時(shí)間：2022-04-30 08:34:51
開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：PMM8731；SI-7300；步進(jìn)電機(jī)；功率驅(qū)動(dòng)電路
1PMM8713的功能特點(diǎn)
PMM8713是日本三洋電機(jī)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器。該器件采用DIP16封裝，適用于二相或四相步進(jìn)電機(jī)。PMM8713在控制二相或四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)都可選擇三種勵(lì)磁方式（1相勵(lì)磁，2相勵(lì)磁，1－2相勵(lì)磁三種勵(lì)磁方式之一），每相最小的拉電流和灌電流為20mA，它不但可滿足后級(jí)功率放大器的要求，而且在所有輸入端上均內(nèi)嵌有施密特觸發(fā)電路，抗干擾能力很強(qiáng)，其原理框圖如圖1所示。
在PMM8713的內(nèi)部電路中，時(shí)鐘選通部分用于設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)脈沖輸入法。PMM8713有兩種脈沖輸入法：雙脈沖輸入法和單脈沖輸入法。采用雙脈沖輸入法的連線方式如圖2（a）所示，其中CP、CU兩端分別輸入步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制脈沖。當(dāng)采用單脈沖輸入法時(shí)，其連線方式如圖2（b）所示，該圖中的CK為時(shí)鐘脈沖輸入，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向由U／D的高、低電位決定。
片中的激勵(lì)方式控制電路用來(lái)選擇采用何種勵(lì)磁方式。激勵(lì)方式判斷電路用于輸出檢測(cè)；而可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器則用于產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)在選定的勵(lì)磁方式下的各相通斷時(shí)序信號(hào)。
2SI－7300A的結(jié)構(gòu)及功率驅(qū)動(dòng)原理
SI－7300A是日本三肯公司生產(chǎn)的高性能步進(jìn)電機(jī)集成功率放大器。該器件為單極性四相驅(qū)動(dòng)，采用SIP18封裝，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)電路可分為電壓和電流兩種驅(qū)動(dòng)方式，電壓驅(qū)動(dòng)方式有串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)和雙電壓驅(qū)動(dòng)兩種，其中串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)在相繞組中串聯(lián)了一定阻值和功率的電阻。為了維持步進(jìn)電機(jī)的相電流，通常要提高驅(qū)動(dòng)繞組的相電壓，因此繞組串聯(lián)電阻驅(qū)動(dòng)方式效率較低，但方法簡(jiǎn)單，成本低，故在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中使用較多。雙電壓驅(qū)動(dòng)在每相繞組導(dǎo)通時(shí)，首先施加高電壓VH使電流快速上升，當(dāng)電壓上升到規(guī)定幅值時(shí)，將高電壓VH切斷，此時(shí)，回路以低電壓VL維持，電路驅(qū)動(dòng)效率可大大提高，但因采用高低兩種驅(qū)動(dòng)電源，且電源切換的控制電路比較復(fù)雜，因而較少采用。電流驅(qū)動(dòng)方式最常用的是PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路，也是專用集成電路中最常用的能獲得高性能的驅(qū)動(dòng)方式，其中一相的等效電路圖如圖4所示。步進(jìn)電機(jī)使用較高電壓的電源時(shí)，繞組電流幾乎可以近似直線地上升到預(yù)定值，此時(shí)由流過(guò)RS的檢測(cè)電流去控制一個(gè)斬波控制電路即可關(guān)斷T1，從而使繞組電流在續(xù)流回路（L、D1、T2、RS、）中續(xù)流并下降。當(dāng)電流下降到規(guī)定時(shí)間后（達(dá)到某一電流）由脈沖電路產(chǎn)生脈沖至斬波控制電路可使T1接通，如此反復(fù)（由T1的反復(fù)開(kāi)關(guān)）對(duì)繞組電流進(jìn)行斬波控制，就可使電流平均值趨于恒定。外接穩(wěn)壓二極管D2、D3可用作嵌位保護(hù)和內(nèi)部集成續(xù)流回路（外接檢測(cè)電阻RS），從而避免T1開(kāi)關(guān)所引起的尖峰感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所造成的尖峰電壓T1的危害。
3在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用
步進(jìn)電機(jī)是常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它用脈沖頻率控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而用脈沖的數(shù)目來(lái)決定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。由于拖動(dòng)負(fù)載大小不同，因此，僅僅接上電源是無(wú)法工作的，而必須接上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器才能工作。驅(qū)動(dòng)器的輸出可為電機(jī)各相提供相應(yīng)通電順序的勵(lì)磁電流。實(shí)際上，步進(jìn)電機(jī)的工作性能在很大程度上取決于所使用的驅(qū)動(dòng)電路的類型和參數(shù)。步進(jìn)電機(jī)可分為PM型、VR型和HB型三種。其相數(shù)有兩相，三相、四相、五相、六相等，常用的有兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。
由SI—7300A、PMM8713和80C51構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，圖中，PD端為SI—7300A輸出電流IO的控制端，可以懸空或接高電平，當(dāng)接高電平時(shí)可以適當(dāng)提高SI—7300A的輸出電流IO。步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度可通過(guò)80C51的鍵盤輸入，同時(shí)通過(guò)軟件可編程控制并行I／O口P1．0和P1．1，以輸出相應(yīng)頻率的脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)采用42BYG009型時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為24V，此時(shí)該功率驅(qū)動(dòng)電路的矩頻特性如圖6所示。
圖5
關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);單片機(jī);調(diào)速系統(tǒng);Proteus
中圖分類號(hào):TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)05-104-03
Design of Control System of Stepper Motor Based on Proteus and Single Chip Microcomputer
YANG Hong,LI Guohui
(Xi′an University of Post and Telecommunications,Xi′an,710061,China)
Abstract:Stepper motor is the open-loop control device changing the electrical pulse signal into angular displacement or linear displacement.The speed of stepper motor is controlled by turning the CP pulse frequency by the internal timer of AT89C52 single chip microcomputer,and its normal-reverse function is realized.The simulation is done by the Proteus software of EDA,and the hardware circuit is also designed.The results show that the simulation results by Proteus software and the hardware experimental results are basically consistent.The simulation is used firstly by Proteus,and it is transplanted into the corresponding hardware circuit.This way can reduce system′s developing costs and cycle,and has a certain promoting value.
