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銑床回轉工（gōng）作台轉位的閉環（huán）控製

2020-4-21 來源（yuán）：華北理（lǐ）工大學機械工程學院作者：趙樹忠，郭豪

摘要：為了精確地（dì）控（kòng）製冶金鋸（jù）片銑床銑齒的分度精度，建立了（le）以單片機為控製器、編碼器為檢測元件、步進電機為（wéi）執行元件的銑床回轉工作台（tái）轉位的閉環控製。根據轉位（wèi）控（kòng）製精度的需要選用了（le）８位的ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機、係統精度為±５″的角度編（biān）碼器、靜轉矩（jǔ）為２０Ｎｍ的三相步進電機。通過編碼器實時（shí）檢測工作台的角度位置，實現對角度位置的閉環控製，從而達到提高分度的（de）控製精度的目（mù）的，確保（bǎo）產品質量。

關鍵詞：閉環控製；銑床（chuáng）；回轉工作台

０　引言

應用於冶金行業中的各種鋸（jù）片被（bèi）統稱為冶金鋸片。在鋸片的加工工藝中，銑齒（chǐ）是影響冶金鋸片（piàn）最終分度精度的關鍵工序（xù）之一，而分（fèn）度精度決定產品在空間的角度位置（zhì），很（hěn）大程度上決定冶金鋸片的產品質量，因此提高（gāo）冶金鋸片銑床分度精度有很重要的現實意義。普（pǔ）通鋸齒銑床（chuáng）大多采用開環控（kòng）製，其分度精度較低。為提高分度精度，本文設計了一種基於單片機（jī）的回轉工作（zuò）台轉位（wèi）閉環（huán）控製係統。

編碼器是將信號或（huò）數據進行編製（zhì）、轉換（huàn）為可用以通訊、傳輸和儲存的信號形式的設備。步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的控製（zhì）元件。單片機控製（zhì）端（duān）口輸出電脈衝的數（shù）量及其（qí）頻率的（de）大小決定了電動機轉子角位移的大小和轉（zhuǎn）速的高低，兩者成正比（bǐ）關係（xì），而繞組的通電順（shùn）序則決定了電動機的（de）轉向。因（yīn）此，通過控製輸入電脈衝的數目、頻率及電動機繞組（zǔ）的通電順序（xù）就可以獲得所需要的轉角、轉速及轉向，可以很容（róng）易地（dì）實現步進電機的數字（zì）控製［１］，係統幾乎不（bú）受電壓和環境（jìng）溫度等因素的影響，控製誤（wù）差小，穩定性高。隨著單片機技（jì）術的日益成（chéng）熟，基於（yú）單片機的控製係統在各個領域得到了廣泛的應用，特（tè）別適合應用於性能穩定、誤差率低、響應迅速的係（xì）統當中。故本文設計了以單片機作為核心（xīn）、編碼器（qì）作為測量元件、步進電（diàn）機作為（wéi）執行元件的（de）銑床回轉工（gōng）作台的閉環控製係統。

１、銑床（chuáng）分度係統

此次設計（jì）的冶金鋸片銑床分度係統主要由控製係統、動（dòng）力係統、傳動係統等部分（fèn）構成。銑床（chuáng）回轉工作台轉位的閉環控製總體（tǐ）結構如圖１所示。

