螺絲機控制系統(tǒng)電路設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u22829螺絲機控制系統(tǒng)電路設(shè)計案例概述 147081.1運動控制器硬件結(jié)構(gòu)及芯片選型 1285021.2硬件電路模塊化設(shè)計 11.1運動控制器硬件結(jié)構(gòu)及芯片選型根據(jù)螺絲機工作需求、鎖付加工的工藝完成運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計,對于硬件成本和控制系統(tǒng)要求的綜合考慮下.又與目標企業(yè)斷路器車間工程師商議,本課題設(shè)計采用的運動控制器主控芯片為STM32F103VCT6微處理器,該處理芯片具有高性能的計算處理能力和豐富的外設(shè)資源,硬件電路板主要分為六大模塊.運動控制器硬件電路結(jié)構(gòu)如圖4-1所示.1.2硬件電路模塊化設(shè)計(l)核心控制芯片STM32F103VCT6STM32F103VCT6是基于ARM

Cortex-M3內(nèi)核的32位RISC微處理器,CRC計算單元,96位唯一ID,72MHz運行頻率,高達256KB閃存和48KB的SRAM存儲REF_Ref72764766\r\h[20].多路搭載APB總線的IO接口,可實現(xiàn)復(fù)用功能.支持三個12位ADC,四個通用16位定時器,兩個脈沖調(diào)制定時器.最多支持兩個I2C接口,三個SPI接口,兩個I2S接口,一個SDIO接口,5個USART接口,一個USB接口和一個CAN接口REF_Ref26753\r\h[21].圖4-1運動控制器硬件電路結(jié)構(gòu)圖(2)電源模塊電源模塊的主要作用是電壓轉(zhuǎn)換,可以將交流或直流電轉(zhuǎn)變成想要的交流或者直流電,是整個系統(tǒng)獲得穩(wěn)定電壓的關(guān)鍵保證,也是系統(tǒng)正常工作的前提.外界輸入24V電壓給螺絲機的控制系統(tǒng),但是與核心芯片的工作電壓不同,由于這種原因,必須設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路,將外界輸入的24V轉(zhuǎn)換成5V和3.3V.這樣才能滿足控制各模塊的核心芯片的工作電壓.首先,將24V降壓為5V,我們選擇LM2596調(diào)壓芯片組成的電路,振蕩頻率為150KHZ,擁有完善的保護電路、電流限制等功能,需要極少的外部硬件就能夠組成高效穩(wěn)壓電路.轉(zhuǎn)換得到的5V電壓,滿足電機控制接口模塊的驅(qū)動芯片74HC245和RS485通信模塊的SN65HVD3082E芯片所需要的工作電壓.主控芯片所使用的是3.3V電壓,同樣程序儲存器、I/O輸入模塊的光耦芯片也使用3.3V電壓.電源模塊電路如圖4-2所示.圖4-2電源模塊(3)485通信模塊通訊介質(zhì)：采用屏蔽雙絞線,日常所用的兩心電纜,帶有屏蔽層.通訊方式：半雙工.最多可以32個節(jié)點掛在同一總線上.在R5485通信網(wǎng)絡(luò)中,采用的通信方式是：主從通信,簡單點來說就是一個主機帶多個從機.在螺絲機控制系統(tǒng)中,我們通過觸摸顯示屏進行各種設(shè)置以及手動調(diào)試等功能,本設(shè)計選取的觸摸屏是依照485總線接口標準.一般優(yōu)秀的接口設(shè)計應(yīng)該具有以下優(yōu)點：抗干擾性強、易擴展性和較強的穩(wěn)定性.本系統(tǒng)采用性價比較高的半雙工接口芯片SN65HVD3082.該芯片傳輸率達200kbps電流損耗低,失效保護功能等優(yōu)點REF_Ref26753\r\h[22].電路原理圖4-3所示.(4)USB接口模塊運動控制器的程序是通過下載儲存到主芯片中的,所以實現(xiàn)的功能較少,隨著科技的發(fā)展,工廠與客服的要求變高,那些程序已經(jīng)不能滿足需求,如果需要更改程序,還需專門的技術(shù)人員帶著下載器去下載程序,不僅繁瑣而且耗時.