Keywords:stepper motor;single chip microcomputer;speed regulating system;Proteus
0 引 言
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移或直線位移的執(zhí)行部件。步進(jìn)電機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài),當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng),每給它一個(gè)脈沖信號(hào),它就轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度[1]。步進(jìn)電機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比,在時(shí)間上與輸入脈沖同步,因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序,便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒(méi)有脈沖輸入時(shí),在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài),因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)作為一種高可控性的特種電機(jī),利用其沒(méi)有誤差積累(精度為100%)的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。
英國(guó)Labcenter electronics公司推出了嵌入式設(shè)計(jì)仿真與開(kāi)發(fā)平臺(tái)Proteus,用戶可以根據(jù)需要搭建開(kāi)發(fā)平臺(tái),將編譯好的目標(biāo)代碼加載到芯片中。目前支持的編譯器有Keil,GNU以及IAR等。在Proteus軟件中還可以查看多種調(diào)試信息,如源代碼執(zhí)行情況、CPU寄存器信息、變量值以及FLASH與RAM中的信息等。大量的元件庫(kù)支持大型設(shè)計(jì),而且在仿真中還可以觀察各元件的狀態(tài)。先通過(guò)Proteus仿真,再移植到相應(yīng)的硬件電路,這種方式可以減小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)開(kāi)支和周期,值得推廣。
1 系統(tǒng)的總體方案
該設(shè)計(jì)如圖1所示,將單片機(jī)AT89C52產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖通過(guò)功率放大器放大,從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)4個(gè)按鍵,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速等功能,通過(guò)軟件與硬件相結(jié)合的控制方法,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定控制,實(shí)現(xiàn)grade 0~grade 9十級(jí)變速,轉(zhuǎn)速分別是3 r/min,5 r/min,8 r/min,10 r/min,12 r/min,15 r/min,30 r/min,40 r/min,60 r/min,120 r/min,變速范圍較廣,并采用LCD1602顯示屏即時(shí)顯示控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。系統(tǒng)軟件編寫遵循模塊化設(shè)計(jì)的原則,代碼具有良好的易維護(hù)性和可移植性。本系統(tǒng)操作方便,可靠性高,其設(shè)計(jì)精度可以滿足一般工業(yè)控制的要求,能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要,實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的良好控制。
圖1 系統(tǒng)原理圖
2 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、鍵盤電路等,系統(tǒng)電路圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)電路圖
2.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)不能直接采用直流或者普通交流來(lái)供電,必須采用專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器,其驅(qū)動(dòng)控制器一般包括脈沖發(fā)生與分配單元、功率驅(qū)動(dòng)單元,閉環(huán)控制電路中還將加入反饋和保護(hù)單元。大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都運(yùn)行在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下,因?yàn)槌杀据^低,并無(wú)須反饋,故本設(shè)計(jì)采用了開(kāi)環(huán)控制方式。
(1) 脈沖分配器
脈沖分配器又稱環(huán)形分配器。步進(jìn)電機(jī)正常工作需要按照步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)表所規(guī)定的狀態(tài)和順序依次對(duì)各相繞組進(jìn)行通電或者斷電控制,各相驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源于脈沖分配器。脈沖分配器的主要功能是把來(lái)源于控制環(huán)節(jié)的時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的各相輸入端,控制勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或者截止。脈沖分配器是一種特殊的可逆循環(huán)計(jì)數(shù)器,只是這種計(jì)數(shù)器的輸出不是一般的編碼,而是步進(jìn)電機(jī)激勵(lì)磁狀態(tài)要求的特殊編碼。
由于單片機(jī)的硬件資源完全夠用,采取軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配器的功能,使得硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔。
(2) 激勵(lì)方式
二相六線永磁式步進(jìn)電機(jī)的激勵(lì)方式有一相、┒相、一至二相三種。一相激勵(lì)方式是指每一時(shí)刻四相中只有一相接通,步進(jìn)電機(jī)以此方式工作時(shí),溫升較高,電源功率功耗小,但是當(dāng)速度較高時(shí)容易產(chǎn)生失步;┒相激勵(lì)方式是指每一個(gè)時(shí)刻四相中有兩相導(dǎo)通,然后按四相的順序循環(huán);一至二相激勵(lì)方式使步進(jìn)電機(jī)工作在半步狀態(tài),與整步工作狀態(tài)相比較,半步狀態(tài)振動(dòng)較小,且控制更準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)中選用一至二相激勵(lì)方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)： TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：
前言
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。
一、步進(jìn)電機(jī)概述
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件，具有快速啟動(dòng)和停止的能力。當(dāng)負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值時(shí)，它就可能在一瞬間實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。它的步矩角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件(如溫度、氣壓、沖擊和振動(dòng)等)的影響，僅與脈沖頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)l周都有固定的步數(shù)，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。