圖１　銑床分度係統的閉環控製總體結構示意圖

其中控製（zhì）係統以ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機為核心，動力係統由步進電機和驅動組成，傳動係統則由減速器（qì）和主軸構成。此外對原先Ｘ５２１６的主軸傳動（dòng）結構進行了重新設計及優化，在滿足加工精度使用要求（qiú）的前提（tí）下設（shè）計電機與主軸同向（xiàng）傳動，縮短了（le）傳（chuán）動鏈，減少了傳動過程中所造成的（de）誤差。因為考慮到所選用三相（xiàng）步進電機步距角為１．２°，不足以滿足（zú）銑床多樣加工的要求，因（yīn）此（cǐ）自行設計了一套傳（chuán）動比ｉ＝１２０的三（sān）級減速器（qì）。為了進一步提（tí）升（shēng）銑床分度精度，相比於原來銑床開環控製結構，新的回轉工作台係（xì）統加入了編碼器，使（shǐ）整個係統構成（chéng）一個閉環控製，增加了統的工作（zuò）穩定性和精確程度。根據所選用的步進電機功率和額定電流參數，綜合考慮選用了驅動器３ＤＭ２２８３，該驅（qū）動（dòng）器采用（yòng）了最新３２位ＤＳＰ技術，可以設置４００～５１　２００內的（de）細（xì）分以及額定電流內的（de）任（rèn）意電（diàn）流值，能夠滿足大多數場合的應用需要。

２　分度係統主要組成部分的確定

２．１　編碼器

根據冶金銑齒時的分度精度±２′的要求，綜合各方麵因素選擇了德國海德漢公司生產的ＲＯＮ２７５型角度編碼器，它的係統精度可以達到±５″，采用（yòng）ＴＴＬ電（diàn）平接口，有一個參考點。供電電源為５ＶＤＣ，固有頻率≥１　２００Ｈｚ，滿足使（shǐ）用要求。為了（le）避免角度編碼器的軸承受力過大（dà），減少軸向運動（dòng）和軸之間的不對正誤差，選擇用分離式聯軸器聯接驅（qū）動軸（zhóu）與編（biān）碼器。為確保測量的高（gāo）精度，使（shǐ）編碼器軸（zhóu）與驅動軸對正非常重（chóng）要。角度編碼器有帶定心環的內置安裝法蘭，編碼器軸通過膜片式聯軸器和扁平聯軸器連接驅動軸。編碼器安裝示

意圖（tú）如圖２所示（shì）。

圖２　編碼器（qì）安裝示意圖

２．２　步進電機（jī）

根據機床回轉平台主軸電機啟動扭矩 ≥１８Ｎｍ的要求，綜合經濟性（xìng）考慮（lǜ）選用了（le）雷賽科技的１１０係列三相步進電機。該電機（jī）克（kè）服了傳統電機低速爬行（háng）、共振區明顯、噪聲大、高速扭矩小（xiǎo）、啟（qǐ）動頻率低等缺點，具有伺服的某些特點。該電機的保持扭矩可以達到２０Ｎｍ，步距角為１．２°，步距角精度可以達到０．０６°，配合減速器的使用，可以很好（hǎo）地滿足實際使用（yòng）要求（qiú）。

２．３　單片機

本係統控製相對簡單，選用了８位單片（piàn）機（jī），考（kǎo）慮到編碼器有３路信號Ｚ、Ａ、Ｂ，並且由於５２係列單片機（jī）有３個定（dìng）時計數（shù）器Ｔ０、Ｔ１和Ｔ２，所以相應地Ｚ、Ａ、Ｂ可分別接入Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２計數器進行計數（shù）和後續處理。

所以本次（cì）係（xì）統的改造設計當中采用了ＳＴＣ公司生產（chǎn）的ＳＴＣ８９Ｃ５２單片（piàn）機（jī），該（gāi）單片機具（jù）有結構簡（jiǎn）單、成本低、使用方便、穩定性高等（děng）特點。此外ＳＴＣ８９Ｃ５２內部程（chéng）序儲存（cún）空間達到（dào）８ｋＢ，是５１係列單片機（jī）的兩倍，同時還支持ＭＣＳ５１係（xì）列單片機的所（suǒ）有（yǒu）功能，滿足係統使用要求（qiú）。