因此,很需要設(shè)計USB接口模塊,使用USBHOST模式,通過該模式,用戶可以自主操作,便可以實現(xiàn)遠程更新.電路原理圖如4-4所示.圖4-3485通信模塊圖4-4USB接口模塊電路原理圖(5)數(shù)據(jù)儲存模塊數(shù)據(jù)儲存模塊主要是用于保存螺絲機的工作程序,工作指令,點坐標,系統(tǒng)參數(shù)等.基于螺絲機控制系統(tǒng)的程序要求至少保存10個坐標文件,25條指令.在綜合考慮數(shù)據(jù)儲存空間和價格情況下,本設(shè)計選用AT24C64來儲存系統(tǒng)參數(shù),AT24C64是儲存器容量為64Kbit,電源工作電壓范圍為1.8V-3.6V的EEPROM程序儲存器REF_Ref27951\r\h[23].它體積較小,數(shù)據(jù)儲存與清除操作簡便,通過IIC方式儲存,這種存儲的方式優(yōu)點很多：相比于其它方式,這種方式能夠穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù),占用系統(tǒng)的內(nèi)存很小.電路原理圖如4-5所示.圖4-5數(shù)據(jù)儲存模塊電路原理圖(6)I/O輸入模塊此模塊的作用：主要是信號的檢測功能,檢測打螺絲機各運動軸信號,還有上料系統(tǒng)信號.接到可以正常生產(chǎn)的條件,隨之電平信號改變,主芯片就能接受其處理之后的電平信號,并進行檢測.本設(shè)計中采用了晶體管輸出耦合器：東芝光耦TLP281-1.該耦合器還具有很好的抗干擾性能,因為它可以實現(xiàn)電氣隔離的功能,增加系統(tǒng)的信號穩(wěn)定.電路原理圖如圖4-6所示.圖4-6I/O口輸入模塊電路原理圖(7)I/O輸出模塊設(shè)計I/O輸出模塊來驅(qū)動高電流負載,本設(shè)計中的主芯片輸出電流較小,驅(qū)動能力有限,有時候并不能滿足工作需求.I/O輸出模塊的外接工作電壓24V,負載工作電流為2A左右.根據(jù)上述電路的工作特性,選取構(gòu)成放大電路的芯片型號,選型方案有兩種：ULN2803A芯片或者IRF7313TRPBF芯片,根據(jù)芯片手冊查詢,這兩款芯片工作參數(shù)分別如圖4-7、4-8所示.圖4-7ULN2803A芯片手冊圖4-8IRF7313TRPBF芯片手冊查手冊得,ULN2803A的工作電壓和工作電流分別為30V、500mA,IRF7313TRPBF的工作電壓和工作電流分別為30V、6.5AREF_Ref6211\r\h[23].但是由于我們外接負載工作電流為2A左右,選用ULN2803A的話,很容易出現(xiàn)芯片燒毀的情況,因為2A左右電流遠遠大于它所能承受的500mA,但是采用IRF7313TRPBF芯片就可以滿足要求,其電路原理圖如圖4-9所示.圖4-9I/O輸出模塊電路原理圖(8)脈沖驅(qū)動模塊步進電機驅(qū)動器一共接收到運動控制器發(fā)出的四組輸出信號,其中PWM脈沖信號,和一個I/O口輸出方向信號是四組信號里面每一組都有的,PWM脈沖信號是由一個定時器發(fā)出的,從而驅(qū)動步進電機的高速運轉(zhuǎn).為了解決主芯片的負載能力有限這類問題,經(jīng)過討論分析選型為：74HC245CMOS高速總線收發(fā)器,安裝在主芯片和驅(qū)動器之間,來增加驅(qū)動能力,兼容TTL器件引腳,典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路,八路信號收發(fā)器.工作電壓范圍2-6V、低輸入電流1mA,輸出直接與CMOS、NMOS和TTL接口REF_Ref9098\r\h[24].電路原理圖如圖4-10所示.圖4-10電機控制接口模塊電路原理圖(9)整合PCB電路板根據(jù)上面設(shè)計的各個模塊的電路原理圖,能夠完成設(shè)計出對應(yīng)的PCB電路板的工作,如圖4-11所示.電