熔炼装置的控制系统设计

1运动控制系统整体设计

1.1步进电机驱动电路步进电机是一种电脉冲控制的特殊同步电动机，它可以将电脉冲转换成角位移或线位移，因而在自动化领域得到广泛应用。步进电机具有数字信号直接开环控制，易于启停、正反转及变速等优点[10]。步进电机的驱动电路的优劣直接影响电机运动的速度和平稳性。本方案采用将两片驱动芯片-L298N并联构成步进电机驱动电路，控制逻辑信号与L298N直接通过高速光耦隔离。L298N是内含两个H桥的高电压大电流全桥驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可驱动电压46V、每相2.5A及以下的步进电机[11]，将两片L298N并联，电流的容量可以扩大一倍。具体的并联方案：单片L298N芯片中，EnA和EnB连接在一起，共同连接一相电机绕组的使能端；IN1和IN4连接在一起，共同连接一相电机绕组的控制信号，而IN2和IN3则连接在一起，共同连接该相电机绕组的另一控制信号；OUT1和OUT4连接在一起，共同连接电机一相绕组的一端；OUT2和OUT3连接在一起，共同连接该相绕组的另一端。这样，就完成了两个全桥的并联，提高了驱动力。1.2程序设计控制单元采用TI公司的2000系列DSP[12]，TI的TM320LF240X系列DSP是专为数字电机控制和其他控制系统而设计的，它内部不但有高性能的C2000cpu内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有单片电机控制的外设，尤其适合电机控制[13]。装置中，步进电机控制系统需要4路PWM（脉冲宽度调制）控制，要求4路PWM波的频率以及占空比可以调节。在设计时，使用TMS320LF2407A的事件管理器模块产生这4路PWM波。整个控制方案如图2所示：控制系统上电完成DSP片上资源的初始化；外设的初始化和自检：对传感器和各部分电路进行检查，异常报错；设定参数：设定加热温度、熔区行程、运行速度等；加热器初始位置归位到装置的最底部开始加热；当温度到达设定温度时，电机开始向上运动，走满行程后，电机停止运动，加热器停止加热，待冷却至室温时，步进电机以较快的速度向下运动，归位后完成一次加热提纯。区域熔炼对提纯物通常要进行5到10次的加热提纯。图2DSP控制器程序框图

2细分技术

2.1细分驱动介绍细分驱动在七十年代中期由美国科学家首次提出，它是建立在步进电机的各相绕组理想对称和距角特性严格正旋的基础上的。它通过控制电动机各相绕组中电流的大小和比例，使步距角减小到原来的几分之一至几十分之一。细分驱动能极大地改善步进电机运行的平稳性，提高匀速性，减轻甚至消除振荡。近几年来，由于微处理器技术的发展，细分电路得到了广泛的应用。为了确保细分后的步距角与输出力矩恒定,设计采用了电流矢量恒幅均匀旋转的细分驱动方法。电流矢量恒幅驱动是指同时改变步进电机的各相绕组电流，使其合矢量始终保持不变，且每次激励到来时，转过的角度也相同。这样，就能够获得步距角的均匀细分，而且输出力矩保持不变。以二相混合式步进电机为例，在两相绕组上分别加幅值相同，相位相差90°的正弦电流,这样合成的电流矢量（或磁场矢量）就在空间作幅值恒定的旋转运动，如图3所示。两绕组电流分别按如下两式的值输入：Ix=I·cosɑ（2-1）Iy=I·sinɑ（2-2）ɑ=90°·s/n（2-3）式中Ix和Iy分别为步进电机两相绕组的实时电流值，I为绕组的额定电流值，α为电机转过的角度，s为步数，n为细分数。这样每当辐角矢量α的值发生变化时,合成的矢量都转过一个相应的角度,且幅值大小保持不变,从而实现恒力矩I、均匀步距角的细分驱动。?IxIy图3电流矢量恒幅驱动示意图2.2细分算法软件实现步进电机中的绕组是电感，通过控制pwm斩波的占空比来控制通过绕组的平均电流。用于细分电流的正弦值计算较为复杂，计算机中一般采用级数展开等算法计算正弦值，装置需要良好的实时性控制，显然实时计算不能满足系统的需求。设计选用的TMS320LF2407A内置了很大的存储空间，另外还可以外扩存储。所以，为了更好地进行系统的实时控制，设计牺牲一部分存储空间，在编写细分程序之前就把正弦值计算好，放入到DSP芯片的数据或者程序存储空间。当需要使用正弦值值，直接到正弦表中查询使用，较之实时计算，这种方法的实时性更佳。先在DSP的FLASH中建立一张正弦表，在程序的控制下由事件管理器单元输出4路pwm信号，通过驱动器输出恒力矩。绕组中的电流如下图所示。102030405060-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81N=64幅值图4阶梯波拟合正弦电流矢量图（16细分时）

3实验结果

定时测直线位移。测试128细分的情况下，10.546875mm/h，21.09375mm/h，52.734375mm/h速度下，经过2小时所走过的位移。忽略人为计时误差和测量度数误差，测量值如下：(1)10.546875mm/h时实测值为21.595mm，速度为10.7975mm/h，误差为2.376296%。(2)21.09375mm/h时实测值为43.370mm，速度为21.685mm/h，误差为2.802963%。(3)52.734375mm/h时实测值为108.115mm，速度为54.0575mm/h，误差为2.509037%。通过以上分析，运动控制系统的精度符合装置正常运行的要求，误差在可接受范围以内。实验对纯度为89%的蒽醌试样进行提纯，DSP控制器输出脉冲频率设定为29hz，采用128细分，步进电机的步距角1.8°，滚珠丝杠的导程为5mm，熔区运动速度计算如下：(29*5*3600)/(128*360/1.8°)=20.4mm/h。设定运行次数设定为5次。实验结果(表1)表明，该方案切实可行，基本满足了区域熔炼装置对熔区运动的要求，实现了区域熔炼装置的自动化。

4结束语

本文提出了一套基于dsp的小型有机半导体熔炼装置运动控制系统的设计方案，实现了实验室有机半导体提纯的自动化，为区域熔炼装置的运动部分提供了一种思路。随着对有机半导体区域熔炼的继续深入研究，将对区域熔炼装置提出更高的要求。

作者：吴钢 戎舟 单位：南京邮电大学 自动化学院