蘇 琳，李 翠，趙德權(quán)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍發(fā)生器設(shè)計(jì)

蘇 琳，李 翠，趙德權(quán)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

通過(guò)對(duì)脆性材料切割工藝過(guò)程的剖析，結(jié)合感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)，并從電機(jī)實(shí)際應(yīng)用的角度，闡述了一種節(jié)拍發(fā)生器的構(gòu)造方法，在總速率可調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，引入了方式控制，即“四拍”方式和“八拍”方式，后者是前者的二分之一步距，采用“八拍”方式，可使“進(jìn)刀量”更小，控制更精細(xì)，材料切面更細(xì)膩、平整，但效率相對(duì)要低些?？紤]到在回程和移位過(guò)程中，并無(wú)實(shí)質(zhì)性切割動(dòng)作，這時(shí)采用“四拍”方式運(yùn)行，可顯著提高效率。因此，在硬件和軟件設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮材料易解離的特性，采用兩種方式切換的辦法，既照顧到速度，也保證了質(zhì)量，事實(shí)證明，這種解決方案是實(shí)用、有效的。

感應(yīng)子式；步進(jìn)；節(jié)拍；步距角；繞組；調(diào)速；進(jìn)刀量；位移

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)材料科學(xué)研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，收獲了一些成果，但開(kāi)發(fā)手段還相對(duì)落后，在一些精密設(shè)備自主研制上，由于技術(shù)壁壘增高，在國(guó)際上追趕起來(lái)愈加困難，這極大制約了整體科研水平的進(jìn)一步提高與發(fā)展。在以晶體、陶瓷、巖樣等堅(jiān)硬物質(zhì)作為處理對(duì)象時(shí)，由于加工樣品性脆、容易解離的特點(diǎn)，需要更為先進(jìn)的技術(shù)支持，為此我們不得不引進(jìn)大量設(shè)備或關(guān)鍵部件，也付出了巨額的財(cái)力和物力，通過(guò)引進(jìn)吸收，國(guó)內(nèi)也設(shè)計(jì)制造了一些晶體研磨和切割方面的儀器設(shè)備，令人振奮和鼓舞。

2 三軸驅(qū)動(dòng)過(guò)程

滾輪上金剛石線長(zhǎng)為80m；線速0～3m/s可調(diào)，由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，x軸雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向信號(hào)由位置傳感器提供,回轉(zhuǎn)周期最少20s(設(shè)實(shí)際使用60m線，兩端各預(yù)留10m）。

360°旋轉(zhuǎn)夾具，左右最大具有10°傾角。

夾具沿y軸運(yùn)動(dòng)，最大行程180mm,由y步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[1-2]。

夾具沿z軸運(yùn)動(dòng)，最大行程165mm,由z步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

切割線沿x軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行切割操作，y軸為進(jìn)料方向，z軸為切割位移。

加工樣品最大尺寸 150mm（y）×150mmm(z)。

兩個(gè)導(dǎo)向輪使切割線在x軸向形成一段直線，兩個(gè)張緊輪自動(dòng)調(diào)節(jié)切割線松緊，并傳遞斷線信號(hào)。兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)切割線超出工作范圍時(shí)斷電保護(hù)。自動(dòng)循環(huán)泵提供冷卻液。

3 x軸向控制

（1）由DA轉(zhuǎn)換器[3]DAC0832及運(yùn)放電路提供0～10V模擬電壓，用以控制變頻器的模擬輸入端，來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的[4]。

（2）正反轉(zhuǎn)控制，x軸電機(jī)是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，通過(guò)變速箱轉(zhuǎn)成位移，在接近80m長(zhǎng)切割線兩端一定距離時(shí)，會(huì)觸發(fā)Lf(左邊界)或Rf（右邊界）傳感器，以決定電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)使用的變頻器具有FWD和REV端子，則不需要啟停端控制。即當(dāng)FWD接地為正轉(zhuǎn)，REV接地為反轉(zhuǎn)，二者接高或懸空為停止態(tài)，因二者事實(shí)上的互斥性，當(dāng)FWD和REV同時(shí)為低時(shí)，變頻器規(guī)定為正轉(zhuǎn)方向。由二組繼電器分別控制FWD和REV端，產(chǎn)生方法即將繼電器（如圖1）的NO端接變頻器的地端，NC端接高（+10V或+5V），COM端作為控制輸出。

