基于PIC單片機的主動(dòng)放線(xiàn)機設計

　　0引言

　　速度是工業(yè)生產(chǎn)中的主要被控參數之一，與之相關(guān)的各種速度控制系統已被廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領(lǐng)域。本文介紹的主動(dòng)放線(xiàn)機速度自動(dòng)控制系統適用于微細金屬線(xiàn)的恒張力主動(dòng)放線(xiàn)，可廣泛用于拉絲機、繞線(xiàn)機的前端放線(xiàn)，并可在放線(xiàn)過(guò)程中保持金屬線(xiàn)的張力恒定。適用的線(xiàn)材有金、銀、銅、鋁等，放線(xiàn)速度為0～700 rpm，線(xiàn)徑可達φ0.05 mm，張力控制可通過(guò)擺臂一邊懸掛的砝碼來(lái)手動(dòng)調整。

　　整個(gè)系統選用六線(xiàn)式單極性步進(jìn)電機為執行部件，具有低成本和控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)用可靠、代碼保密性好、片內集成有模擬、數字功能部件等優(yōu)點(diǎn)。而系統選用美國Allegro Microsystems公司的單極性步進(jìn)電機專(zhuān)用驅動(dòng)芯片SLA7026則集驅動(dòng)和保護于一體。因此，該放線(xiàn)機系統結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、工作穩定可靠。

　　1 系統結構及工作原理

　　1.1 系統總體結構

　　該放線(xiàn)機速度控制系統主要由主控芯片PIC18F66J10、驅動(dòng)芯片SLA7026步進(jìn)電機驅動(dòng)器、單極性步進(jìn)電機、反饋指示裝置、環(huán)形電位計和相應機械裝置構成。其結構組成框圖如圖1所示。

　　1.2 系統工作原理

　　當繞線(xiàn)機的線(xiàn)速度大于放線(xiàn)機的線(xiàn)速度時(shí)，擺臂上的滑輪會(huì )向上移動(dòng)，此時(shí)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(jìn)行AD轉化以得到數字量大于程序設定的數字值，然后經(jīng)過(guò)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)驅動(dòng)器隔離放大后，最后送給步進(jìn)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(xiàn)機的線(xiàn)速度小于放線(xiàn)機的線(xiàn)速度時(shí)，擺臂上的滑輪會(huì )向下移動(dòng)，這樣，通過(guò) PI調節，同樣可以使擺臂最終回到水平位置。因此，通過(guò)擺臂位置反饋來(lái)自動(dòng)控制放線(xiàn)速度，使放線(xiàn)機速度與繞線(xiàn)機速度保持同步，便可構成一個(gè)閉環(huán)數控系統。其數字PI控制系統框圖如圖2所示。圖中，P為比例系數，它所構成的控制器比例環(huán)節的作用是對偏差瞬間做出快速反應。I是積分系數，它所構成的積分環(huán)節的作用是把偏差的積累作為輸出。TS為采樣時(shí)間，它決定單片機每隔多長(cháng)時(shí)間將實(shí)時(shí)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(jìn)電機控制器

　　本系統中的步進(jìn)電機控制器主要由單片機PIC18F66J10、反饋信號調理電路、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(diǎn)：

　　◇采用納瓦技術(shù)，具有多種運行模式，可顯著(zhù)降低功耗；

　　◇片內具有64 KB的Flash程序存儲器和2048字節的SRAM數據存儲器；

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

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

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

　　◇有11個(gè)通道10位A／D轉換器。該模塊包含有可編程采集時(shí)間，因此不必等待一個(gè)采樣周期就可選擇通道并啟動(dòng)轉換，從而減少代碼開(kāi)銷(xiāo)。

　　實(shí)際上，設計時(shí)可選用11 MHz晶振，并通過(guò)使用片內4倍頻鎖相環(huán)使系統時(shí)鐘頻率達到40MHz。也可用單片機驅動(dòng)能力較強的PORTC口的RC0、RC1、RC2、RC3這四個(gè)管腳來(lái)輸出具有時(shí)序的方波，以作為控制步進(jìn)電機轉速的控制信號。由于單片機內部集成有11通道10位高速A／D轉換器，因此，選用模擬通道AN0作為 A／D轉換的模擬電壓輸入。A／D轉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(guò)了A／D轉換器的輸入要求，所以要經(jīng)過(guò)精密電阻分壓、電容濾波、集成運放構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(lái)進(jìn)行分壓，以使進(jìn)行A／D轉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(jìn)電機控制器與驅動(dòng)器隔離開(kāi)來(lái)，可消除電機電感性繞組的串擾，從而使驅動(dòng)電路的變化不至于影響或者損壞控制電路部分，這樣可提高系統的可靠性，增強其抗干擾能力。

