步進控制技術在繞線設備系統中的應用*

張凱軍

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

步進控制技術在繞線設備系統中的應用*

張凱軍

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

為了滿足繞線設備系統的穩定精密繞制要求，研制了基于步進控制技術的繞線設備系統。在簡述步進電機、步進驅動器及步進控制器技術特點的基礎上，講述了步進控制技術在繞線設備系統中的應用，介紹了繞線設備的系統組成、工作原理、技術特點和軟硬件實現方法，并給出了設備電氣系統接線圖和部分系統控制程序段。使用結果表明，采用步進控制技術的繞線設備控制系統實時性好，自動參數可以靈活設置。系統性能穩定，繞線精度高，能滿足工藝使用要求。

步進電機；步進驅動器；步進控制器；繞線系統

引 言

繞線設備是專門用于產品繞線生產的工具。繞線系統的性能好壞直接影響到繞線產品的質量穩定性及工藝一致性，還影響到生產廠家的經濟效益。

步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電動執行機構。由于受脈沖的控制，其轉子的角位移量和速度嚴格地與輸入脈沖的數量和脈沖頻率成正比。通過控制脈沖數量來控制角位移量，可達到準確定位的目的。通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，可達到調速的目的，通過改變電機的通電順序，可達到改變電機旋轉方向的目的。

步進電機由于具有轉子質量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，已成為運動控制領域的主要執行元件之一。步進電機是機電一體化的關鍵產品，廣泛應用在各種自動化控制系統和機電一體化系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個行業的控制領域都有廣泛的應用。

開發基于步進控制技術的自動繞線設備系統可以顯著提高繞線產品的自動化生產效率和產品穩定性。采用步進電機及步進驅動器配合步進控制器的自動繞線控制系統，集信號采集顯示與運算放大、自動驅動于一體，使系統操作簡化，自動化程度高，穩定性好，可靠性強[1-3]。

1 系統組成

自動繞線設備系統主要由主繞線步進電機及驅動器、排線步進電機及驅動器、步進控制器、控制電源及繞線結構系統等組成。系統整體性能穩定可靠，操作簡單，能為產品的自動繞線生產提供良好的生產平臺。系統控制原理示意框圖見圖1。

圖1 系統控制原理示意框圖

系統使用的步進控制器DMC300A采用高性能DSP+FPGA主控，軟件指令資源豐富、編程功能強大、使用簡單；支持任意兩軸直線、圓弧插補，每軸帶2個硬件限位點；支持每軸200 kHz的脈沖頻率，標準的梯形加速曲線；人機交互界面便捷：內嵌鍵盤模塊、128×64點陣液晶顯示，提供顯示指令，用戶可靈活控制顯示；可在PC機編程下載用戶程序或在鍵盤上直接編程。

2 工作原理

自動繞線控制系統主要采用科瑞特自動化有限公司生產的步進電機YK86HB80及配套的步進驅動器YK2608MG、步進電機YK110HB99及配套的步進驅動器YKA2811MA配合三軸步進控制器DMC300A進行聯合控制，步進控制器通過接口卡與驅動器及外圍硬件互聯。它是系統的運算控制中心，同時也是用戶對系統的監控操作平臺。步進電機控制器根據系統程序協調控制主繞軸步進電機和排線步進電機工作。系統控制硬件實物見圖2。

圖2 系統控制硬件實物組成圖

電氣控制系統主要協調各結構部件的協同動作，同時實時采集系統現場工作參數進行運算顯示。系統控制電氣接線圖見圖3。步進控制器根據工藝需求程序進行運算處理，輸出脈沖信號給步進驅動器，驅動器將脈沖信號放大后輸出給步進電機，電機接到驅動信號后執行機械結構動作。步進控制器實時采集繞線圈數的計數信號和按鈕等信號進行運算處理并在液晶屏上顯示。

圖3 系統控制電氣接線圖

采用步進電機配合步進控制器進行控制具有如下特點：

1)步進電機的角位移與輸入脈沖數成正比，電機運轉一周后沒有累積誤差，具有良好的跟隨性；

2)由步進電機與驅動器電路組成的開環數字控制系統簡單、廉價、可靠；

3)步進電機的動態響應快，易于啟停、正反轉及變速；

4)速度可在相當寬的范圍內平滑調節，低速下能保證獲得大轉矩；

5)步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源；

6)步進電機存在振蕩和失步現象，須對控制系統和機械負載等采取相應的措施；

7)步進電機自身的噪聲和振動較大，帶瞬間負載的能力較差。

系統的主要技術特點如下：

1)完全數字控制，參數數字化可調。

2)排線精度高，排線起始位置、排線寬度靈活可設。

3)繞線圈數、出線位置精確可設，排線、繞線過程完全數控，產品成型效果好，與排線層數無關。

4)繞線效率高，采用專業運動控制系統及配件，穩定性好；模塊化結構，安裝調試方便。

5)參數設置合理、易學好用。

3 系統實現

系統實現包括硬件實現和軟件實現，硬件主要由步進電機、步進驅動器、步進控制器(見圖2)及機械結構繞線系統等組成，用于完成繞線的工藝功能。系統控制器硬件接線見圖4，連接好控制器與驅動器及外界開關與電源后上電可實現系統控制功能。

