薛紅昌 廖清 吳愛(ài)明 潘錦明 廖小健

摘? 要：通過(guò)對(duì)比兩種傳動(dòng)鏈傳輸方案優(yōu)缺點(diǎn)，挑選性價(jià)比更優(yōu)的皮帶夾送傳輸方案。為解決步進(jìn)電機(jī)高頻轉(zhuǎn)矩低的缺點(diǎn)，通過(guò)負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)控制算法，電機(jī)能“感知”外部負(fù)載變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，既能使皮帶傳輸通道高效傳輸，又能避免電機(jī)長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)熱問(wèn)題。同時(shí)闡述一種用Excel表分析步進(jìn)電機(jī)加減速曲線的方法，方便調(diào)試步進(jìn)電機(jī)曲線性能。

關(guān)鍵詞：皮帶夾送;傳動(dòng)鏈;加減速曲線;負(fù)載檢測(cè)算法

中圖分類號(hào)：U293.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）06-0146-04

Abstract：By comparing the advantages and disadvantages of the two transmission schemes，the belt pinch transmission scheme with better cost performance is selected. In order to solve the problem of high frequency low torque of stepping motor，through the load automatic detection control algorithm，the motor can “sense” the external load change，automatically adjust the motor speed and torque，so that the belt transmission channel can not only efficiently transmit，but also avoid the heating problem of long-term low-speed operation of the motor. At the same time，a method of using Excel to analyze the acceleration and deceleration curve of stepping motor is described，which is convenient to debug the curve performance of stepping motor.

Keywords：belt pinch;drive chain;acceleration and deceleration curve;load detection algorithm

0? 引? 言

《自動(dòng)售檢票系統(tǒng)關(guān)鍵模塊專用檢測(cè)裝置》已闡述專用檢測(cè)裝置工作原理。本文闡述傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制算法。傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)的作用是將硬幣/發(fā)卡模塊清理下來(lái)的硬幣/票卡從低處傳輸至高處的補(bǔ)幣暫存器。

該傳動(dòng)鏈機(jī)構(gòu)有2種設(shè)計(jì)方案。如圖1所示，循環(huán)兜垂直傳輸方案中，循環(huán)兜可沿滾珠絲桿垂直運(yùn)輸硬幣/票卡。當(dāng)硬幣/票卡沿水平皮帶進(jìn)入處于B位置的循環(huán)兜，循環(huán)兜沿著滾珠絲桿上升至A位置。硬幣在重量作用下進(jìn)入補(bǔ)幣暫存器。當(dāng)循環(huán)兜上升或下降過(guò)程中，水平傳輸帶無(wú)法繼續(xù)傳送硬幣/票卡，傳輸效率低。為提升傳輸效率，需選用高速無(wú)刷電機(jī)并加大循環(huán)兜容量。隨著循環(huán)兜容量增加，又導(dǎo)致H1，H2空間較大，檢測(cè)裝置高度變高，不利于進(jìn)出電梯搬運(yùn)。如圖2所示，皮帶夾送傳輸方案可選用低成本步進(jìn)電機(jī)，檢測(cè)裝置高度較低。硬幣/票卡可源源不斷傳輸，傳輸效率高。通過(guò)對(duì)比，本文選用皮帶夾送傳輸方案。

1? 皮帶夾送傳輸方案設(shè)計(jì)

1.1? 外觀圖及傳輸原理示意圖

由于硬幣/票卡傳輸距離較長(zhǎng)，由2節(jié)皮帶共同完成硬幣/票卡傳輸任務(wù)。每節(jié)傳輸通道由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)配有手輪（如圖2中11，14所示），傳輸通道側(cè)面為透明亞克力板設(shè)計(jì)，方便觀察硬幣/票卡傳輸狀態(tài)及清理卡幣。電機(jī)選用信濃步進(jìn)電機(jī)（步距角1.8°，型號(hào)：STP-59D3175）。光電傳感器選用艾禮富ALEPH U型傳感器（型號(hào)：OJ-451-J38），信號(hào)上升沿/下降沿典型值15 μs，可滿足500線光電碼盤(pán)高速信號(hào)采集。硬幣/票卡沿著圖3中的虛線曲線所示，從下往上傳輸。

500線光電碼盤(pán)一轉(zhuǎn)產(chǎn)生500個(gè)脈沖，假設(shè)100.0 ms中檢測(cè)到的脈沖數(shù)為mpPulse，則步進(jìn)電機(jī)PPS脈沖數(shù)與100.0 ms檢測(cè)時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

vRPM=（1/6）*PPS*步進(jìn)角=（1/6）*PPS*1.8=（mpPulse/ 500）*10*60

則mpPulse=（1/4）*PPS

通過(guò)100.0 ms內(nèi)采集到的mpPulse便能推斷出當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)還是失步狀態(tài)，失步狀態(tài)檢測(cè)誤差范圍5%，精度要求不高。

1.2? 主控CPU與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，主控CPU選用LPC1788芯片，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用SLA7078MPRT芯片。SLA7078MPRT芯片的Vref參考電壓和電機(jī)電流公式：

Vref=I*0.155（Vref參考電壓取值范圍：0.100 V～0.450 V）

步進(jìn)電機(jī)限流值為2.8 A，則Vref=0.434 V

LPC1788的P0.12/AD0[6]與SLA7078的SenseA連接，可采樣電機(jī)電流，確保電機(jī)不會(huì)堵轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)象。LPC1788的P2.31與SLA7078的Flag連接，當(dāng)SLA7078故障時(shí)，LPC1788能及時(shí)獲知故障狀態(tài)。當(dāng)SLA7078因故障處于保護(hù)狀態(tài)后，需斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，使SLA7078重新上電，F(xiàn)lag才能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

