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引言
CIPH9803A是一种可编程五相步进电机控制芯片。该芯片具有步数设置（大步数高达100万步）、可逆运转、启动、停车、暂停、工速、快速等多种设置功能，它具有一个传感信号输入端口，可控制步进电机的定位停车。实际应用表明，以CIPH9803A专用芯片为核心的五相步进电机控制电路具有成本低、可靠性高等优点，特别适合机床设备的技术改造。
2 引脚功能和技术参数
2．1 引脚功能
CIPH9803A芯片的引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：
RST：复位引脚，高电平有效，正常工作时，该引脚应为低电平；
OUT1～OUT5：分别为五相步进电机的A～E相的激励输出，均为负脉冲有效，负载电流小于25mA；
XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路接入端；
STOP：步进电机停车输入端，负脉冲有效。当步进电机运行到指定位置时，可将光电传感器产生的负脉冲输入到该端，以自动停止步进电机的运行；
LED：按键指示输出端，低电平有效。在键盘的任一键按下时，该端输出低电平；
GND：电源地；
VDD：电源正端（＋2．7～＋6．5V）；
C1～C4：分别用于连接行列式键盘的第1～4列；
R1～R4：分别用于连接行列式键盘的第1～4行。
2．2 主要技术参数
CIPH9803A的主要技术参数如下：
●工速：6r／min；
●快速：60r／min；
●OUT1～OUT5：步进电机的五相激励输出，为五相十拍，负载能力小于25mA；
●大步数设置：999999步。
3 工作原理
CIPH9803A在工作时，首先应由键盘设置步进电机的运转步数。在步数设置过程中，如果发现当前输入的数字有误，可按一下“C”功能键将其消除，每按一次“C”功能键就可消除一位已输入的数字，如果连按六次“C”功能键，就可消除已输入的六位数字；运转步数设置好后，可由“A”功能键设置正反转标志，“A”功能键是正反转双功能切换键，默认为正转；由“B”功能键设置工速与快速标志，“B”功能键是工速与快速双功能切换键，默认为工速；当步进电机的运转步数、正反转标志以及工速快速标志等设置好后，只要按一下“E”功能键则可立即启动步进电机运行。在步进电机运行过程中，如果需要暂停，只要按一下“D”键即可，若再按一下“D”键，则步进电机将继续运行。步进电机停车方式有三种：一是运行到规定步数后自动停车；二是按“F”功能键强行停车；三是由定位传感器获取的定位信号来控制停车。
4 应用电路
基于CIPH9803A专用芯片的五相步进电机控制系统电路如图2所示。图中，固态继电器为步进电机功率驱动器件，用户应根据步进电机负载大小合理选择固态继电器的型号，如5A、10A、15A、20A等。
5 结束语
基于CIPH9803A专用芯片的五相步进电机控制系统具有集成度高、外围电路简单、便于维护、运行可靠等特点。该系统在天津某机电公司机床设备的技术改造中使用后，效果十分理想。
一、引言
由于步进电机成本低，控制线路简单，调试方便，所以在许多开环控制系统中得到了广泛的应用。但是当步进电机转子运动频率达到其机械谐振点时，就会产生谐振和噪声。
为了克服机械噪声可以改变驱动方式，步进电机的驱动方式一般分为单相激励、两相激励和半步激励等。单相激励时虽然具有输入功率小，温度不会升的太高的优点，但是由于振荡厉害，控制不稳，所以很少采用。两相激励、半步激励都可以提高平稳度，减小机械振荡。据此，采用细分驱动控制减小噪声是一种比较完善和理想的解决手段。
二、步进电机细分驱动原理
所谓细分驱动就是把机械步距角细分成若干个电的步距角，当转子从一个位置转到下一个位置的时候，会出现一些“暂态停留点”。这样使得电机启动时的过调量或者停止时的过调量就会减小，电机轴的振动也会减小，使电机转子旋转过程变得更加平滑，更加细腻，从而减小了噪声。
图1 电机驱动示意图
首先介绍步进电机整步驱动，我们以两相混合式步进电机57BYB406为例，它的步距角为1.8°。该电机有A，B两相绕组，其中我们用C表示A通反向电流时的磁场-A，用D表示B通反向电流时的磁场-B。
