基于PIC單片機的主動放線機設計

　　0引言

　　速度是工業(yè)生產(chǎn)中的主要被控參數(shù)之一，與之相關的各種速度控制系統(tǒng)已被廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。本文介紹的主動放線機速度自動控制系統(tǒng)適用于微細金屬線的恒張力主動放線，可廣泛用于拉絲機、繞線機的前端放線，并可在放線過程中保持金屬線的張力恒定。適用的線材有金、銀、銅、鋁等，放線速度為0～700 rpm，線徑可達φ0.05 mm，張力控制可通過擺臂一邊懸掛的砝碼來手動調(diào)整。

　　整個系統(tǒng)選用六線式單極性步進電機為執(zhí)行部件，具有低成本和控制方法簡單的優(yōu)點，核心控制芯片選用美國Microchip公司的PIC單片機 PIC18F66J10，該芯片具有實用可靠、代碼保密性好、片內(nèi)集成有模擬、數(shù)字功能部件等優(yōu)點。而系統(tǒng)選用美國Allegro Microsystems公司的單極性步進電機專用驅(qū)動芯片SLA7026則集驅(qū)動和保護于一體。因此，該放線機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作穩(wěn)定可靠。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　該放線機速度控制系統(tǒng)主要由主控芯片PIC18F66J10、驅(qū)動芯片SLA7026步進電機驅(qū)動器、單極性步進電機、反饋指示裝置、環(huán)形電位計和相應機械裝置構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

　　1.2 系統(tǒng)工作原理

　　當繞線機的線速度大于放線機的線速度時，擺臂上的滑輪會向上移動，此時如將環(huán)形電位器反饋回的電壓信號送到單片機PIC18F66J10的模擬輸人口進行AD轉(zhuǎn)化以得到數(shù)字量大于程序設定的數(shù)字值，然后經(jīng)過PI算法運算后，就可使控制器輸出的四路脈沖頻率增加。頻率增加后的脈沖信號經(jīng)驅(qū)動器隔離放大后，最后送給步進電機，使電機速度增加，從而使擺臂回到水平位置。反之，當繞線機的線速度小于放線機的線速度時，擺臂上的滑輪會向下移動，這樣，通過 PI調(diào)節(jié)，同樣可以使擺臂最終回到水平位置。因此，通過擺臂位置反饋來自動控制放線速度，使放線機速度與繞線機速度保持同步，便可構(gòu)成一個閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。其數(shù)字PI控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖中，P為比例系數(shù)，它所構(gòu)成的控制器比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差瞬間做出快速反應。I是積分系數(shù)，它所構(gòu)成的積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。TS為采樣時間，它決定單片機每隔多長時間將實時位置反饋量與程序設定目標量的差值帶入PI算法公式。

　　2 硬件設計

　　2.1 步進電機控制器

　　本系統(tǒng)中的步進電機控制器主要由單片機PIC18F66J10、反饋信號調(diào)理電路、光電隔離電路等組成。

　　(1) 單片機PIC18F66J10

　　單片機PIC18F66J10是Microchip公司推出的一款8位高檔Flash型單片機。具有如下特點：

　　◇采用納瓦技術，具有多種運行模式，可顯著降低功耗；

　　◇片內(nèi)具有64 KB的Flash程序存儲器和2048字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲器；

　　◇內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)倍頻器在外部振蕩器模式下使用時，其允許時鐘速度高達40 MHz，從而可使執(zhí)行速度達到10 MIPS；

　　◇包含2個獨立增強型USART異步串口以及2個主控SSP同步串行端口模塊，同時具備SPI和I2C (主控和從動)兩種工作模式；

　　◇具有2個捕捉／比較／PWM (CCP)模塊和3個增強型CCP模塊，具有控制的最大靈活性；

　　◇有11個通道10位A／D轉(zhuǎn)換器。該模塊包含有可編程采集時間，因此不必等待一個采樣周期就可選擇通道并啟動轉(zhuǎn)換，從而減少代碼開銷。

　　實際上，設計時可選用11 MHz晶振，并通過使用片內(nèi)4倍頻鎖相環(huán)使系統(tǒng)時鐘頻率達到40MHz。也可用單片機驅(qū)動能力較強的PORTC口的RC0、RC1、RC2、RC3這四個管腳來輸出具有時序的方波，以作為控制步進電機轉(zhuǎn)速的控制信號。由于單片機內(nèi)部集成有11通道10位高速A／D轉(zhuǎn)換器，因此，選用模擬通道AN0作為 A／D轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入。A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓使用芯片自帶的正電源電壓和負電源電壓(AVDD和AVSS)。

　　(2) 反饋信號調(diào)理電路

　　由于從環(huán)形電位器反饋回的電壓信號范圍是0～10 V，此電壓超過了A／D轉(zhuǎn)換器的輸入要求，所以要經(jīng)過精密電阻分壓、電容濾波、集成運放構(gòu)成的電壓跟隨器跟隨，再送到單片機的模擬通道輸入口。本設計選用 1MΩ和330 kΩ的電阻來進行分壓，以使進行A／D轉(zhuǎn)換的電壓信號變化范圍保持在0～2.5 V。其中集成運放選用低功耗、單電源5 V供電的軌至軌輸入輸出通用運算放大器MAX492。

　　(3) 光電隔離電路

　　選用高速光電耦合器6N137組成的光電隔離電路將步進電機控制器與驅(qū)動器隔離開來，可消除電機電感性繞組的串擾，從而使驅(qū)動電路的變化不至于影響或者損壞控制電路部分，這樣可提高系統(tǒng)的可靠性，增強其抗干擾能力。