圖4 系統控制器硬件接線圖

端點說明如下：

1)PU0、PU1、PU2為三軸脈沖控制信號。

2)DR0、DR1、DR2為三軸方向控制信號。

3)OT0～OT7為8個點位輸出信號。

4)IN0～IN7為輸入信號觸發開關。

5)Run(IN14)、Stop(IN15)是2個特定運行和停止外接輸入點。

6)L0～L2+/-是三個軸的左右限位，其中，L0+、L0-(IN8、IN9)為X軸的左右限位；L1+、L1-(IN10、IN11)為Y軸的左右限位；L2+、L2-(IN12、IN13)為Z軸的左右限位。

7)V+(24V)、V-(GND)為電源和地(內部提供電流<500 mA/路)。

8)RS232為連接PC的通信口。

系統軟件實現主要指步進控制器的軟件設計，步進控制器編程采用步進控制軟件Motion300A進行編程，在計算機上根據工藝控制要求按程序指令進行程序設計。對控制器編程有3個步驟：程序輸入，編譯和下載到控制器。

程序設計采用匯編指令語句進行編寫，設計完成后通過軟件自動編譯，把編譯無誤的程序段按工藝要求修改完善。只有編譯全部正確后才能通過串口線下載到步進控制器中備用。

系統的監控操作界面如圖5所示?？筛鶕嶋H應用需求利用計算機畫圖軟件進行布局設計，在畫面中定義好所需的工作參數及顯示位置，主要參數包括繞線速度、繞線圈數、加工數量等。設計完畢后將畫面及設置的參數導入步進控制器的內部存儲器中備用。當系統加電后點按鍵“編程”、“參數”、“運行”、“急?！钡瓤蛇M行系統參數的修改和控制設備的運行。系統運行時監控液晶界面會實時顯示工作參數。

圖5 系統監控操作界面圖

軟件程序每條語句由序號、操作指令與操作數等組成，系統部分程序段如下：

0001 SPEED 0,S10,S20,S30;

0002 SPEED 1,S12,S22,S32;

0003 SPEED 3,S14,S24,S34;

0004 ADJ 0,10;

0005 ADJ 1,10;

0006 INC M0;

0007 DISPLAY 2,M0,0;

0008 LINAD S16,S26;

0009 CWID S18,0,S28,0;

0010 DRVID 1,S40;

0011 PAUSE 1;

0012 DRVID 0,S60;

0013 PAUSE 0;

0014 LOOP 6,100;

0015 END

系統程序設計按照繞線工藝要求進行編寫，實際自動繞線時，預先進入系統設置界面定義好工藝參數并確認無誤后保存退出。實際進行自動繞線時，按控制器自動按鍵或設備外接自動按鈕啟動系統，自動完成繞線監控過程直至結束。

手動調試操作時，切換界面進入系統手動控制界面，單擊步進控制按鍵開關可進行各運動軸的手動調試控制。手動調試的點動速度及加減速參數均可設置。自動參數設置時切換模式進入自動參數設置界面，進行自動繞線參數設置。如果需要，亦可直接在控制器上修改程序，點擊編程按鍵輸入系統權限密碼后進行修改，修改后的程序在斷電后自動保存。

4 結束語

采用步進電機及步進驅動器配合步進控制器的自動繞線設備系統操作簡單，運行穩定，性能控制靈活可靠，能夠滿足繞線工藝要求。在生產使用時，根據實際繞線需要可在硬件配置不變的情況下實時進行系統控制程序的修改，以滿足不同工藝生產的控制需要。對于系統扭矩適中、速度經常需要變化的運動控制場合，采用步進控制技術比較容易實現。配套的步進控制器液晶屏分辨率偏低，顯示的內容不夠豐富，開發類似于觸摸技術的高性能一體化控制器會更好地滿足客戶的需要。隨著步進處理技術和步進集成控制功能的進步，步進控制技術的應用將會越來越廣泛。

[1] 溫正偉. 電機解讀系列之解讀步進電機[J]. 無線電, 2012(9): 86-90.

[2] 張明. 步進電機的基本原理[J]. 機械與電子, 2007(9): 83.

[3] 黃建科. 步進電機在自動線中的應用[J]. 制造業自動化, 2009(8): 135-137, 172.

張凱軍(1975-)，男，碩士，高級工程師，主要從事機電一體化系統設計研究工作。

Application of Step Control Technology on Rolling Lines Equipment System

ZHANG Kai-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to satisfy the requirements of stable and precise rolling for the rolling lines equipment system, the rolling lines equipment system based on step control technology is developed. After brief description the technology characteristics of step motor, step driver and step controller, the application of the step control technology on the rolling lines equipment system is discussed. The system constitution, working principle, technology characteristics and software and hardware implementation methods of the rolling lines equipment are introduced, and the electrical system wiring diagram and part of the control program block are given. Practical use indicates that the rolling lines equipment control system using step control technology has good real time property. The auto-parameters can be configured flexibly. The system has stable performance and high rolling precision, satisfying the technical requirements.

step motor; step driver; step controller; rolling lines system

2014-02-16

TN383.6

A

1008-5300(2014)05-0061-04