（3）啟停控制

當(dāng)變頻器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制輸入共用一個(gè)端子時(shí)，接入的開(kāi)關(guān)量“0”和“1”分別代表不同的運(yùn)行狀態(tài)，即一個(gè)狀態(tài)（低）為正轉(zhuǎn)，另一個(gè)狀態(tài)（高）為反轉(zhuǎn)，此種情況下，必有啟動(dòng)和停止控制，一般也共用一個(gè)輸入端，為表述方便，令接地為運(yùn)行，接高或懸空為停止。并令正反轉(zhuǎn)控制端為FWD/REV,啟?？刂贫藶镾TART/STOP。

因每組信號(hào)邏輯上的互斥，恰好利用繼電器常開(kāi)和常閉兩個(gè)觸點(diǎn)的互斥性，采用同（2）中所述的方式跨接繼電器，即可實(shí)現(xiàn)FWD/REV端和START/STOP端的控制。

圖1 繼電器輸出

因此，在設(shè)計(jì)上，對(duì)FWD/REV及START/STOP等開(kāi)關(guān)量輸出控制，一般不做“接死”處理，而是將繼電器的三端（公共端COM、常開(kāi)觸點(diǎn)NO和常閉觸點(diǎn)NC）輸?shù)浇泳€端子即可，甚至連繼電器的控制端信號(hào)（4,5）也從接線端子獲取，實(shí)際使用時(shí)，可根據(jù)不同的變頻器和使用要求來(lái)靈活跨接。預(yù)留4組繼電器可充分滿足要求

4 y軸向和z軸向控制

此二軸向需由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選擇合適的電機(jī)非常重要。

（1）類型：采用感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)在于：與傳統(tǒng)的反應(yīng)式相比，結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子加有永磁體，免去轉(zhuǎn)子勵(lì)磁時(shí)的耗能，因此該電機(jī)效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機(jī)具有較強(qiáng)的反電勢(shì)，其自身阻尼作用比較好，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動(dòng)小。而定子激磁只需提供變化的磁場(chǎng)即可。

（2）相數(shù)：感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)定子有4對(duì)極N、S磁場(chǎng)的激磁線圈，即稱為四相電機(jī)。

（3）拍數(shù)：即完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機(jī)為例，有四相四拍運(yùn)行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運(yùn)行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

（4）步距角：對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用θ表示。θ=360°/（轉(zhuǎn)子齒數(shù)×運(yùn)行拍數(shù)），以轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50的四相電機(jī)為例，四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/（50×4）=1.8°（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360°/（50×8）=0.9°（俗稱半步）。

（5）位移：旋轉(zhuǎn)的電機(jī)沿著絲杠形成位移，實(shí)施中，設(shè)計(jì)絲杠絲距為1mm,即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1周，位移量為1mm，當(dāng)以四拍運(yùn)行時(shí)，步距為 1mm×1.8/360=0.005mm；以八拍方式則為0.0025mm。

5 節(jié)拍發(fā)生器

（1）節(jié)拍邏輯的數(shù)字表述

根據(jù)四相電機(jī)繞組特性，采取負(fù)極驅(qū)動(dòng)更便捷，開(kāi)關(guān)器件應(yīng)選為NPN管，基極控制為高有效。由于電機(jī)四拍及八拍都是循環(huán)輪轉(zhuǎn)的，為描述和設(shè)計(jì)上的方便，四項(xiàng)繞組以 A、B、C、D 順序取位，“1”為加電狀態(tài)，“0”為失電狀態(tài)，同時(shí)規(guī)定數(shù)據(jù)起點(diǎn)均為AB。