2.2 步進(jìn)電機驅動(dòng)器SLA7026

　　步進(jìn)電機按照電機驅動(dòng)架構可分為單極性和雙極性步進(jìn)電機。本設計選用的單極性步進(jìn)電機包含兩組帶有中間抽頭的線(xiàn)圈，整個(gè)電機共有六條線(xiàn)與外界連接。

　　圖3所示是一種單極性步進(jìn)電機驅動(dòng)電路。它使用四個(gè)功率MOSFET來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)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的柵極驅動(dòng)信號來(lái)自經(jīng)過(guò)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(jìn)電機驅動(dòng)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，并用脈寬調制(PWM)控制輸出相電流，其內部鉗位和續流二極管可提供對感性負載暫態(tài)過(guò)程的保護，十分適用于半步／整步單極性驅動(dòng)模式。該器件的工作電壓最大可達46 V，電流可達3A。

　　由SLA7026構成的步進(jìn)電機驅動(dòng)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(guò)來(lái)的控制信號，可用來(lái)控制驅動(dòng)芯片內部NMOS管的快速導通與截至，從而變換給電機繞組通電以驅使步進(jìn)電機轉動(dòng)。OUTA、OUTA、OUTB、OUTB驅動(dòng)芯片的輸出端接步進(jìn)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(lái)設置輸出電流大小。TDa、TDb是OFF時(shí)間端。SLA7026驅動(dòng)芯片內部的PWM電流控制原理為：先使能輸出，以使電流流經(jīng)步進(jìn)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(shí)，電流傳感比較器將PWM鎖存器復位，此后，驅動(dòng)芯片關(guān)閉一段時(shí)間(OFF時(shí)間)。在這段時(shí)間里，由于負載電感作用會(huì )引起續流，并使電流衰減。然后，驅動(dòng)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。驅動(dòng)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(shí)際工作時(shí)，通過(guò)調節電位器阻值就可使輸出電流穩定為3 A。

　　2.3 電源設計

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

　　3 軟件設計

　　本系統軟件由主程序、A／D轉換子程序、PI控制算法子程序和脈沖信號產(chǎn)生子程序等部分組成。主程序主要完成數控系統各子程序的上電初始化，以及實(shí)際控制過(guò)程中各個(gè)功能模塊的協(xié)調。A／D轉換子程序用于完成擺臂位置的采樣轉換，實(shí)際編程時(shí)，為了降低采樣過(guò)程的瞬態(tài)誤差干擾，本設計運用了算術(shù)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(guò)多次采樣的反饋值求算術(shù)平均取得的。PI控制算法子程序是軟件設計的重點(diǎn)，調試時(shí)要根據放線(xiàn)機的運行狀況，反復調整P系數KP、I系數Ki、采樣時(shí)間Ts和設定值SetValue，以求達到最好的運行效果。脈沖信號產(chǎn)生程序設計應根據步進(jìn)電機驅動(dòng)波形的時(shí)序關(guān)系來(lái)不斷循環(huán)延時(shí)，并通過(guò)給單片機口線(xiàn)置高、低電平來(lái)實(shí)現。其中精確定時(shí)是使用CCP(捕捉／比較／PWM)模塊來(lái)完成的。設計中讓CCP2工作在比較模式，并選用16位定時(shí)器T1作時(shí)基，在每個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期到來(lái)時(shí)使T1數據寄存器中的值從0不斷加1，當與16位比較寄存器CCPR2里的設定值匹配時(shí)，系統將產(chǎn)生軟件中斷，然后在中斷服務(wù)程序中將RC0、RC1、RC2、RC3置高、低電平。圖5所示是系統的主程序流程圖，而其PI控制算法子程序流程圖則如圖6所示。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文分析了主動(dòng)放線(xiàn)機的軟硬件實(shí)現方法，該方法通過(guò)選用動(dòng)態(tài)響應快，易于啟停及變速的步進(jìn)電機作為執行元件，抗干擾性較強的PIC單片機 PIC18F66J10作為主控芯片和集成PWM驅動(dòng)芯片SLA7026作為步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路設計，從而提高了系統工作的穩定性和可靠性。同時(shí)使用PI控制算法使放線(xiàn)速度不斷跟隨繞線(xiàn)速度的變化，近而達到放線(xiàn)速度自動(dòng)控制目的。實(shí)驗證明，該系統能達到相關(guān)技術(shù)指標，可在使用中取得良好的效果。