基于步进电机的流苏丝线绕制机智能控制器的设计

邵锋,刘红玉

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2.国营760厂，河南新乡453009）

流苏（穗子）作为一种装饰品,在围巾、服饰、挂毯、锦旗、窗帘、工艺品等上广为应用,但目前流苏存在一个共同的问题,就是其丝线的端部常出现开叉、脱线现象,直接影响了装饰效果和流苏的寿命.针对这种情况研制了一种加工流苏丝线的设备,可有效地解决流苏丝线端部的开叉、脱线问题,同时提高了流苏的生产效率和质量,便于工业化生产.流苏线绕制机的组成中,动力机选步进电机,便于实现精确调整速度、调整转向、调整捻度等控制,使丝线绕制机功能更强大,稳定性和效率更高,不仅可以满足各种型号流苏丝线绕制机的控制要求,而且可以应用到现实生活中的很多领域.

1 绕制机系统综合设计

1.1 绕制机机械结构设计

该流苏线绕制机由动力机、传动装置、绕线装置、控制系统、断线装置、底座等部分组成.动力机选步进电机,便于实现调整速度、调整转向、调整捻度等控制；传动装置选齿轮传动,便于实现运动同步,在两绕线轴间加惰轮保证绕线旋向一致,由6个惰轮、12个齿轮以及相关轴和轴承组成；绕线装置由12根绕线轴、钩针、滑板、立柱等组成,为避免装置结构过宽,同时也受绕线长度的限制,将绕线轴在墙板上分上、下两层分布,中间通过惰轮进行传动,绕线轴的端面分布在同一球面上.

1.2 绕制机控制系统设计

根据流苏绕制过程,对步进电机的控制要求有：正转、反转控制；速度设定和圈数设定控制；速度和圈数存储；速度调节范围宽；输出转矩大且可调；速度、圈数实时显示等.绕制机控制系统设计总体框图如图1所示.

图1 绕制机控制系统设计

2 控制系统单元电路设计

绕制机控制系统如图1所示,以性价比比较高的通用型单片机AT89S52为核心控制器,主要有电源电路、显示电路、步进电机控制电路、功能设定键盘等几大部分电路组成.电源采用功耗低、效率高的工控双路开关电源,其中一路为5 V供单片机控制电路,一路为24 V供电机驱动电路；存储模块采用ATMEL公司生产的I2C总线器件AT24C02芯片,实现系统掉电时的数据保护；显示模块采用市面上常用的RT1602C液晶显示模块,设计中0—04h显示"MODE"；06h—0Bh显示"SPEED："；0Ch—0Eh显示3位速度值、然后第2行和第1行对应显示模式、圈数.

2.1 细分驱动模块

2.1.1 硬件电路的设计根据设计的任务要求,电机选用SANYO公司的2/4相混合式步进电机,电机的细分驱动用分立元件很难实现[1],因此选用了东芝公司最新推出的步进电机驱动芯片TB6560AHQ.它的功能很齐全,而且价格较低,能很好满足控制要求.驱动硬件电路如图2所示.

图2 步进电机细分驱动电路

2.1.2 细分驱动原理单片机和驱动芯片的连接如图2.驱动芯片TB6560AHQ自带2、8、16三种细分模式,单片机通过M1和M2两个引脚可以实现对细分的控制,具体的控制如表1.TQ2和TQ1控制驱动芯片的输出电流,通过这两个端的选择可以选择不同的工作电流,具体选择模式如表2.可以通过J1和J2跳线选择最大电流的100%、75%、50%和25%.改变电机的驱动电流也就改变了电机力矩的大小.DCY2和DCY1是电流衰减模式控制端,通过这两个端的选择可以选择不同的衰减模式,具体模式如表3.可以通过J3和J4跳线选择0、25%、50%和100%四种衰减模式.

表1 细分分配表

表2 力矩控制选择模式

表3 电流衰减控制

由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响,步进电机可能会产生高频噪声,通过选择不同的电流衰减模式可以很好的降低甚至消除这种噪声.图3显示了衰减模式为0和50%时线圈电流的变化,可以看出波形具有明显的改善[2].对于丝线绕制机降低步进电机的高频噪声可以显著的提高绕制丝线的质量.

