳电路、输入及控制逻辑、过流保护、欠压保 护、过热保护等。由于采用了固定切断时间的斩波放大器及内置四位D/A 转换器, 该芯片可以很容易完成电机电流的数字控制,实现步进电机的微步驱动 电流传感器最大线 集成驱动芯片的引脚结构 Fig3.4 Pin Configuration integrateddrive chip 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计13 OUT1,OUT2:DMOSH 一桥功放输出,接负载电机。 COMPOUT:比较器输出。当电流传感器引脚CS OUT 的电压超过D/A 转换器给定电压时,比较器翻转,触发单稳电路工作,切断电机供电电路。 RC:单稳电路时间参数引脚。在该引脚与地之间连接一并联RC网络, 可以将单稳脉冲的宽度设置为1.1RC M4,M3,M2,M1:D/A转换器的二进制数字输入,其中M4 为最高 BRAKE:急停引脚。当该引脚为逻辑高电平输人时,H桥的两个输入 开关迅速将负载短路,从而使负载电流迅速衰减到零,达到“紧急刹车”的效果。 DIRECTION:方向逻辑输人引脚。其典型电路图如图3.5 所示: 图3.5 典型驱动步进电机电路 Fig3.5 Typical application circuit drivingstep motor 3.2.3 通信模块硬件设计 本文中的打标机控制驱动系统,用户在计算机上编辑要打标的文件或输入复 位或返回位置指令,计算机进行程序处理通过串行口发送指令给控制驱动器。单 片机有时还需将控制驱动器的位置或状态信息通过串行口直接把数据传送给计算 机。这样,就需要在单片机和计算机之间建立一种通信结构。这种通信结构保证 单片机和计算机之间进行有效而正确的信息传送。 单片机和PC 机的串行通信一般采用RS-232、RS-422 或RS-485 总线 是早期为公用电话网络数据通信而制定的标准,其逻辑电平与TTL\ CMOS 电平完全不同。逻辑0规定为+5- +15V 之间,逻辑1”,规定为-5~-15V 之间。单片机和 PC 机通信时,其通信速率由定时器 T1 或定时器 T2 产生。采用 T1 定时器通信的系统,速率不可能过高,一般情况下最高为19200bit/s。本系统 重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计14 单片机和PC 机通信速率设为9600bit/s。 本系统中的串行通信采用异步传送方式,信息是以字符的方式进行传送的, 字符的有效长度为8 位,每个字符传送时还应加上起始位(1 位低电平)和停止位 位高电平),无奇偶校验位,异步传送的各字符不要求连续,字符间以高电平作空闲位。异步传送灵敏度高,但传送的有效数据率低。 由于 RS-232 规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致,必须进行电平转 换。为了解决这个问题,在计算机与P89V51RD2 单片机之间加入MAX202 芯片 包含两路驱动器和接收器的RS-232 转换芯片,芯片内部有一个电压转换器。它仅 需要5V 的电源和5 个0.1u 电容就可以满足RS-232 通讯的需要。MAX202 典型的 工作电路如图3.6 所示。 图3.6 MAX202 典型电路图 Fig3.6 Typical application circuit MAX2023.2.4 电源模块硬件设计 本控制驱动器采用一种低成本的DC-DC 变换实现方案,它可以实现降压、升 压与电压反转应用,其电路简单、成本低廉、效率高、温升低,电路的核心元件 是MC34063 ,它是一种单片双极型线性集成电路,专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制驱动器和大电流输 出开关,能输出1.5A 的开关电流。带有短路电流限制功能,输出电压可调。在控 制驱动器中,通过它构成的电路向单片机提供 5V 的电源和向风扇提供 12V 源。其典型电路如图3.7所示。 图3.7 MC34063 典型电路图 Fig3.7 Typical application circuit MC34063重庆大学硕士学位论文 气动打标机控制驱动器的硬件设计15 3.2.5 电磁阀控制模块硬件设计 气动打标机通过电磁阀的开通和关断控制打标头的运动,打标头在步进电机 的带动下在工件上打印清晰的标记。 本系统采用一款低边DMOS 功率开关来控制电磁阀的开通与关断。它采用脉 宽调制(PWM)的输出。优化了其耐震设计来驱动诸如阀门,螺线管,继电器, 激励器,马达等。PWM 操作节约能源,减少热量产生,得到较高的可靠性。另外, 可调节的PWM能良好的控制为负载供电的电源。DC 到PWM 的输出延迟时间和 振荡器频率也是外部可调的。电阻,模拟电压或数模(D/A)转换器可控制占空比。 输出OK 标志指示热关断或过流的发生。输出电流3A(带有外露的金属散热片), 电源范围为8V 到+32V,指定用于-40到85。其典型电路如图3.8 所示: 图3.8 电磁阀控制电路图 Fig3.8 circuit electromagnetismvalve control 3.2.6 风扇和温度检测模块硬件设计 气动打标机控制驱动器在打标过程中,发热量较大,因此需要加散热片和风 扇进行散热。在风扇出现故障时或温度过热时,应该进行报警或者停止打标动作。 因此,本系统采用一款集成型温度传感器和无刷直流风扇速度控制器。它能 测量自身的结温并基于这个温度控制风扇的速度,特别适用于现代电子设备。故 障探测电路消除了对价格较贵的3线风扇的需要。 风扇正常运行中,SENSE管脚上出现一串脉冲序列。脉冲探测器在风扇运行 时监控该管脚。风扇停转,开路或未连接,引起芯片触发它的启动定时器。如果 故障一直存在,FAULT 管脚输出低电平,器件被锁定至停机模式。触发SHDN或 VDD,可使风扇退出关断模式。 芯片包含片上过温报警(TOVER)功能,当芯片温度超过过温报警单跳变点 10,就发出一个低电平有效信号。不再需要外加用于过温监控的温度传感器。 芯片的/SHDN引脚可进行风扇关断控制,低电平有效输入。在关断模式期间, 芯片仍然监控温度,如果温度升高到工厂设定点以上,TOVER 输出低电平。 重庆大学硕士学位论文

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