基于LonWorks技術(shù)步進電機智能控制器硬件設(shè)計

1 引 言

　　步進電機是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換為直線或角位移的伺服執(zhí)行元件，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好，并且具有步距值不受諸如電壓和溫度變化的影響、誤差不長期積累等優(yōu)點，所以在儀器儀表、機器人、數(shù)控機床、工業(yè)控制、樓宇自動化等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。其基本原理是每施加一個脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定的角度，稱為一步。隨著輸入到步進電機的脈沖數(shù)增加，直線或角位移也隨之增加。如果將脈沖信號的頻率變大，則步進電機的旋轉(zhuǎn)速度就隨之而變快，反之則變慢。

　　為了實現(xiàn)步進電機的運動控制，較多采用的一種方案是以傳統(tǒng)的單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，實現(xiàn)步進電機的速度和位置控制。但是，這種方案中微處理器本身不具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力，要想和上位機器連接需要加上其他的通訊接口且可靠性較差，實現(xiàn)起來麻煩，并且在使用一些智能控制算法時，傳統(tǒng)單片機不容易實現(xiàn)并且程序處理速度也成為制約提高系統(tǒng)實時控制性的一個瓶頸。 由于LonWorks技術(shù)將底層控制和網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)合起來，并且通過其主要部件神經(jīng)元芯片來進行控制，可以在局域或遠程計算機上(簡稱上位控制機)隨時將控制信號傳遞給LonWorks智能控制器，實現(xiàn)對步進電機旋轉(zhuǎn)角度和速度控制。同時由于采用NeuronC進行編程，可以很方便地實現(xiàn)智能控制算法，并將程序下載到所設(shè)計的智能控制器中，所以采用LonWorks技術(shù)進行步進電機的控制系統(tǒng)的設(shè)計將具有更高的精度、靈活性、適應(yīng)性并且可以通過網(wǎng)絡(luò)對步進電機進行實時監(jiān)視和控制。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　要采用LonWorks技術(shù)進行步進電機智能控制器的設(shè)計，首先必須進行整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，這里采用的控制方法分為兩種：

(1)讓步進電機按照上位控制機發(fā)出的控制信號進行，包括轉(zhuǎn)角的大小和運行的速度。

(2)讓步進電機按照外部測量和控制設(shè)備的信號進行運動。 設(shè)計的智能控制器的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。執(zhí)行／停止按鈕接在神經(jīng)元芯片的IO4腳，用來控制電機按照控制器內(nèi)部的程序進行運行。正向點動按鈕接神經(jīng)元芯片的IO5腳，用來手動控制步進電機進行正向點動，每步的點動時間由程序來決定，按一下點動一下，如按住按鈕不放，則進行連續(xù)點動。反向點動按鈕接神經(jīng)元芯片的IO6腳，用來手動控制步電機進行反向點動，控制方式同正向點動按鈕。所有按鈕一端接470Ω的電阻后接+5V電源，另一端接神經(jīng)元芯片的相應(yīng)的IO口引腳并同時接地。A／D轉(zhuǎn)換電路和神經(jīng)元芯片的IO7，IO8，IO9，IO10腳相聯(lián)，用來將測量裝置的模擬量信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號再送人神經(jīng)元芯片進行處理。IO0～IO3用于提供步進電機驅(qū)動電路所需要波形信號。

　　具體的操作過程是這樣的，首先將設(shè)計好的程序進行編譯，然后下載到控制器中，按下執(zhí)行按鈕，步進電機將按照下載的程序控制方法進行運動，同時我們也可以實時地在上位控制機上向智能控制器傳遞控制信號，讓步進電機在控制器內(nèi)部程序的控制之下，按照我們的指定的運動方式進行。

3 具體硬件的設(shè)計

3．1 LonWorks控制模塊的設(shè)計
　
　　使用LonWorks技術(shù)進行智能控制器離不開控制模塊，他是LonWorks智能控制器的最基本的一個控制單元，按照Echelon公司的思想，控制模塊實際上是設(shè)計LonWorks智能節(jié)點的一個通用模塊，是與外部接口電路分離的不同單元。圖2是所設(shè)計的控制模塊的電路板圖。

　　神經(jīng)元芯片采用Toshiba公司的TMPN3150，存儲器采用Atmel公司的AT29C256，收發(fā)器選用Echelon公司的FTT-10A自由拓撲雙絞線收發(fā)器，2中左20插腳分別與神經(jīng)元；S片的11個I／O，RESET，SERVICE，電源及接地引腳等直接相連，右6個插腳中間2個用來接雙絞線接口。在智能控制器的開發(fā)時，控制模塊只需設(shè)計一次，其他同類型的產(chǎn)品都可以采用。