正是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具備上述優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)被廣泛地用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。但大多數(shù)設(shè)計(jì)人員常常習(xí)慣于用邏輯電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)的控制，雖然已經(jīng)取得很大成效，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本高、費(fèi)時(shí)多，而且一旦組成了電路，就很難再改動(dòng)，因此不得不完全重新設(shè)計(jì)控制器。
微處理器與微計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)和低廉的價(jià)格，給步進(jìn)電機(jī)的控制開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的局面。人們完全可以借助于軟件來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而成本又不高的控制系統(tǒng)， 同時(shí)還可以很靈活地通過(guò)改變程序來(lái)改變控制方案。
二、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理
步進(jìn)電機(jī)的工作原理本質(zhì)上靠勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的合磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子做同步運(yùn)動(dòng)翻。不細(xì)分時(shí)步進(jìn)電機(jī)的合磁場(chǎng)將以一個(gè)固定的角度旋轉(zhuǎn)，如果對(duì)這個(gè)角度進(jìn)行細(xì)分，那么就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步距角的細(xì)分。由于勵(lì)磁繞組通電之后產(chǎn)生磁通量正比于電流的大小。因而只要控制各個(gè)繞組的電流的大小和方向就可以控制步進(jìn)電機(jī)各個(gè)繞組產(chǎn)生的合磁場(chǎng)的大小和方向。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在整步或半步時(shí)，只需對(duì)繞組進(jìn)行正、反向通斷電控制。工作在細(xì)分狀態(tài)下就需要精確控制流過(guò)繞組電流的大小。細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行階梯化控制，使電機(jī)以足夠小的單位步距角運(yùn)行。從而減小步長(zhǎng)和低頻振動(dòng)。提高電機(jī)的運(yùn)行分辨率。
通過(guò)對(duì)相電流的均勻細(xì)分就能使步距角均勻n細(xì)分，這是在相電流與步距角之間為線性關(guān)系的前提下才能成立的。而實(shí)際上。由于步進(jìn)電機(jī)磁化曲線本身的非線性和磁滯現(xiàn)象等因素的影響，等分相電流并不能等分步距角，而必須根據(jù)步距角和相電流的關(guān)系曲線，對(duì)各相電流加以控制和修正，才能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的均勻細(xì)分。另一方面合成磁場(chǎng)的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。因此提出了一種恒流均勻細(xì)分控制的方法，它的基本思想是：維持步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部合成磁場(chǎng)的幅值恒定，合成磁場(chǎng)的方向均勻變化。對(duì)于那種完全用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路，要進(jìn)行恒力矩均勻細(xì)分控制是相當(dāng)困難的，但是對(duì)于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)這種控制就容易多了，它通過(guò)軟件可以相應(yīng)的數(shù)字量存儲(chǔ)于EPROM的不同區(qū)域，采用軟件查表法輸出細(xì)分電流的控制信號(hào)。
三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，可以很方便地使不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)按任一種可行的通電方式進(jìn)行控制。圖1是單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的原理框圖。
圈1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)原理框圖
1單片機(jī)及其接口電路
本系統(tǒng)以MCS51系列8031單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞。由于考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展，外接可編程的I／O接口芯片825用于LED顯示、打印機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等的接口。圖2是單片機(jī)及其接口電路的原理框圖。
圖2 單片機(jī)及其接口電路原理框圖
2系統(tǒng)直流電源
微型計(jì)算機(jī)及其接口一般要求一種或多種電源電壓，這些電壓的波動(dòng)必須保持在標(biāo)稱值的±5％以內(nèi)，具有足夠的穩(wěn)定度，否則整個(gè)系統(tǒng)就難以做到穩(wěn)定地工作，而且也會(huì)影響測(cè)量的精度。根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了+5V和+24V直流電源，如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)直流電源
圖中采用三端集成穩(wěn)壓器，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。所謂集成穩(wěn)壓器一般是指把經(jīng)過(guò)整流的不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)換成為穩(wěn)定的輸出電壓的集成電路。這類器件一般具有較好的電壓調(diào)整特性、負(fù)載調(diào)整特性、抑制輸入電壓交流成分特性、溫度穩(wěn)定性和過(guò)熱、過(guò)電流及安全工作區(qū)自動(dòng)保護(hù)功能。
3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
本系統(tǒng)以單片機(jī)的I／O口8255A口作為單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口。由于A口驅(qū)動(dòng)能力有限，而被控制的步進(jìn)電機(jī)要求高電壓和大電流，所以在A口之后必須加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。圖4所示為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。
圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
圖中只畫(huà)出一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之完全相同。在圖4中，三極管T1起著開(kāi)關(guān)的作用。當(dāng)三極管截止時(shí)，無(wú)集電極電流流通，開(kāi)關(guān)相當(dāng)于斷開(kāi)；當(dāng)三極管飽和時(shí)，流過(guò)最大的集電極電流，開(kāi)關(guān)相當(dāng)于閉合。而開(kāi)關(guān)作用可由加于基極的電流來(lái)控制。
驅(qū)動(dòng)電路由T2T3。兩個(gè)三極管組成達(dá)林頓式功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的3個(gè)繞組，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到近2A。