当分别给各相绕组通电时，各相绕组产生的旋转磁场如下：仅有A相导通时，旋转磁场指向A;仅有B相导通时，旋转磁场指向B;仅有C相导通时，旋转磁场指向C;仅有D相导通时，旋转磁场指向D。依次为各相绕组通电，每切换一次，旋转磁场矢量转过90°，电机转过一个步距角1.8°。当旋转磁场矢量转过360°时，电机转过一个齿距，这种工作方式称为整步工作。
如果改变上述加电过程，采用四相八拍工作，即通电顺序依次为：
此工作方式称半步工作，旋转磁场的矢量变化如图2所示。每改变一次通电状态，旋转磁场的矢量转过45°。
图2 四细分驱动磁场矢量图
同理，旋转磁场转过360°，电机转过一个齿距。
由半步原理给予启发，如果让旋转磁场矢量每次转过22.5°，这样就实现了四细分驱动。其旋转磁场矢量变化如图3所示。
图3 步进电机四细分驱动磁场矢量图
为了使电机输出转距大小一致，也就是使电机匀速转动，我们控制流入A，B，C，D各相电流的大小，具体按公式sin2α+cos2α=1来计算。图4给出了四细分驱动时各相电机输入电流值的变换曲线。
图4 四细分驱动转距均匀输出原理图
三、细分驱动在喷膜机的应用
1、喷膜机总体设计
喷膜机中X方向细分驱动控制如图5所示。这里我们采用8052微处理机，它是增强的MCS-51系列单片机，具有8K字节的ROM，256字节的RAM。8位DA转换器AD7524通过锁存器与单片机的数据线相连，构成步进电机的脉冲信号发生器。如果该脉冲信号驱动能力不够大，可以在DA转换器之后加一级放大器。产生的脉冲信号加在驱动器NJM3770的VR引脚，用来驱动步进电机。
图5 喷膜机X方向控制图
2、脉冲分配器的设计
在喷膜机的设计中，我们采用软件的方法实现脉冲分配器。将电机四细分驱动脉冲数据存储在内存中，如表1所示。当电机逆时针方向运转时，自上而下走表索取控制量;当电机顺时针方向运转时，自下而上走表索取控制量，这样就可以控制电机上的电流的大小。其中控制量的高位是方向控制信号，低7位存储电机脉冲信号的大小。
如何实现7位数据的数模转换呢?这里介绍两种方法实现DA转换。种方法的思想是：脉冲信号的大小用8位表示，但要求存储的任何数据的高位都为零，这样就可以将DA转换器的高位直接接地，用高位存储方向控制信号。为了使存储数据的高位始终为零，就必须使数字信号的大值不超过01111111，即模拟信号的大小大为-VREF（127/256）。为了得到所需要的电压值须将参考电压VREF增大一倍。这样锁存器的高位Q7表示方向位，接NJM3770的Phase引脚，锁存器的Q0～Q6顺次接DA转换器的D0～D6，DA转换器的高位接地。
表1 电机四细分驱动脉冲数据
第二种方法的思想是：数据仅用7位表示，留下一位表示方向位。在设计中使锁存器的Q0～Q6分别接AD7524的D1～D7，AD7524的D0位接地，锁存器的Q7接NJM3770的Phase引脚。这种方法使得实际输出的数据与理论所需数据之间会产生误差，误差率为1/256。在喷膜机的设计Vr=5V，V误差=0.0195V，由于误差很小，不会产生很大的影响，所以采用第二种方法。查看电机的参数表得知电流值Im=0.7A，所以我们在设计当中，应该使电机中的电流不能大于0.7A。当RS=0.68Ω，VR=5V时，通过公式Im=（VR×0.080）/RS计算得到Im=0.588A，满足设计要求。通过微调AD7524的参考电阻RREF，可以微调电机脉冲信号的大小，从而控制电机绕组上的电流值。按表1计算出四细分驱动所需要的脉冲信号的大小，A，B两项绕组上的脉冲变化如图6所示。由于方向控制信号由AD7524的Q7位控制，所以绕组上的电流值只表现大小。
图6 A，B两相电机脉冲时序图
3、保护电路的设计
步进电机驱动器采用NJM3770，它由一个与LS-TTL兼容的逻辑输入端，一个电流感应器，一个单稳态多频振荡器，一个高压H桥输出端组成。具有以下特点：只能驱动步进电机的一相，半步或者全步控制，开关模式的双极性直流驱动，电流控制范围5～1800mA，电压范围10～45V，过热保护，Phase为方向控制信号，高电平时电流自MA→MB;低电平时，电流自MB→MA。I0，I1控制电机上的电流输出，变化情况如表2。
表2 I0，I1控制电机上的电流输出，变化情况