图3 衰减0和50%时电机电流对比

2.2 定时器初值的计算

根据所用步进电机（三洋公司的2-4相两用混和式步进电机）的资料进行分析和现场试验得出：当用四相四拍方式运行时,每个脉冲周期走过1.8°,也就是200个脉冲周期走一圈；当用两相两拍（本设计所选驱动芯片驱动方式）时,每个脉冲周期走过0.9°,也就是400个脉冲周期走一圈.当使用细分驱动时,脉冲数还要乘上细分数.这样就可以根据速度S（S的单位为转/min）自动求出定时器初值：

2.3 按键模块

丝线绕制机在实际应用中需要设定输入圈数和速度等多种参数,故系统设计中采用4*4矩阵键盘作为输入设备.其中数字键10个,用来输入圈数和速度值；模式选择键1个,用来选择模式；正转键1个,按下后电机正转；反转键1个,按下后电机反转；停止键1个,按下电机停止转动；确定键1个,用来把输入的圈数和速度值写进程序的相应位置；调整键1个,按下后进行速度和圈数的设定.

3 软硬件联调

3.1 控制器和步进电机的连接

设计输出4个接口,分别为A﹢、A﹣、B﹢和B﹣.可以驱动普通4线、6线和8线电机[3].其中6线和8线电机又可以分为高速型和高转矩型两种接线方法,丝线绕制机可以根据丝线的不同选择不同的接线方法[4-5].

3.2 细分驱动芯片使用注意事项

（1）该芯片对静电泄露敏感,在焊接时尽量烙铁接地,焊接时间尽量短[6]；

（2）需要对驱动芯片加装合适的散热片,特别是步进电机需要长期大负荷工作的场合；

（3）芯片第7引脚接斩波的电容一定要焊接可靠,其接触不良时会使电流急剧上升,可烧毁芯片[7]；

（4）一定要避免发生输出的两相之间的短路,虽然芯片内部自带过流保护功能,但是经实验发现对两相之间的短路还是不能很好的保护,短时的短路就会造成芯片内部击穿.

3.3 主要软件功能模块的调整

3.3.1 转速的调试步进电机的运行速度主要靠单片机定时器产生的中断脉冲决定,因此定时器定时的长短决定了步进电机的最大运行速度.当单片机使用12 MHz晶振时,用单片机最大的16位定时器也只能使速度达到237转/min,这个速度稍低点,影响控制器的性能,限制了控制器的应用领域.经过计算和比对,当使用40 MHz晶振时,单片机定时器中断频率可以抬高将近3倍多,在软件上虽然把所有的延时函数都延长为原来的3倍,但显示和存储仍无法正常工作,最后经过在开发板上反复试验解决了程序的问题,现在速度最大可以达到700转/min,拓宽了应用领域.

3.3.2 振动问题的调试联合调试时出现电机振动的现象,而且振动出现在每圈的固定位置,虽多次改变接线方法,但是始终没有解决这个问题.经过仔细分析,发现定时器中断函数中每圈结束都会执行一次圈数处理和显示程序,因此感觉可能是中断函数中处理程序过多所致,最后精简了定时器中断时处理的程序,很好的解决了这个问题.

4 结束语

经试用该绕制机控制器在丝线绕制过程中实现了对速度、转向、捻度等精确调整等控制,提高了流苏的生产效率和质量,便于工业化生产,性价也比较高,已经推向市场.本设计也仅仅只是做了一个良好的开端,它不仅需要在技术和质量上进一步加强,而且也需要在产品结构和品种上进一步丰富.

[1] 李强.基于单片机的步进电机控制系统设计与实现[J].仪器仪表用户,2008,15（4）：44-45.

[2] 王党利,宁生科,马宝吉,等.基于TB6560的步进电机驱动电路设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2010,（1）：41-43.

[3] SANYODENKI.2-phase SteppingMOTOR[EB/OL].（2005-12-06）[2010-01-5].http：//www.sanyodenki.net/down.htm/.

[4] 杜坤梅,李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2002.

[5] 颜嘉男.伺服电机应用技术[M].北京：科学出版社,2010.

[6] 张瑞,常静波,刘银年.高稳定度步进电机驱动电路设计[J].计算机工程,2007,4（33）：247-249.

[7] TOSHIBA.PWM Chopper-Type Bipolar Driver IC for Stepping Motor Control[EB/OL].（2008-04-07）[2010-01-06].http：//hd8016257.ourhost.cn/issuance/eWebEditor_v280_Free/Upload File/20081222203310766.pdf/.