周 敏

(江蘇省鎮(zhèn)江市計(jì)量所，鎮(zhèn)江 212009)

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置是用來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)速表進(jìn)行檢定的裝置，由于目前使用的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置比較笨重，準(zhǔn)確度較低，且到企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢定不方便等原因，我們采用單片機(jī)和PMM8713設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置。它由信號(hào)源、信號(hào)調(diào)理電路、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、齒輪箱等組成。由于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(步距角)一步一步運(yùn)行的，沒(méi)有累計(jì)誤差，所以用于本設(shè)計(jì)比較合適。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)AT89S52定時(shí)器產(chǎn)生方波信號(hào)作為信號(hào)源，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后產(chǎn)生符合步進(jìn)電機(jī)時(shí)序要求的信號(hào)序列，送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)齒輪裝置輸出。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 信號(hào)源及顯示啟停設(shè)計(jì)

采用MCS-51單片機(jī)(AT89S52)作為控制器，利用它的定時(shí)器中斷產(chǎn)生方波信號(hào)作為信號(hào)源，利用它的I/O口控制液晶顯示器及啟停開關(guān)。

3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及其控制驅(qū)動(dòng)的要求，步進(jìn)電機(jī)與其他控制電機(jī)最大區(qū)別在于，步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)總角度由輸入脈沖數(shù)目決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定。步進(jìn)電機(jī)不同于其他交流電機(jī)還在于：僅僅接上電源，電機(jī)并不轉(zhuǎn)動(dòng)，還必須接上相應(yīng)的脈沖分配驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的輸出為步進(jìn)電機(jī)各相提供帶有通電順序的勵(lì)磁電流。所以，步進(jìn)電機(jī)的工作性能，在很大程度上取決于所使用驅(qū)動(dòng)電路的性能指標(biāo)。

PMM8713是由日本Sanyo(三洋)電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)控制用脈沖分配驅(qū)動(dòng)器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)，為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以用于4相控制。此外，PMM8713還具有單時(shí)鐘或雙時(shí)鐘工作方式，帶有正反轉(zhuǎn)控制功能以及初始化復(fù)位功能，其內(nèi)部有時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、可逆環(huán)形計(jì)數(shù)、激勵(lì)方式判斷等電路。因?yàn)镻MM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強(qiáng)。PMM8713外圍電路(3相控制)如圖2所示。

圖2 PMM8713外圍電路

圖3 PMM8713輸出控制電路

圖2中，f0是由AT89S52產(chǎn)生的方波信號(hào)，接到PMM8713芯片的時(shí)鐘端(3號(hào)引腳)，該信號(hào)經(jīng)PMM8713處理后，在O1、O2、O3腳輸出符合步進(jìn)電機(jī)時(shí)序要求的信號(hào)。圖中電阻R30和穩(wěn)壓管D7為保護(hù)電路，防止輸入的方波信號(hào)電壓過(guò)大損壞PMM8713芯片。

PMM8713上電后，如果3腳Ck沒(méi)有信號(hào)輸入，則13腳O1一直輸出高電平，如果直接與功率器件的基極相連，會(huì)導(dǎo)致功率器件過(guò)載發(fā)熱甚至燒毀。因此，可以利用74HC245和HEF4081的組合來(lái)控制O1、O2、O3的輸出，如圖3所示。

在系統(tǒng)上電時(shí)，用AT89S52的I/O口設(shè)置74HC245的2腳輸入端為低電平，同時(shí)設(shè)置74HC245的使能端19腳為低電平，使74HC245的18腳輸出低電平，這樣無(wú)論O1輸出如何HEF4081的第3腳都輸出低電平。再將PMM8713的15腳Co(freq_out)通過(guò)光電藕合連接到單片機(jī)AT89C52的INT0腳(如圖4所示)，一旦檢測(cè)到PMM8713開始工作，AT89S52就設(shè)置74HC245的第2引腳為高電平，這樣74HC245的18腳就輸出高電平，打開HEF4081與非門，使O1、O2、O3腳輸出的步進(jìn)電機(jī)時(shí)序信號(hào)可以通過(guò)本級(jí)與非門控制。同時(shí)，為了使系統(tǒng)更加安全可靠,又增加了一級(jí)與門控制,由手動(dòng)開關(guān)信號(hào)(PWMctrl開機(jī)時(shí)為低電平)接到第二級(jí)“與門”的一個(gè)“與”引腳,前一級(jí)“與門”輸出接到第二級(jí)“與門”的另一個(gè)“與”引腳,由第二級(jí)“與門”的輸出接到功率管TIP142的基極,這樣的冗余設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性(如圖3所示)。

圖4 檢測(cè)PMM8713是否工作的電路

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于外接的步進(jìn)電機(jī)功率較大，PMM8713輸出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足，所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把時(shí)序脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，即控制系統(tǒng)發(fā)出的每一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一步距角。

設(shè)Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，N為步進(jìn)電機(jī)的工作拍數(shù)，f為脈沖頻率(Hz)，則：

所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。通過(guò)控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速。

考慮到步進(jìn)電機(jī)的功耗大，我們選用TIP142作為功率開關(guān)管。PMM8713的O1、O2、O3引腳輸出的各相時(shí)序信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)“與門”電路送至TIP142的基極，放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(以O(shè)1相為例)如圖5所示，其中MG1為步進(jìn)電機(jī)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

5 幾個(gè)值得注意的問(wèn)題

5.1 TIP142的使用

使用TIP142，不僅要考慮最大的Ic，還有個(gè)重要的參數(shù)就是集電結(jié)功耗。CE壓降乘以Ic就是集電結(jié)功耗。TIP142最大集電結(jié)功耗在25℃時(shí)是125W，每上升1℃最大功耗降低1W。所以通常加裝比較好的散熱器來(lái)降低溫度。

5.2 步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，步進(jìn)電機(jī)隨轉(zhuǎn)速的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。所以我們用D1作為續(xù)流二極管，配合C1和R1來(lái)消除反向電動(dòng)勢(shì)的影響，如圖3所示。

5.3 升降速設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)速度控制是靠輸入的脈沖信號(hào)變化來(lái)改變的。從理論上說(shuō)，只需給驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)即可，每給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖(CP),步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。但實(shí)際上，如果脈沖CP信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性，它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將跟不上電信號(hào)的變化，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。所以步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，必須有升速過(guò)程，在停止時(shí)，必須有降速過(guò)程。升降速規(guī)律是根據(jù)實(shí)際選定的步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)出的規(guī)律數(shù)據(jù)，可將它存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，實(shí)際工作時(shí)可直接調(diào)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

該標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)，經(jīng)江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院檢定合格，已經(jīng)實(shí)際運(yùn)行2年多，目前狀態(tài)良好。

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