３、閉環控製係（xì）統

３．１　閉環（huán）控製係（xì）統的組成

由於老式（shì）銑床回轉（zhuǎn）工（gōng）作台分度機構多采用機械式分度機構，多為開（kāi）環控製係統，因此係統的控製精度相對較低，係統簡單，抗幹擾能力差，加工精度不高。此次（cì）設計除了對其控製和驅動裝置以及機械結構有所（suǒ）改進外，係統中還加入了編碼器，對（duì）整個加工過程有一個實時的檢測和反饋（kuì），構成一個閉環（huán）控製係統。閉（bì）環控製（zhì）係統如圖３所示（shì）。采用（yòng）閉環控製，增加了（le）係統的穩定（dìng）性和自我（wǒ）修正能力（lì），提高了加工精度，改善了係統的抗幹擾能力，增加了係統（tǒng）的（de）穩定性（xìng）。

圖３　閉環控製係統

本係統（tǒng）主要以ＳＴＣ８９Ｃ５２單片機為核（hé）心和主（zhǔ）控製器，選用三相步進電（diàn）機和（hé）３ＤＭ２２８３驅動器組成電機和驅動係統，由旋轉編碼器作為（wéi）檢測元件。

３．２　轉位閉環控製係統的硬件連接

編碼器是集光機電（diàn）技（jì）術於一體的速度位移傳感器，在（zài）檢測長度和旋轉（zhuǎn）角（jiǎo）度等方麵得到廣泛的應用。通常（cháng）其輸（shū）出有Ａ、Ｂ、Ｚ三相脈衝。Ａ、Ｂ相脈衝依旋轉方向不同（tóng）而造成理想相位差分別為±９０°，通過比對（duì）兩者的（de）相（xiàng）位差，用來區分電（diàn）機的正、反轉。同時通過與Ｚ相脈衝信（xìn）號的比對可以確定（dìng）當前的回（huí）轉位置，從而提高回轉精度。編碼器每轉動一圈發出一個Ｚ相脈（mò）衝，可用它作為機（jī）械零位檢測（cè）［２］，同時也可以用來作為係統結束的標識信號。

控製係統用到了５２係列單（dān）片機的Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２三個定時計數器（qì），它們分別記錄編碼器的Ｚ、Ａ、Ｂ脈衝信號。通過單片機調整步進電機的驅動脈衝信號，從而對銑齒（chǐ）加工分度（dù）精度（dù）進行精確控製，實現回轉工作台的閉環（huán）控製。本次回轉工（gōng）作台閉環（huán）控製係統選用的步進電機步（bù）距角為１．２°，在未選用（yòng）細分驅動的前提下，單片機控製端（duān）口每輸出一個脈衝則電機（jī）轉動１．２°。已知減速器（qì）傳動比為１／１２０，所以一個脈衝轉動的角度為１．２°／１２０＝０．０１°。那麽轉（zhuǎn）動一周所需（xū）要的電子脈衝（chōng）數為３６０°／０．０１°＝３６　０００。如果分度數為ｎ，那麽一個分度（dù）數所需的電子（zǐ）脈衝數為３６　０００／ｎ［３］。

驅動器的ＰＵＬ－、ＤＩＲ－、ＥＮＡ分別與單片機的Ｐ１．１、Ｐ１．２、Ｐ１．３接（jiē）口連接，單片機通過這３個引（yǐn）腳與３ＤＭ２２８３進行數據交換。同時，３ＤＭ２２８３的ＰＵＬ＋、ＤＩＲ＋、ＥＮＡ＋接口分（fèn）別接５ＶＤＣ。轉（zhuǎn）位閉環控製係統硬件連（lián）接圖如圖４所示，驅動器接入２２０Ｖ交流電用以（yǐ）驅動步進電（diàn）機，ＰＥ端接地線，同時Ｕ、Ｖ、Ｗ端口接（jiē）入三相步進電機。