電路中使用光電耦合器將控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以隔離。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，T1截止，輸出高電平，則紅外發(fā)光二極管截止，光敏三極管不導(dǎo)通，因此繞組中無(wú)電流流過(guò)；當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，T1飽和導(dǎo)通，于是紅外發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，使光敏三極管導(dǎo)通，向功率驅(qū)動(dòng)級(jí)晶體管提供基極電流，使其導(dǎo)通，繞組被加電產(chǎn)生電流。
步進(jìn)電機(jī)繞組中串聯(lián)電阻Ra的目的是為了限制繞組中的電流，因?yàn)槔@組的直流電阻很小。繞組并聯(lián)一個(gè)二極管是為了在繞組斷電時(shí)提供磁能釋放回路，而不致使晶體管損壞。
電路中使用光耦合器件的作用主要體現(xiàn)在以下3方面：
(1)實(shí)現(xiàn)微計(jì)算機(jī)與外部現(xiàn)場(chǎng)不同電平之間的轉(zhuǎn)換。
(2)實(shí)現(xiàn)微計(jì)算機(jī)與外部現(xiàn)場(chǎng)的隔離， 防止外部干擾竄人微機(jī)內(nèi)部造成破壞，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。
(3)實(shí)現(xiàn)微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地線與外部現(xiàn)場(chǎng)的地線分別連接，用以消除地線干擾，同時(shí)可利用光電隔離管的低通低能去掉現(xiàn)場(chǎng)竄人的高頻干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)的可靠性。
三、步進(jìn)電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)
1中斷服務(wù)程序
本系統(tǒng)利用T0產(chǎn)生定時(shí)中斷，主要用來(lái)完成計(jì)算和控制。
2步進(jìn)電機(jī)控制子程序
步進(jìn)電機(jī)各相繞組通電順序不同，轉(zhuǎn)動(dòng)方向就不同。步進(jìn)電機(jī)控制子程序的主要任務(wù)是判斷旋轉(zhuǎn)方向，按順序送出控制脈沖，并判斷所要送的脈沖是否送完。
本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍運(yùn)轉(zhuǎn)方式。若步進(jìn)電機(jī)按A—AB—B—Bc—c—cA—A順序通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若按相反方向通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生時(shí)序脈沖的方法是：
(1) 用單片機(jī)的I／0口8255A口低三位分別控制三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C相繞組。
(2) 根據(jù)控制方式找出控制模型。
(3)按控制模型的順序，向步進(jìn)電機(jī)輸入控制脈沖。
根據(jù)以上思路編寫步進(jìn)電機(jī)控制子程序的流程圖，如圖5所示。其中，步進(jìn)電機(jī)所要走的步數(shù)需事先存放在寄存器中，轉(zhuǎn)向標(biāo)志可以存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位中。當(dāng)標(biāo)志位為零時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)標(biāo)志位為“1”時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)模型分別存放在片內(nèi)或片外RAM中。
圖5 中斷服務(wù)程序流程圖
結(jié)束語(yǔ)
本文所研究的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的脈沖檢測(cè)，中斷處理，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，重置初態(tài)．恢復(fù)控制等，對(duì)于用軟件實(shí)現(xiàn)直線扦補(bǔ)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；開(kāi)關(guān)控制；驅(qū)動(dòng)芯片
1 概述
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們對(duì)生產(chǎn)水平和生活質(zhì)量要求越來(lái)越高。在現(xiàn)代化技術(shù)水平空前發(fā)達(dá)的今天，人們?yōu)榱俗非蟾咝实墓I(yè)生產(chǎn)和高質(zhì)量的日常生活，將電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到社會(huì)各行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。伴著微電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛而又深入的發(fā)展，而步進(jìn)電機(jī)作為繼直流電機(jī)和交流電機(jī)后后的第三類電動(dòng)機(jī)，以其獨(dú)特的支持?jǐn)?shù)字化控制的特性，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)下，改變了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的角色，在人類的生產(chǎn)生活邁進(jìn)電氣化時(shí)代的過(guò)程中起到了關(guān)鍵性的作用。
2 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰七M(jìn)而轉(zhuǎn)化成線位移的開(kāi)環(huán)控制元件，它在一種在矩形電脈沖的控制下，按照設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度從而實(shí)現(xiàn)特定位移的執(zhí)行電機(jī)。當(dāng)有脈沖信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接收器中，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照既定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，也就是“步距角”，從而實(shí)現(xiàn)固定的位移。對(duì)步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，“步距角”是固定不變的，是步進(jìn)電機(jī)的走一步的距離，屬于步進(jìn)電機(jī)的固有屬性，而對(duì)步進(jìn)電機(jī)所有的控制都是步進(jìn)電機(jī)一步一步“走”出來(lái)的。我們可以通過(guò)設(shè)定發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的電脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)總的角位移，從而實(shí)現(xiàn)位置的改變，通過(guò)控制發(fā)送步進(jìn)電機(jī)電脈沖的頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)角位移的速度和角速度，從而實(shí)現(xiàn)位置上的調(diào)速。
3 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)
由于步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)字化控制方便、運(yùn)行可靠以及步距角不受外界環(huán)境變化的影響、誤差不長(zhǎng)期積累等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到打印機(jī)、照相機(jī)、雕刻機(jī)等消費(fèi)類產(chǎn)品，數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工業(yè)控制以及各種醫(yī)療器械等機(jī)電產(chǎn)品中，單片機(jī)成本低、體較小、易編程等優(yōu)點(diǎn)使其成為步進(jìn)電機(jī)的完美搭檔，在步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向的穩(wěn)定可靠高效的控制。