四拍循環(huán)方式AB-BC-CD-DA-數(shù)字表述即為：八拍循環(huán)方式AB-B-BC-C-CD-D-DA-A-數(shù)字表述即為：

從上述可以看出，（2）式包含（1）式，連續(xù)位置輸出時(shí)即為八拍方式（半步），取偶數(shù)（0起始）位置輸出即為四拍方式（整步），因此，根據(jù)取數(shù)位置的變化，可以靈活地實(shí)現(xiàn)兩種方式的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，使得步進(jìn)過(guò)程不失步（禁止在奇數(shù)位置轉(zhuǎn)換），反序輸出則實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

（2）硬件電路實(shí)現(xiàn)

為了減輕主控器的負(fù)擔(dān)，節(jié)拍發(fā)生器有必要由純硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)[5-7]。如圖2所示，U3器件28C64為電可擦寫存儲(chǔ)器，從0地址開(kāi)始，以順序結(jié)構(gòu)固化節(jié)拍數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)（2）式，即為：0CH,04H,06H,02H,03H,01H,09H,08H。相應(yīng)地址線也僅使用A0、A1和A2，其余接地。

存儲(chǔ)器采用只讀方式，取低4位數(shù)據(jù)使用,暫記作abcd。

U1為74191可逆計(jì)數(shù)器，CLK為時(shí)鐘端，也作為步進(jìn)時(shí)鐘；DOWN/UP端為可逆計(jì)數(shù)控制端，“0”為加計(jì)數(shù)，“1”為減計(jì)數(shù)，也是步進(jìn)電機(jī)正/反轉(zhuǎn)(Rev/Fowd)控制端；

圖2 節(jié)拍發(fā)生器硬件電路圖

U2器件74157為四二選一電路，S端為“0”，選擇 A3，A2，A1，輸出 Y3，Y2，Y1 對(duì)應(yīng)前級(jí)器件 QC,QB,QA；為“1”選擇 B3，B2，B1,則輸出 Y3，Y2，Y1 對(duì)應(yīng)QB，QA,0。顯然，前者形成0-7（或7-0）連續(xù)8個(gè)地址循環(huán)輸出，后者形成0-2-4-6（或6-4-2-0）偶數(shù)地址循環(huán)輸出，即與八拍模式和四拍模式的取數(shù)規(guī)則相符，所以S端也作為步進(jìn)電機(jī)方式選擇信號(hào)。再看U3位置，步進(jìn)脈沖取反作為讀出使能信號(hào)/OE，abcd是此刻輸出信號(hào)，當(dāng)/OE變高后，輸出不能一直維持，因此，應(yīng)利用/OE上跳沿鎖存U3的低4位數(shù)據(jù)，采用U6器件74374完成鎖存，對(duì)應(yīng)輸出ABCD就是所需要的節(jié)拍信號(hào)。

由于U2器件對(duì)四拍地址的處理，相當(dāng)于對(duì)前級(jí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行乘2操作，實(shí)際尋址位置為計(jì)數(shù)輸出的2倍，當(dāng)從四拍轉(zhuǎn)向八拍時(shí)，乘2作用消失，計(jì)數(shù)輸出需要乘2并重置到計(jì)數(shù)器中，才能保持當(dāng)前尋址的位置不變；同樣，從八拍轉(zhuǎn)向四拍時(shí)，由于后繼乘2操作的影響，當(dāng)前計(jì)數(shù)輸出則需要除以2處理，實(shí)際尋址位置才能保持。

方式轉(zhuǎn)換時(shí)，維持實(shí)際位置不變，意義在于保持節(jié)拍的連續(xù)性，亦即保持動(dòng)作的連續(xù)性。否則，隨著方式的頻繁轉(zhuǎn)換，易產(chǎn)生誤差積累，且軟件處理起來(lái)比較繁瑣。

