王 粟 張威亞 常雨芳

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

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步進電機控制器在液晶屏壓合器中的應用

王 粟 張威亞 常雨芳

(湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068)

為了使液晶屏壓合器在使用過程中能夠平穩(wěn)、快速、準確地完成液晶屏與機體后殼的壓合動作，設計了一種步進電機控制器。該系統采用單片機S3FN41F作為微處理器，通過PC機上的人機交換界面與單片機進行CAN通信。單片機產生脈沖信號，以驅動硬件控制電路，從而完成對步進電機的控制。該系統不僅可以進行離線控制，還可以通過PC機進行在線調試，具有穩(wěn)定性高、響應速度快、體積小、安裝調試方便等優(yōu)點，能夠廣泛應用在壓合系統中，具有實際推廣意義。

壓合器 液晶屏 步進電機 控制器 微處理器 人機交換 CAN通信 離線控制 調試

0 引言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，液晶產品的使用越來越廣泛。液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)作為液晶產品的重要組成部分，憑借清晰度高、功耗低、輻射小和質量輕等優(yōu)點，已成為多數電子產品中不可或缺的組成部分。然而，由于LCD材質特殊，在其與產品主體后殼拼接過程中應避免與人體的接觸，否則將污染和損壞LCD表面，進而大大降低生產效益。為確保LCD能夠順利、高效地完成與產品主體后殼的拼接，在大批量的液晶產品生產中，多采用專有的拼接或壓合系統，本文稱之為液晶屏壓合器。液晶屏壓合器作為一種將LCD與機體主體拼接在一起的設備，已經廣泛應用在液晶電視、電腦顯示器、手機、數碼相機等液晶產品的生產過程中。本文所述液晶屏壓合器傳動裝置采用步進電機傳動，這就要求步進電機具有較高的位置精準度和運行平穩(wěn)度。位置精準度是指在產品拼接過程中LCD與主體之間能夠準確定位，防止出現允許范圍外的誤差。運行平穩(wěn)度是指避免步進電機在啟動和停止過程中發(fā)生不必要的抖動，以防止LCD振蕩或脫落造成損傷。同時，為了提高生產效益，步進電機還應保持較高的運行速度，使LCD與機體主體在較短的時間內完成壓合或拼接操作。針對以上問題，研制了一種應用在液晶屏壓合器中的步進電機控制器。

1 步進電機

1.1 步進電機概述

步進電機是一種把電脈沖信號轉變成角位移或線位移的控制元件，因其具有控制簡單、步進精確等特點，被廣泛應用在計算機外圍設備、數控機床以及其他自動控制系統中[1]。步進電機作為一種特種電機，無法直接通過直流或交流電源供電，必須使用專用的驅動器[2]。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，通過運行程序產生控制脈沖，驅動硬件電路工作的控制方式已經成為當前主流。單片機作為微型計算機的代表，已成為目前控制步進電機的較好選擇[3]。

1.2 步進電機的矩頻特性

步進電機在連續(xù)運行狀態(tài)下，其輸出轉矩和頻率之間的關系稱為步進電機的矩頻特性[4],特性曲線如圖1所示。

圖1 矩頻特性曲線

從圖1可以看出，步進電機的轉矩隨著頻率的上升呈下降趨勢[5]。矩頻特性表明，當步進電機啟動時，頻率f剛好高于能使步進電機啟動的起始頻率fst，這也導致啟動力矩Td小于起始啟動力矩Tst，從而出現失步或無法啟動的現象[6]。其特性可以通過其動力學模型(二階微分方程)來描述，表示為：

(1)

式中:J為步進電機經過折算后的總轉動慣量；β為電機阻尼系數；θ為步進電機轉動角度；K為與θ成函數關系的比例系數；TZ為摩擦阻力矩與無關阻力矩之和；Td為步進電機所產生的電磁轉矩[4-7]。

由式(1)可得：

(2)

式中:Jε為系統的慣性扭矩。

由式(2)可以看出，慣性扭矩Jε小于最大電磁轉矩。為提高系統的響應特性，角加速度ε在升速階段，應該取較大值，但取值不應過大，否則將導致步進電機發(fā)生失步現象。液晶屏壓合器的步進電機在傳動LCD過程中，Jε應小于電磁轉矩，否則會出現步進電機的失步或無法啟動等現象，造成LCD無法完成與機體主體壓合的問題。

1.3 步進電機的暫態(tài)轉矩特性

由于步進電機轉子慣量的作用，即使空載運行一步，也會產生超越角，并在超越角與返回角之間來回振蕩，經過衰減后靜止于所定角度，此為步進電機的暫態(tài)響應特性，如圖2所示。圖2中，Δθ為超越角；ΔT為上升時間；穩(wěn)定時間為轉子自由靜止到設定位置的時間(通常為到達步距角的±5%誤差范圍內的時間)[8]。