3．2 A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

　　為了讓控制器能夠根據(jù)測量的模擬信號進行步進電機的控制，所以必須將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，這里考慮到步進電機的控制精度，所以必須選用精度躬高的A／D轉(zhuǎn)換芯片。另外考慮到神經(jīng)元芯片和A／D芯片在進行連接時，使用串行方式可以節(jié)省神經(jīng)元芯／的IO端口，所以選用Maxim公司的8路輸入12b精度的高速、低功耗串行A／D轉(zhuǎn)換器MAXl86?？梢杂袉?5V電源輸人或者土5 V電源輸入。模擬輸入可以通過軟件配置為雙極性／單極性、單端／差分工作方式。MAXl86具有四線串行接口，可以直接與SPI、QSPI或Microwire外部邏輯的設(shè)備直接相連，MAXl86內(nèi)部有+4．096V參考電壓源。

　　圖3是A／D轉(zhuǎn)換芯片的接口電路以及和神經(jīng)元芯片的引腳連接圖，神經(jīng)元芯片的IO7在這里用于MAXl86的片選，IO8提供時鐘信號輸出，IO9用于串行數(shù)據(jù)輸出，IO10用于串行數(shù)據(jù)輸入。MAXl86的控制字的寫入與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出通過串行數(shù)據(jù)線完成，其各個輸入通道由控制字進行選擇。模擬信號輸入范圍是0～十4．096V。需要說明的是模擬信號的輸入必須加上信號調(diào)理電路進行信號的轉(zhuǎn)換、放大和縮小等以適應(yīng)量程的需求。

3．3 步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計

　　步進電機在這里選用二相八步，也就是控制時鐘走8個周期，步進電機走一定格。所以選用一種用來驅(qū)動二相步進電機的專用芯片UC3770A，他由可控制邏輯輸入端，電流傳感器，含有內(nèi)置式保護二極管的單穩(wěn)態(tài)輸出端組成。由于控制的是二相步進電機，所以采用2片UC3770A和一些外部元件可以組成一個完備的二相步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。

　　圖4是由2片UC3770A組成的驅(qū)動電路。UC3770A邏輯輸入端在開路時，被認為是高電子輸入。UC3770A的換相輸入端為管腳8，他控制著二相步進電機繞組電流的方向，內(nèi)置的施密特觸發(fā)器產(chǎn)生換相延時，可以有效地消除電流換相時輸出管腳電流噪音干擾。輸出端為管腳1和管腳15，電路工作時，步進電機繞組的驅(qū)動電流從0增大，管腳16上的外接電阻產(chǎn)生分壓Vrs，Vrs通過低通電路的電阻Rc加壓于管腳10，當(dāng)Vrs增大超過內(nèi)置電壓比較器的門限電壓時，將關(guān)斷電流開關(guān)運算器，電流開關(guān)運算器產(chǎn)生信號關(guān)斷其內(nèi)部晶體管，繞組電流將通過續(xù)流二極管組成的環(huán)行通路里續(xù)流，電流逐漸減小，Vrs也隨之減小；當(dāng)小于門限電壓時，電流開關(guān)運算器開啟，此過程周而復(fù)始重復(fù)，直至繞組電流被要求反相；當(dāng)換相輸入端管腳8被輸入邏輯信號要求換相時，開啟的晶體管被關(guān)斷，關(guān)斷的一組晶體管將被開啟，此時繞組電流減小至0，再反向增大。

3．4 UC3770A輸入信號波形的產(chǎn)生

　　由于對二相步進電機進行二相八步控制，所以必須讓神經(jīng)元芯片輸出和此相適應(yīng)的波形信號，然后將波形信號輸入UC3770A，從而控制步進電機。為了滿足要求，對于2片UC3770A需要的波形時序圖如圖5所示，如讓步進電機正向運動，PhaseB的波形選擇圖中的正向，如讓步進電機反向運動，只要將PhaseB的波形取反選擇圖中的反向，根據(jù)時序圖，其實只要在程序的控制之下在IO0一IO3口產(chǎn)生相應(yīng)的時序波形即可。也就是在相應(yīng)間隔時間下讓IO0一IO3依次輸出1100→0110→0100→0001→0000→1010→1000→1101，如果讓步進電機反向運行，則IO0～IO3依次產(chǎn)生1000→0010→0000→00101→0100→1110→1100→1001，由于神經(jīng)元芯片IO口本身具有較高的可靠性，完全可以滿足UC3770A的要求。這樣一來省去了波形發(fā)生電路的設(shè)計，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

4 結(jié) 語

　　通過LonWorks技術(shù)可以非常方便設(shè)計出二相八步步進電機智能控制器，不僅結(jié)構(gòu)簡單而且可靠性高。通過LonWorks技術(shù)設(shè)計步進電機智能控制器，將智能控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、計算機實時控制都結(jié)合起來，具備較高的技術(shù)含量，彌補了傳統(tǒng)單片機控制的不足，具有很好的發(fā)展和應(yīng)用前景。