2? 步進(jìn)電機(jī)加減速曲線設(shè)計(jì)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中推導(dǎo)的步進(jìn)電機(jī)加速曲線公式：

通過(guò)以上計(jì)算，一般認(rèn)為當(dāng)n等于g的2～3倍時(shí)，步進(jìn)電機(jī)已到達(dá)目標(biāo)頻率。

假設(shè)fm取值10 000 Hz。步數(shù)N取值120，用Excel表格計(jì)算步進(jìn)電機(jī)加速數(shù)據(jù)（如圖5所示）。當(dāng)g=10，g=50，g=100時(shí)，查看對(duì)應(yīng)加速曲線圖（如圖6～圖8所示）。g越小，則步進(jìn)電機(jī)加速曲線越陡峭，加速到目標(biāo)頻率的時(shí)間越短。當(dāng)g越大，則步進(jìn)電機(jī)加速曲線越平緩，加速到目標(biāo)頻率的時(shí)間越長(zhǎng)。通過(guò)加速曲線圖對(duì)比，可直觀評(píng)估步進(jìn)電機(jī)加速曲線設(shè)計(jì)是否合理。為節(jié)省CPU芯片計(jì)算加速曲線的運(yùn)算量，可用Excel表格提前計(jì)算完成加速度表格，存入LPC1788單片機(jī)內(nèi)部，方便CPU程序調(diào)用。

3? 負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)控制算法

假如硬幣/票卡扎堆從收集審計(jì)器1或收集審計(jì)器2出來(lái)，那么會(huì)若干個(gè)硬幣/票卡疊加在一起進(jìn)入皮帶傳輸系統(tǒng)。疊加硬幣/票卡數(shù)量越多，皮帶傳輸阻力越大。因此，收集審計(jì)器1、2需一枚一枚間隔出幣，避免硬幣堆積，減輕皮帶傳輸阻力。

硬幣/票卡通過(guò)滾輪或吸卡時(shí)，傳輸阻力明顯變大。當(dāng)通過(guò)這兩類節(jié)點(diǎn)，傳輸阻力變小。1元人民幣硬幣直徑25 mm，票卡直徑30 mm，票卡通過(guò)滾輪的阻力比1元硬幣通過(guò)滾輪的阻力大。為應(yīng)對(duì)傳輸阻力突發(fā)變化，步進(jìn)電機(jī)的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩需滿足一定要求。步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線顯示，隨頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩急速下降。為滿足最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩需求，如步進(jìn)電機(jī)長(zhǎng)期工作在低速狀態(tài)，又面臨電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。

根據(jù)電磁感應(yīng)定理，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)線圈電流成正比。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)完成后，電機(jī)線圈充電時(shí)間常數(shù)保持不變。如電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率高，則電機(jī)線圈充電時(shí)間短，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小，同時(shí)發(fā)熱量也小;反之亦成立。當(dāng)電機(jī)負(fù)載小時(shí)，轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、發(fā)熱量小。當(dāng)電機(jī)負(fù)載大時(shí)，轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大、發(fā)熱量大。為解決步進(jìn)電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題，皮帶傳輸效率及傳輸阻力突變，需自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。

經(jīng)測(cè)試，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速為3 r/s時(shí)，轉(zhuǎn)矩可滿足皮帶傳輸中最大的負(fù)載傳輸。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)同步帶輪R=0.01 m，則皮帶傳輸最低線速度V=W*R=3*2*3.14*0.01=0.188 4 m/s≈0.2 m/s，其中W為角速度。在5.0 s內(nèi)，可讓大負(fù)載傳輸離開(kāi)該節(jié)皮帶。

如圖9所示，將從步進(jìn)電機(jī)升速/降速過(guò)程分成N步。每隔100.0 ms檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否失步。假如失步，則降速一步;假如升速過(guò)程未失步，則升速一步;如已升速至最高速度，則步進(jìn)電機(jī)保持最高轉(zhuǎn)速;假如降速過(guò)程未失步，則認(rèn)為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載大小基本平衡。此時(shí)轉(zhuǎn)矩維持5.0 s，避免頻繁調(diào)速。假如降速過(guò)程檢測(cè)電機(jī)過(guò)流，則電機(jī)停機(jī)并報(bào)錯(cuò)。

4? 結(jié)? 論

綜上所述，針對(duì)皮帶傳輸中的阻力突變現(xiàn)象，巧妙利用步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線特性，通過(guò)負(fù)載自動(dòng)檢測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)皮帶傳輸自適應(yīng)負(fù)載突變，滿足自動(dòng)售檢票系統(tǒng)關(guān)鍵模塊專用檢測(cè)裝置對(duì)硬幣/票卡傳輸?shù)男阅芤蟆Ｒ院?，從步進(jìn)電機(jī)PID閉環(huán)控制，改善電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)角度入手，提升皮帶傳輸性能。

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作者簡(jiǎn)介：薛紅昌（1983-），男，漢族，山西臨汾人，就職于AFC開(kāi)發(fā)二部，硬件工程師，電子技術(shù)工程師，2007年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，研究方向：自動(dòng)售檢票系統(tǒng)研發(fā)、硬幣模塊、TOKEN模塊、票卡模塊研發(fā)。