U5即是產(chǎn)生重置地址的邏輯，一種選擇為乘2的結(jié)果，另一種選擇為除以2的結(jié)果，選擇器輸出JA、JB和JC即為重置數(shù)據(jù)。U4器件74123為兩路單穩(wěn)態(tài)電路，在方式信號(hào)Way上跳沿和下跳沿產(chǎn)生單穩(wěn)低脈沖，寬度由RT和CT決定（一般取μs級(jí)，或與節(jié)拍脈沖相當(dāng)）,通過(guò)與門電路Q3合成LOD，用以重置計(jì)數(shù)器。一旦有方式轉(zhuǎn)換，就必有Way上跳沿或下跳沿發(fā)生，也就能隨時(shí)進(jìn)行地址的調(diào)校。采用硬件實(shí)現(xiàn)節(jié)拍發(fā)生器邏輯，當(dāng)Step-clock脈沖為連續(xù)均勻的，電機(jī)動(dòng)作也連續(xù)平穩(wěn)，噪音小。用軟件方式實(shí)現(xiàn)上述邏輯，則難以做到這一點(diǎn)。使用中y軸和z軸都需要這樣一組邏輯支持。

（3）繞組驅(qū)動(dòng)[8]

節(jié)拍邏輯還不能直接連向電機(jī)繞組，至少加一級(jí)驅(qū)動(dòng)。圖3左側(cè)給出一個(gè)繞組的驅(qū)動(dòng)電路，YA連向圖2的節(jié)拍輸出A端。右側(cè)為電機(jī)4相繞組的連接形式，v1為A和B繞組公共端，v2為C和D繞組的公共端。

y和z每個(gè)軸向電機(jī)的其它繞組均要按A相的形式連接，控制端連向?qū)?yīng)的節(jié)拍輸出端。

實(shí)施中，NPN管選為TIP126型，并加裝散熱片，電阻RS應(yīng)選為1Ω/5W。

圖3 繞組驅(qū)動(dòng)及電機(jī)繞組

6 工藝流程

y軸電機(jī)在手動(dòng)調(diào)位和程控方式時(shí)，均以四拍方式運(yùn)行，只有z軸電機(jī)在控制進(jìn)刀量時(shí)，才使用8拍方式，退刀過(guò)程仍使用4拍方式，以盡量提高工作效率。尋位步距0.005mm,可以確保加工精度0.01mm的要求，因機(jī)器專為脆性材料設(shè)計(jì)，并傾向科學(xué)研究，根據(jù)樣品硬度高易解離的特點(diǎn)，進(jìn)刀過(guò)程是緩慢的、細(xì)致的，當(dāng)切割線彎曲時(shí)，根據(jù)傳感結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整進(jìn)刀速率。

7 結(jié)束語(yǔ)

由于采用高精度的步進(jìn)電機(jī),切割過(guò)程尋位定位非常精準(zhǔn)，進(jìn)刀過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)，剖面平整細(xì)膩，線速的精確控制和無(wú)級(jí)調(diào)整，即保證同批產(chǎn)品的均勻性，也顧及到不同材質(zhì)的使用要求，兼顧精度與效率，具有比較理想的加工品質(zhì)，更適合超薄材料的制作。加入一些抗干擾設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在各種復(fù)雜的工況下，保持了較高的穩(wěn)定度。

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Design of Stepping Motor Beat Generator

Su Lin，Li Cui,Zhao Dequan
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Based on the analysis of the brittle material cutting process,combining with the structure,principle and characteristics of the induction sub-stepper motor,and from the practical application of the motor,a method of constructing the beat generator is described.On the basis of the total speed adjustablity,the mode control is introduced,namely"four-beat"and"eight-beat"modes,in which the latter is 1/2 step distance of the former.By adopting the"eight-beat"mode,the amount of feed is smaller,and the control is finer,with the more delicate and smoother material cutting aspects but relatively lower efficiency.Considering that there is no substantial cutting motion in the process of return and shift,the"fourbeat"operation can significantly improve the efficiency.Therefore,in the design of hardware and software,fully considering the material characteristics of easy dissociation,using two modes to switch,it can ensure both the speed and the quality,and this fact proves that the solution is practical and effective.

Induction type;Step;Beat;Step angle;Winding;Speed；Feeding;Displacement

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.021

TP3

B

1002-2279-（2017）05-0080-04

蘇琳（1987—），女，遼寧省沈陽(yáng)市人，助理工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。