本次研究選用了１１０係列三（sān）相步進電機，它的控製等效電路（lù）如圖５所示。三相步進電機有３條勵（lì）磁信（xìn）號引線Ａ、Ｂ、Ｃ，其轉動由這３條（tiáo）引線上勵磁脈衝產生的時間決定（dìng），每出現一個脈衝信號，步進電機轉過一個脈衝角。要想實現（xiàn）步進（jìn）電機的連續轉動，隻要通過單（dān）片機（jī）控製步進電機驅動器依序不斷地向步進（jìn）電機送出脈衝信（xìn）號即可（kě）。通過控製（zhì）繞組的通電順序（xù）來控製電（diàn）機的轉向，通過調整脈衝信（xìn）號的頻率來控製步進電機的轉速，頻率越高則電機轉速越快。正向轉動的通電順序為Ａ－ＡＢ－Ｂ－ＢＣ－Ｃ－ＣＡ，反向轉動的通電順序為Ｃ－ＣＢ－Ｂ－ＢＡ－Ａ－ＡＣ。

圖４　轉位閉環（huán）控製係統硬件連接圖

圖５　步進電機（jī）的控製等效（xiào）電路

４、軟件設計

通過各硬件（jiàn）模塊的搭建，初步具備了實現銑床分度（dù）精度係統閉環控製的條件。通過ＭＣＳ－５１單片（piàn）機的匯編（biān）語言可以實現係（xì）統初始化，歸零點子程（chéng）序，Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２定時計數器的數據采集分析，步進電機控製脈衝的發生等（děng）模塊的控製，從而實現對銑床（chuáng）分度機構（gòu）的閉環控製，進而實現對回轉（zhuǎn）位置的精確控製。閉環控製係統（tǒng）程序流程如圖６所示。

５、分度係統（tǒng）抗幹擾設計

由於在加工車間（jiān）之中同時存在眾多的大功率用電設備，例如各類機（jī）床、電焊（hàn）機、高功（gōng）率電機、繼電器等，這些設備的動作會（huì）造成電磁幹擾、機械幹擾（rǎo）、噪聲幹擾、光幹擾（rǎo）等，影（yǐng）響本係統平（píng）穩運行，破壞了分度係（xì）統（tǒng）的精（jīng）度，因此（cǐ）必須采取有效措施來排除這些幹擾。

通（tōng）過設置隔離變壓器、交流淨化電源、低通濾波器等裝置，來降低電網幹擾（rǎo）對係統的影響。將電路板所用開關電源的（de）直流全部浮空（kōng），對硬件采取合理的布置（zhì），信號走線統一從左向右。用地線將各部分隔離開來，從而減少高頻脈（mò）衝信號及電磁離合器（qì）對分（fèn）度係統的影響（xiǎng）。通過設計光電隔離電路來實現單（dān）片機電路Ｉ／Ｏ端口與步進電機驅（qū）動器接口以及光電編碼器接口的電平轉換和隔離。為了（le）濾除高頻和低頻的幹擾，對電路板上的（de）＋５Ｖ和＋２４Ｖ的電源入口接入０．０１μＦ的瓷片電容和１００μＦ的電解電容。為防止電壓波（bō）動和執行程序跑飛影響係統穩定性，為單片（piàn）機係統設置看門狗電路，使得單片機電路在（zài）遇到故障時能夠自動（dòng）複位，起（qǐ）到保護係統的作用。

圖６　閉環控製係統（tǒng）程序流（liú）程（chéng）

６、結束語

此（cǐ）次研究（jiū）基於ＳＴＣ８９Ｃ５２單片（piàn）機，利用３ＤＭ２２８３驅動器和１１０係列三相步（bù）進電機以及編碼器對傳統（tǒng）的（de）銑床分度工作台進行了改造升級。使之由（yóu）過去的開環控製係統升級為閉環控製係統，提高了係統工作的穩定性，改進了銑齒加（jiā）工的分度精度。利用５２係列單片機有３個定時計數器的特點，直接與編（biān）碼器的三路信號相連，記錄銑床回轉平（píng）台的旋轉情況，繼而對步進電機的脈衝信號進行調整，進一步控製電（diàn）機進行補償，從而提高了分度精度，使係統的可靠性、穩定性得到提高。

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