在驱动器的设计中，如果电机上的电流太大，电机会发热，而且绕组上电流变化过程中会产生很大的感应电动势，这样就会损坏电机，所以应该具有相应的保护措施。这里可以通过控制I0，I1来控制电机上的电流大小，我们可以采用60%的电流输出，即I0=1，I1=0。并且要设计反向电流回路，来对感应电动势进行抑制。一般方法是采用浪涌吸收电路，简单的办法就是将一个二极管与各绕组并联，二极管的正向电压较低，吸收效果较好，但二极管的通电时间长，不适用于高速开关电路。另外，二极管把绕组上的感应电压直接短路，阻尼效果很强，电机的高频特性变坏，因此这种结构限于低速运行的电路，在喷膜机的设计中，对电机的速度要求不高，因此采用这种方法。
4、细分驱动软件设计
步进电机有启动频率和高频率两个参数，为了使电机转动更加平稳，应该有电机加速和减速程序，从而使得电机很快的到达运行频率而且不会出现失步。四细分驱动流程图见图7。首先将表1放入内存中，STEPNUML，和STEPNUMH分别存放步数的低8位和高8位，PHASE是方向控制信号，R0存放表的项数。按照电机转动方向决定R0的初始值，依次从表中读取数值，每发送一个数据，电机走一步（0.45°），然后延时一段时间。根据延时的长短，可以控制电机的速度，连续读取数据，电机就转动起来了。
图7 流程图
四、小结
以上详细的介绍了步进电机四细分驱动在喷膜机中的应用，这一技术也可以推广到其他数控装置中，读者也可以根据实际需要进行细分，当然分得越细，控制越复杂，硬件电路要求也越高。
1．概述
某纺织机械厂使用凯迪恩PLC已在多种型号的梳棉机上定型应用。针对纺织机械智能化、集成化操作要求，客户希望通过PLC连接两台变频器，并通过文本屏设定和显示变频器参数。凯迪恩公司利用新推出的双串口CPU306EX对原系统改造，顺利实现了客户新增功能，变频器选用的是伦茨（LENZE）SMD系列。这里我们不再重复机械的工艺过程，重点介绍KDN-K3系列PLC与伦茨变频器通讯的过程。
2．CPU306EX双串口PLC的通讯说明
CPU306EX带有两个串行通讯口，Port0物理层是RS232/485可选，集成了三种通讯协议：①MODBUS RTU从站协议；②自由通讯协议； ③与EasyProg软件通讯的协议。Port1物理层是RS485，集成了二种通讯协议：①MODBUS RTU从站协议;②自由通讯协议。在本应用中Port0与文本屏通讯，采用MODBUS RTU从站协议。Port1与两台变频器通讯，采用自由通讯协议。
3．伦茨SMD系列变频器的通讯说明
伦茨SMD系列变频器通讯协议是MODBUS RTU从站协议。用MODBUS通讯时，需注意以下几点：
a. 通讯线按如下方式连接：
A（PLC）→71（台变频器）→71（第二台变频器）
B（PLC）→72（台变频器）→72（第二台变频器）
b. 参数设定（区分大小写）：
C01：8（MODBUS通讯协议）
C25：1（通讯参数9600，8，N，1）
台变频器地址：
C09：2（站号为2）
第二台变频器地址：
C09：3（站号为3）
c. 端子28要与20短接。
d. 需要设定低速、高速、加速时间、减速时间对应的寄存器如下：
设定低速段C37（4AH）
设定高速段C38（4BH）
设定加速时间C12（3DH）
设定减速时间C13（3EH）
e. 需要读变频器当前频率寄存器如下：
读频率C50（50H）
f. 采用通讯方式给变频器参数设定新值时，首先要对变频器执行解锁操作。给寄存器49（31H）传参数0即可。（W49=0）
4．CPU306EX与伦茨SMD系列变频器的通讯说明
CPU306EX与伦茨变频器采用自由口通讯协议，CPU端需模拟MODBUS主站。
MODBUS数据格式如下：
通讯数据（信息帧）格式
通讯信息传输过程：
当通讯命令由发送设备（CPU）发送至接收设备（变频器）时，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。
地址码：就是每台变频器的站号，是唯一的。
功能码：MODBUS通讯规约可定义的功能码为1到127。这里只用到了03和06。
数据区：数据区包括需要由从机返送何种信息或执行什么动作。
CPU内部用了一个500mS定时器来控制通讯，每500mS读一次变频器的频率。次读个变频器，第二次读第二个变频器，然后再返回读个，周而复始。当文本屏要设定数据时，暂停定时器停止通讯，设定成功后返回正确信息。如果设定不成功，返回错误信息并提示重新设定。若不成功次数超过5次即报警，认为PLC不能与该变频器通讯。