3.1基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框架
基于單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配合單片機(jī)最小系統(tǒng)的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1.所示，為單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖。
圖1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖
該控制系統(tǒng)中，其中單片機(jī)型號(hào)為AT89C51，為整個(gè)系統(tǒng)提供控制指令的輸出，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路為單片機(jī)最小系統(tǒng)的所必須的電路，開(kāi)關(guān)控制電路只要是為用戶提供外部接口來(lái)人為地控制步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，顯示電路顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，ULN2003芯片是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
3.2單片機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程
使用P3端口讀取人為的鍵盤按鍵的信號(hào)，P0端口控制步進(jìn)電機(jī)的工作模式。
（1）初始化單片機(jī)，初始化定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)傳送端口，芯片使能以及初始數(shù)據(jù)賦值
（2）檢查步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，是否處于使能狀態(tài)
（3）檢測(cè)P3口的狀態(tài)
a.如果正轉(zhuǎn)按鈕被按下，選擇較當(dāng)前定時(shí)器的初始數(shù)據(jù)大的最小值賦值給定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)（單片機(jī)上電是步進(jìn)電機(jī)停止，相當(dāng)于控制信號(hào)頻率為0，定時(shí)時(shí)間無(wú)窮大），然后發(fā)送信號(hào)將步進(jìn)電機(jī)使能，并啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。
b.如果加速按鈕被按下，選擇較當(dāng)前定時(shí)器的初始數(shù)據(jù)小的最大值賦值給定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，并啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。
c.如果減速按鈕被按下，選擇較當(dāng)前定時(shí)器的初始數(shù)據(jù)大的最小值賦值給定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，并啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。
d.如果停止按鈕被按下，停止定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作，停止改變連接步進(jìn)電機(jī)端口值，并將步進(jìn)電機(jī)使能端無(wú)效。
e.如果反轉(zhuǎn)按鈕被按下，檢查當(dāng)前定時(shí)器定時(shí)是否處于較小值，如果值較小，先停止定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作和改變端口值，然后發(fā)送控制信號(hào)為步進(jìn)電機(jī)提供正序換相通電，并判斷P0.0是否為0，如果不是，將其賦值為0，再啟動(dòng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作。
（4）當(dāng)定時(shí)器定時(shí)結(jié)束時(shí)，將當(dāng)前連接步進(jìn)電機(jī)的端口的值取反。
3.3步進(jìn)電機(jī)工作流程
根據(jù)上述單片機(jī)程序流程，可以知道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的工作流程。當(dāng)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，會(huì)看到“停止”的指示燈亮；當(dāng)按下正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，然后按下加速開(kāi)關(guān)后，“停止”指示燈熄滅，“正轉(zhuǎn)”指示燈亮，步進(jìn)電機(jī)按照較小的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；然后繼續(xù)按下加速，步進(jìn)電機(jī)速度加快，當(dāng)多次按下加速按鈕后，步進(jìn)電機(jī)不再加速，而是保持一個(gè)較高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)；按下“減速”按鈕，步進(jìn)電機(jī)速度減慢；繼續(xù)按下“減速”按鈕，步進(jìn)電機(jī)速度繼續(xù)減慢直到停止運(yùn)轉(zhuǎn)；按下“反轉(zhuǎn)”按鈕，“正轉(zhuǎn)”指示燈熄滅，“反轉(zhuǎn)”指示燈亮；按下“加速”開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度增加；按下“減速”開(kāi)關(guān)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度減小。
4 總結(jié)
單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)工作，主要是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作特性，按照人為的意愿來(lái)編寫程序代碼，并通過(guò)一定的驅(qū)動(dòng)電路或者芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。當(dāng)然，在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中還有很多細(xì)節(jié)應(yīng)該注意，比如在步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)要求此時(shí)轉(zhuǎn)速較小，以免破壞步進(jìn)電機(jī)等，從而使單片機(jī)提供穩(wěn)定的信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
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【關(guān)鍵詞】 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī) 控制技術(shù)
1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的完整的整體，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和操作控制系統(tǒng)組成"由操作系統(tǒng)完成把操作者的操作轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能接受的電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨之作出反應(yīng)，完成規(guī)定動(dòng)作。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)控式電機(jī)，其最大特點(diǎn)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定"它具有輸入脈沖與電機(jī)軸轉(zhuǎn)角成比例的特征，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。采用單片機(jī)作為控制核心的控制系統(tǒng)如圖1。