2.2 步進電機驅(qū)動器SLA7026

　　步進電機按照電機驅(qū)動架構(gòu)可分為單極性和雙極性步進電機。本設計選用的單極性步進電機包含兩組帶有中間抽頭的線圈，整個電機共有六條線與外界連接。

　　圖3所示是一種單極性步進電機驅(qū)動電路。它使用四個功率MOSFET來驅(qū)動步進電機的兩組相位。兩相繞組的公共端接到電源VSUPPLY，電機繞組的自由端接各自功率MOSFET的漏極，MOSFET的柵極驅(qū)動信號來自經(jīng)過光電隔離的單片機的控制信號。

　　本設計選用Allegro Microsystems公司的大電流PWM單極性步進電機驅(qū)動芯片SLA7026。該芯片集成了低功率CMOS邏輯電路和高電壓大電流的電力 MOSFET輸出，可利用采樣電阻檢測電流，并用脈寬調(diào)制(PWM)控制輸出相電流，其內(nèi)部鉗位和續(xù)流二極管可提供對感性負載暫態(tài)過程的保護，十分適用于半步／整步單極性驅(qū)動模式。該器件的工作電壓最大可達46 V，電流可達3A。

　　由SLA7026構(gòu)成的步進電機驅(qū)動電路如圖4所示。該電路的供電電壓是24 V，INA、INA、INB、INB是單片機經(jīng)光電隔離送過來的控制信號，可用來控制驅(qū)動芯片內(nèi)部NMOS管的快速導通與截至，從而變換給電機繞組通電以驅(qū)使步進電機轉(zhuǎn)動。OUTA、OUTA、OUTB、OUTB驅(qū)動芯片的輸出端接步進電機兩相繞組的自由端。Rsa、Rsb分別接采樣功率電阻0.33Ω以檢測電流大小。REFa、REFb是參考電壓輸入端，主要用來設置輸出電流大小。TDa、TDb是OFF時間端。SLA7026驅(qū)動芯片內(nèi)部的PWM電流控制原理為：先使能輸出，以使電流流經(jīng)步進電機繞組和采樣電阻，當電流采樣電阻上的電壓等于參考電壓時，電流傳感比較器將PWM鎖存器復位，此后，驅(qū)動芯片關閉一段時間(OFF時間)。在這段時間里，由于負載電感作用會引起續(xù)流，并使電流衰減。然后，驅(qū)動芯片將重新被使能，這樣周期性地重復，就可達到限流的目的。驅(qū)動芯片中一相繞組中的電流計算公式為：

　　若R9取200Ω，R15取0.33Ω，R17選1 kΩ的電位器，那么，實際工作時，通過調(diào)節(jié)電位器阻值就可使輸出電流穩(wěn)定為3 A。

　　2.3 電源設計

　　由于本放線機使用的是市電220 V，所以，本設計選用臺灣明緯的AC／DC開關電源將交流220 V變成直流24 V，然后再經(jīng)過PWM控制器NCP1200構(gòu)成的反激式開關電源將該24 V變成直流5 V，再經(jīng)過LDO穩(wěn)壓芯片AS1117-3.3V變換并穩(wěn)壓至3.3 V給單片機供電。另外，該24 V還要經(jīng)過三端可調(diào)穩(wěn)壓塊LM317變成5 V以給SLA7026提供輔助電源。

　　3 軟件設計

　　本系統(tǒng)軟件由主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、PI控制算法子程序和脈沖信號產(chǎn)生子程序等部分組成。主程序主要完成數(shù)控系統(tǒng)各子程序的上電初始化，以及實際控制過程中各個功能模塊的協(xié)調(diào)。A／D轉(zhuǎn)換子程序用于完成擺臂位置的采樣轉(zhuǎn)換，實際編程時，為了降低采樣過程的瞬態(tài)誤差干擾，本設計運用了算術均值濾波的方法，即最終參與控制運算的位置反饋值是通過多次采樣的反饋值求算術平均取得的。PI控制算法子程序是軟件設計的重點，調(diào)試時要根據(jù)放線機的運行狀況，反復調(diào)整P系數(shù)KP、I系數(shù)Ki、采樣時間Ts和設定值SetValue，以求達到最好的運行效果。脈沖信號產(chǎn)生程序設計應根據(jù)步進電機驅(qū)動波形的時序關系來不斷循環(huán)延時，并通過給單片機口線置高、低電平來實現(xiàn)。其中精確定時是使用CCP(捕捉／比較／PWM)模塊來完成的。設計中讓CCP2工作在比較模式，并選用16位定時器T1作時基，在每個定時器時鐘周期到來時使T1數(shù)據(jù)寄存器中的值從0不斷加1，當與16位比較寄存器CCPR2里的設定值匹配時，系統(tǒng)將產(chǎn)生軟件中斷，然后在中斷服務程序中將RC0、RC1、RC2、RC3置高、低電平。圖5所示是系統(tǒng)的主程序流程圖，而其PI控制算法子程序流程圖則如圖6所示。

　　4 結(jié)束語

　　本文分析了主動放線機的軟硬件實現(xiàn)方法，該方法通過選用動態(tài)響應快，易于啟停及變速的步進電機作為執(zhí)行元件，抗干擾性較強的PIC單片機 PIC18F66J10作為主控芯片和集成PWM驅(qū)動芯片SLA7026作為步進電機驅(qū)動器來簡化硬件電路設計，從而提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。同時使用PI控制算法使放線速度不斷跟隨繞線速度的變化，近而達到放線速度自動控制目的。實驗證明，該系統(tǒng)能達到相關技術指標，可在使用中取得良好的效果。