圖2 暫態(tài)響應特性曲線

由暫態(tài)響應特性曲線可知，穩(wěn)定時間越短，快速性越好，同時產生抖動的時間也越短。在對于去抖動要求高的場合，減少穩(wěn)定時間尤其重要。液晶屏壓合器中步進電機傳動LCD的過程，應減少不必要的抖動，以防止LCD位置的偏移，影響與主體拼接的精準度，所以對減少穩(wěn)定時間有更高的要求[9]。

2 步進電機控制器在液晶屏壓合器中的應用

2.1 液晶屏壓合器

液晶屏壓合器的工作原理圖如圖3所示。

圖3 壓合器工作原理圖

以生產液晶電視為例，在大批量的生產中多采用雙流水線的工作方式。一條流水線負責液晶電視主體后殼內相應器件的裝配。裝配完成的產品稱為“半成機”，由人工將其放入機體主體槽中固定。另一條流水線負責壓合前LCD的相關準備工作，如LCD質量的檢查、排線及相關其他配件的安插，并將其傳送至壓合前預定位置。待完成壓合前準備工作，按下壓合開始按鈕，傳動裝置帶動由吸合裝置吸起的液晶屏正向移動至目標位置，完成與機體主體的拼接。完成之后反向移動至起始位置，繼續(xù)帶動LCD進行壓合，如此往返，完成大批量的流水線工作。吸合裝置所需壓強差由專用壓力泵產生。吸合裝置負責將LCD吸起，并在往返過程中起固定作用，以避免人體與LCD的直接接觸。

2.2 步進電機控制器硬件設計

步進電機控制器的系統原理框圖如圖4所示。

圖4 系統原理框圖

步進電機控制器由裝載人機交換界面的PC機、USB/CAN模塊、USB/RS-485模塊、單片機S3FN41F、電機控制芯片TMC4210、電機驅動芯片TMC2660、電機工作電源和步進電機等組成。S3FN41F是三星半導體公司生產的一款以ARM Cortex-M0為內核的32位高性能處理器，具有串行通信(SPI)、通用串行總線(USB)、控制器局域網絡(CAN)接口，可直接與計算機、控制芯片、驅動芯片進行通信。TMC4210是TRINAMIC公司生產的步進電機控制芯片，主要控制驅動芯片的運行。TMC2660是TRINAMIC公司生產的步進電機驅動芯片，內設存儲器和寄存器，通過SPI通信，可以進行參數配置。系統工作時，步進電機采用專用開關電源供電，電壓范圍為10～29 VDC，通過穩(wěn)壓芯片78M05將其轉為5 V，為單片機等其他芯片供電。

運行PC上的人機交換界面軟件，對單片機進行相關的參數配置。單片機產生的脈沖信號將驅動控制芯片TMC4210和控制芯片TMC4210組成的硬件控制電路，從而完成對步進電機的控制。人機交換界面可以設置相應的指令參數，如目標位置、目標速度、最小速度、最大速度、最大加速度等。電機運行過程中，人機界面實時顯示電機轉子的位置、速度、加速度等參數，具有操作方便、控制簡單等優(yōu)點。此外，人機交換界面可對電機的工作模式進行選擇，如梯形變化模式、指數函數衰減模式、斜坡函數線性變換模式和只受單片機控制的保持模式。

2.3 步進電機控制器軟件設計

2.3.1 控制算法的數學模型

在步進電機的控制系統中，當步進電機接收到一個電脈沖信號，就會轉動一個角度或前進一步[10]。如果驅動脈沖數為N，輸出角度為θ，則有：

θ=AN

(3)

式中:A為脈沖當量。將輸出角θ對時間求導，可得轉動角速度ω為：

(4)

(5)

式中:Tl=KTω為阻力矩；KT為轉矩常數；J為負載的轉動慣量。假設步進電機轉速從零時刻開始上升，初始角速度ω為零，則由式(5)可得：

(6)

式中：τ=J/TT。將式(4)代入式(6)，整理得：

f(t)=fm-fme-t/τ

(7)

式中:fm為步進電機的最高連續(xù)頻率，fm=Td/AKT。式(7)說明了指數控制算法的實質，即驅動電機的脈沖頻率f與時間t呈指數關系[12]。在程序運行時，如果運行速度為fg,則從式(7)可得升速時間為：

t=τ[ln fm-ln(fm-fg)]

(8)

實際編程時，采用離散近似法來處理步進電機的指數控制，通過微處理器定時中斷的方式來控制步進電機的速度。為了便于編程，采用階梯曲線來近似替代指數加減速曲線，不需要每一步都計算定時器裝載值的大小[9]。將升速段均勻離散為n個階梯，則相鄰兩階速度變化的時間間隔Δt=t/n,n為總階梯數，實際根據不同精度取值。由式(7)可知，每一階梯頻率為：

fk=fm-fme-kΔt/τk=1,2,3,…,n

(9)