采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法"用軟件代替環(huán)形分配器，達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制"系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路"通過(guò)軟件的控制，單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換"轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)"以其中的幾個(gè)口控制驅(qū)動(dòng)電路，由于步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)繞組內(nèi)的電流值一般都能達(dá)到數(shù)安培，而控制電機(jī)繞組內(nèi)電流變化的控制信號(hào)一般都是由邏輯電路產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)，電壓一般比較低，為了防止單片機(jī)或控制信號(hào)等受到后級(jí)模擬電路的干擾，通常在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)時(shí)都要設(shè)計(jì)電壓隔離接口，以便把數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)隔離開(kāi).所以將光電隔離電路接在驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)出口之間。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)，各種功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量（如圖2）。
本系統(tǒng)由電源顯示（指示）單片機(jī)（MCU）按鍵電路看門狗電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成"系統(tǒng)中采用并行控制，用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路"鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)檔次停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。
AT89C2051提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：2KB Flash存儲(chǔ)器；128字節(jié)RAM；15條1/0引線；兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)；1個(gè)全雙工UART口；1個(gè)精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路，此外AT89C2051是用可降到0頻率的靜態(tài)邏輯操作設(shè)計(jì)的，并支持兩種可選的軟件節(jié)電方式"空閑方式停止CPU工作，但允許RAM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器！串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作"方式保存RAM內(nèi)容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其它部件的工作直
到下一個(gè)硬件復(fù)位，系統(tǒng)端口分配：
（1）Pl.0一Pl.3輸出BCD碼到七段顯示譯碼器CD4511，用于控制顯示的數(shù)碼
（2）PI.4一Pl.6：顯示動(dòng)態(tài)掃描位選線，鍵盤掃描輸出線
（3）Pl.7：WTD（看門狗MAX813）定時(shí)器復(fù)位輸出口
（4）P3.0：方向指示LED控制口
（5）P3.1：工作方式指示LED控制口
（6）P3.2、P3.3：鍵盤掃描返回線
（7）P3.4、P3.5、P3.6，步進(jìn)電機(jī)控制脈沖輸出口
顯示電路設(shè)計(jì)（如圖3）。
幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)復(fù)位電路的基本要求是：在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，就產(chǎn)生了看門狗這一電路。
（l）運(yùn)用監(jiān)控電網(wǎng)及空間存在著豐富的電磁波，對(duì)微機(jī)系統(tǒng)隨時(shí)會(huì)造成電磁干擾，可能使CPU的運(yùn)行出現(xiàn)死機(jī)！程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)等，看門狗會(huì)讓CPU復(fù)位，從而使CPU的運(yùn)行重新回到正常的工作程序中。
（2）電壓監(jiān)控比如在系統(tǒng)上電初始階段和在欠壓情況下，系統(tǒng)各部件可能出現(xiàn)不確定狀態(tài)，造成意外操作，這時(shí)看門狗能使CPU復(fù)位而停止運(yùn)行，直到電源電壓正常穩(wěn)定才恢復(fù)運(yùn)行。
（3）有些系統(tǒng)還要求在掉電瞬間能夠把運(yùn)行中一些重要的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，因掉電是很隨機(jī)的，看門狗中往往集成了電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生的時(shí)候能通知單片機(jī)保存重要數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：89S51；步進(jìn)電機(jī)；達(dá)林頓管
Abstract：Take the monolithic integrated circuit as the core, unifies through the hardware and the software, step-by-stepped the electric motor with automatic and the manual method control to complete X direction and the Y direction movement control, the system has included the keyboard entry electric circuit, the monolithic integrated circuit master control electric circuit, the display circuit and the actuation electric circuit and two stepping motors. The master control electric circuit uses 89S51 monolithic integrated circuit, from P3 mouth keyboard entry, P1 mouth output control step-by-steps the electric motor pulse sequence, P0 and P2 mouth output demonstration signal. The display circuit use altogether positive numerical code tube realization the coordinates parameter demonstration which establishes from the keyboard. Actuates between the electric circuit and the master control electric circuit uses the optical coupler to realize the isolation. Outputs from the monolithic integrated circuit P1 mouth output pulse sequence through the Darington tube TIP122's enlargement to X direction and Y direction two step-by-steps the electrical machinery, thus realization system in X and Y two direction hoisting controls.
Key words：89S51； stepping motor；drington tube
中圖分類號(hào)：TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2104（2012）
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)在車床、機(jī)器人等精密控制領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛，而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更智能、更安全高效的控制步進(jìn)電機(jī)是當(dāng)前最迫切需要。
使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以使控制更簡(jiǎn)單、更精確，并且擴(kuò)展性更好。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理
電動(dòng)機(jī)定子上有A、B、C三對(duì)磁極，磁極上繞有線圈，分別稱之為A相、B相和C相，而轉(zhuǎn)子則是一個(gè)帶齒的鐵心，這種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)稱之為三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果在線圈中通以直流電，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)A、B、C三個(gè)磁極的線圈依次輪流通電，則A、B、C三對(duì)磁極就依次輪流產(chǎn)生磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 首先有一相線圈(設(shè)為A相)通電，則轉(zhuǎn)子1、3兩齒被磁極A吸住，轉(zhuǎn)子就停留在第一個(gè)位置上。然后，A相斷電，6相通電，則磁極A的磁場(chǎng)消失磁極B產(chǎn)生了磁場(chǎng)，磁極召的磁場(chǎng)把離它最近的2、4兩齒吸引過(guò)去，停止在第二個(gè)位置上，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°。再接下去B相斷電，C相通電。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°，停止在第三個(gè)位置上。若再A相通電，C相斷開(kāi)，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)30°，使磁極A的磁場(chǎng)把2、4兩個(gè)齒吸住。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。這樣按ABCABCA…次序輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)30°，我們把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱之為步距角。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過(guò)來(lái)?yè)Q成ACBACB…的順序，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所以要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時(shí)進(jìn)行。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
A. 能用單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)吊裝控制；
B. 能實(shí)現(xiàn)變速和勻速控制。
系統(tǒng)組成
系統(tǒng)硬件包括鍵盤輸入電路、單片機(jī)主控電路、顯示電路、驅(qū)動(dòng)放大電路以及X方向和Y方向兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
主控電路的P3口從鍵盤接收控制信號(hào)，然后對(duì)接收到的信號(hào)判別和進(jìn)行對(duì)應(yīng)的運(yùn)算，從P1口輸出對(duì)應(yīng)的脈沖序列，同時(shí)從P0和P2口輸出顯示信號(hào)，顯示電路完成對(duì)具體坐標(biāo)的顯示；脈沖序列通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的放大，輸出到X和Y兩個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)從鍵盤輸入到系統(tǒng)的控制。
硬件電路設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)選擇
實(shí)驗(yàn)步進(jìn)電機(jī)使用的是混合式4相步進(jìn)電機(jī)，其工作電壓較低只有3.6V，單步相位，經(jīng)過(guò)軟件細(xì)分，可以做到單步相位。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分
由于此步進(jìn)電機(jī)的電流較大1.2A，開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)使用了達(dá)林頓陣列芯片ULN2003A來(lái)驅(qū)動(dòng)，但該芯片單路工作最大電流僅提供0.5A，工作后不久，芯片溫度急劇上升，故未采用此方案，而是自己搭建達(dá)林頓陣列，選用了TIP122達(dá)林頓管,電流可達(dá)5A，已完全滿足電路的設(shè)計(jì)要求。
鍵盤輸入部分
為了能夠進(jìn)行人機(jī)交互，必須有鍵盤輸入系統(tǒng)，考慮到本系統(tǒng)并不需要太多的按鍵信息，故采用普通的非編碼鍵盤.簡(jiǎn)單的按鍵電路,可以實(shí)現(xiàn)在按下的時(shí)候是高電平。
方案一:用電容消除抖動(dòng)。
方案二:在單片機(jī)程序里用10MS再檢測(cè)來(lái)消除抖動(dòng)。
主控電路部分
關(guān)鍵詞： 可控電源；步進(jìn)電機(jī)；89C2051
引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要分為恒壓驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等，其中恒壓驅(qū)動(dòng)是成本最低、最簡(jiǎn)單的解決方案，但是它的顯著缺點(diǎn)是：高頻力矩下降較快，無(wú)法滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的要求。另外，目前市場(chǎng)上幾乎所有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都存在著低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。在成本壓力較大、對(duì)功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。
本設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)低成本可控電源，針對(duì)控制頻率的全程范圍，相應(yīng)輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時(shí)，在同一頻率下采用高低壓驅(qū)動(dòng)法，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實(shí)現(xiàn)了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。
硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)電路、可控電源電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。單片機(jī)采用ATMEL公司的89C2051。實(shí)際應(yīng)用中，用其P1口低4位輸出控制信號(hào)給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)控制信號(hào)為“0000”時(shí)輸出電壓最低，控制信號(hào)為“1111”時(shí)輸出電壓最高，P1口高4位用于輸出相序控制信號(hào)給四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)根據(jù)控制策略決定驅(qū)動(dòng)電壓的高低和相序的變化。
可控電源
可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源，其輸出電壓為：
插電壓公式
其中VH為緩沖器輸出的高電平電壓，VD為二極管結(jié)壓降，VREF為參考電壓，Di為單片機(jī)I／O口數(shù)字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩(wěn)定性和電流驅(qū)動(dòng)能力，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在單片機(jī)I／O口數(shù)字量控制下向VREF節(jié)點(diǎn)提供電流從而改變輸出電壓Vout二極管的作用是防止控制信號(hào)為低電平時(shí)產(chǎn)生反相電流。本設(shè)計(jì)采用4位I／O控制信號(hào)，形成了4位8級(jí)可調(diào)電源。
四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
圖2所示為四相單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要由MOSFET、續(xù)流二極管、電阻組成。單片機(jī)I／O口輸出信號(hào)MA、MB、MC、MD為高電平時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管MOSFET導(dǎo)通，Vout向?qū)?yīng)的電機(jī)繞組供電。電路中為了減小驅(qū)動(dòng)元件的壓降，采用了具有低導(dǎo)通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構(gòu)成電機(jī)繞組的續(xù)流回路，避免了MOSFET器件在換相時(shí)由于瞬間電壓過(guò)高而擊穿。