各分檔速度內運行步數Nk為：

(10)

則升速總步數為：

(11)

在程序的執(zhí)行過程中，以升速過程為例，其處理方法是：計算出每檔速度在當前階梯應有的步數，然后以遞減的方式進行檢查。如步數減為零，表明該檔速度應走的步數已經走完，進入下一檔速度。與此同時，還要遞減升速過程中的總步數，直到升速過程結束為止。減速過程的處理方法與升速過程相同，此處不再贅述。

2.3.2 控制系統的軟件實現

系統工作時步進電機采用專用開關電源供電，電壓范圍為10～29 VDC，通過穩(wěn)壓芯片78M05將其轉為5 V，進而為單片機等其他芯片供電。運行PC上的人機交換軟件可直接對步進電機進行參數的設置及控制，通過USB接口可以對單片機進行程序的編程與調試。如果系統脫離計算機，也可以通過燒錄在單片機內部的程序進行離線控制。

系統軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

系統上電后，首先初始化各寄存器。由于壓合器對去抖動要求很高，選擇指數函數衰減模式(soft_mode)，可以減少不必要的抖動。然后，判斷電機需要傳動的方向，正向傳動表示傳動裝置帶動LCD向母體移動并完成壓合過程，反向傳動則表示傳動裝置返回起始位置。根據LCD的起始位置到主體之間的距離，可以計算出起始位置到目標位置所需的脈沖值。通過定時器的定時時間，判斷步進電機是否收到到達目標位置所需脈沖數。一旦脈沖數得到滿足，定時結束，則步進電機停止運轉。

3 試驗結果

將此步進電機控制器應用到某液晶電視生產線的一臺液晶屏壓合器上。該機器傳動LCD起始位置到主體位置的距離S0為0.58 m，電機轉子所帶齒輪換算半徑r為0.05 m，步進電機步距角θ為0.9°。由下式可計算出起始位置到目標位置所需的脈沖數S為：

生產線多采用單位距離所需時間來表示線速，表1給出了試驗過程中不同生產線速對應的最小速度vmin、最大速度vmax及最大加速度amax。人機交換軟件可實時顯示步進電機的運行狀態(tài)，通過點擊人工交換軟件界面的速度曲線顯示選項，可得出電機啟動和停止過程中的速度曲線，如圖6所示。

表1 試驗具體數據

圖6 速度曲線

從表1可以看出，該控制器可根據不同的生產線速，通過設置對應參數來控制步進電機運轉，體現出其較強的環(huán)境適應能力。采用該控制器去控制步進電機，使得步進電機發(fā)生失步和抖動的現象也相應減少，且生產線速越低，失步和抖動現象越不易發(fā)生，保證了液晶屏壓合器運行的精準度和平穩(wěn)度。從圖6中電機的啟動和停止速度曲線可以看出，電機在啟動過程和停止過程中表現出軟啟動和軟停止的特點，保證了液晶屏壓合器運行的平穩(wěn)性。

4 結束語

本文針對液晶屏壓合器，設計了步進電機控制器，并通過試驗對其性能進行了驗證。在液晶產品生產線的壓合器中應用本裝置，保證了LCD與機體主體后殼的壓合精準度和平穩(wěn)度，大大提高了生產效率，產生了實際的經濟效益。采用計算機控制人機交換界面，無需專業(yè)人員操作，大大減少了人員數量，具有實際的應用前景。

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Application of the Stepper Motor Controller in Lamination Machine of LCD

In order to ensure that the lamination action for LCD and the back shell of electronic device can be steadily,rapidly and accurately during the working process of lamination machine of LCD,a stepper motor controller is designed. The system adopts single chip computer S3FN41F as microcontroller,completes CAN communication between single chip computer and PC though the human-machine interface.And generated pulses of single chip computer drives hardware control circuit to control the stepper motor. The system can be off line controlled and online debugged through the PC. It features many advantages,such as great stability,fast response speed,compact,ease installation and debugging,thus it can be widely applied in lamination system,and promoted in practical applications.

Lamination machine LCD Stepper motor Controller Microprocessor Human-machine interface CAN communication Offline control Debug

國家自然科學基金資助項目(編號：61473116)；

湖北省教育廳青年基金資助項目(編號：Q20141405)。

王粟(1964—)，女，1989年畢業(yè)于武漢理工大學自動化專業(yè)，獲碩士學位，教授；主要從事計算機控制技術、智能控制技術的研究。

TH7;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608008

修改稿收到日期：2016-01-09。