控制方案及軟件設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設(shè)計(jì)中采用了高低壓驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)頻率分段而調(diào)整相結(jié)合的控制策略。
高低壓驅(qū)動(dòng)方案
圖3所示為單片機(jī)輸出的步進(jìn)電機(jī)相序控制信號(hào)MA、MB、MC、MD與驅(qū)動(dòng)電壓Vout的時(shí)序關(guān)系。控制相序依次為：ABBCCDDAAB…。圖中可見(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)每走一步驅(qū)動(dòng)電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓。Uf值高于UO值的目的為了使電機(jī)保持較高的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)T1時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)電壓變成UO，以便給電機(jī)提供較低的維持轉(zhuǎn)矩所需的電流。T1的值是固定的，當(dāng)頻率較低時(shí)T遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T1，此時(shí)電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機(jī)做的功低。當(dāng)頻率提高時(shí)，T減小，一個(gè)周期內(nèi)U0電壓在時(shí)間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機(jī)做功較大，當(dāng)T小于等于T1時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為一個(gè)恒定值Uf，從而實(shí)現(xiàn)了低頻低功耗，高頻高能量供給的優(yōu)化驅(qū)動(dòng)模式，避免了常用驅(qū)動(dòng)電路低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。
根據(jù)頻率分段調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的控制
實(shí)際應(yīng)用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)電壓值，頻率越高驅(qū)動(dòng)電壓越大。由于步進(jìn)電機(jī)繞組是感性負(fù)載，換相過(guò)程中驅(qū)動(dòng)回路電流變化率越大，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩越大。而電流變化率是與驅(qū)動(dòng)電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軟件
根據(jù)上述控制方案，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)先建立了不同段頻率與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓控制碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并存入系統(tǒng)存儲(chǔ)器。運(yùn)行過(guò)程中依據(jù)當(dāng)前工作頻率，對(duì)應(yīng)出每步周期T，再通過(guò)查表確定驅(qū)動(dòng)電壓控制代碼，并由口P13－P10輸出給可控電源，同時(shí)口P17－P14輸出相序控制信號(hào)。另外，驅(qū)動(dòng)電壓Uf建立時(shí)間T1決定了高壓輸出在每步驅(qū)動(dòng)中所占的比例，T1時(shí)間到，則變成維持電壓UO(低壓)供電，從而實(shí)現(xiàn)了高低壓驅(qū)動(dòng)。
應(yīng)用情況與結(jié)果
Abstract: With the increased demand of mechanical and electrical products on the winding quality,the original PLC control system of winding machine has been difficult to meet the requirements of evolving mechanical and electrical products. Winding machine PLC control system has the disadvantages of high cost,single work way and inconvenient human computer interaction. To solve this problem,we designed a new control system that could replace PLC control system - using single chip to control motor windings machine controller.
關(guān)鍵詞:單片機(jī);步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;加/減速控制
Key words: singlechip;stepper motor driver;accelerate/deceleration control
中圖分類號(hào):F270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-4311(2010)12-0218-01
1系統(tǒng)性能及控制要求
1.1 系統(tǒng)性能
在本控制系統(tǒng)中,主要利用控制器輸出的CP、CW脈沖信號(hào),通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制,帶動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作,實(shí)現(xiàn)繞線,另外通過(guò)拖板電機(jī)實(shí)現(xiàn)繞組位置轉(zhuǎn)動(dòng)的控制,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)繞組的全自動(dòng)化繞線操作。在生產(chǎn)過(guò)程中,可以根據(jù)操作的要求實(shí)現(xiàn)不同的繞線速度、線圈匝數(shù)等的設(shè)定。
1.2 控制要求
1.2.1 可預(yù)設(shè)多種控制模式。可預(yù)先設(shè)定慢速、中速、快速和拖板運(yùn)行等四種操作模式。
1.2.2 每種控制模式下的加減速、步數(shù)可隨意設(shè)定。在任一控制模式下的加減速曲線、運(yùn)行步數(shù)都可事先設(shè)定。
1.2.3 可同時(shí)控制三臺(tái)電機(jī)的同步工作和單獨(dú)控制一臺(tái)拖板電機(jī)工作。
1.2.4 具有斷電數(shù)據(jù)保持功能,能記憶上次的參數(shù)及最后一次運(yùn)行值。
1.2.5 具有數(shù)據(jù)顯示及告警提示功能。
2設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1.1 整體電路設(shè)計(jì)思想。本設(shè)計(jì)采用STC89C51系列單片機(jī)芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,通過(guò)I/O口輸出具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作;同時(shí)采用二極管矩陣鍵盤來(lái)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)或設(shè)置進(jìn)行控制,并用4位LED數(shù)碼管顯示出相關(guān)的參數(shù),還利用AT24C02對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
2.1.2 各功能電路的實(shí)現(xiàn)。①電源電路。將交流220V經(jīng)過(guò)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓的形式,得到直流9V和5V對(duì)控制器進(jìn)行供電。②單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。本單片機(jī)系統(tǒng)采用宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的STC89C51系列單片機(jī)芯片,它是MCS-51系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品;它們?cè)谥噶钕到y(tǒng)中、硬件系統(tǒng)和片內(nèi)資源與標(biāo)準(zhǔn)的51系列單片機(jī)完全兼容。③鍵盤電路。采用二極管矩陣鍵盤電路,分別由P1.0-1.3作輸入,當(dāng)某一按鍵被按下時(shí),相對(duì)應(yīng)的端口被置為高電平,此時(shí)CPU檢測(cè)到相應(yīng)端口的變化,通過(guò)查表的方式確認(rèn)按鍵的功能,減少CPU對(duì)各端口掃描時(shí)間,提高CPU的效率。④顯示電路。采用4只共陽(yáng)數(shù)碼管作顯示,分別利用P0口對(duì)各數(shù)碼管的筆劃段進(jìn)行掃描,P2.4-2.7口作循環(huán)掃描顯示控制,另外還通過(guò)P2和P3口作按鍵顯示和告警音提示等功能控制。⑤存儲(chǔ)電路。由于本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多,并且要具有斷電數(shù)據(jù)保持功能,能對(duì)上次的參數(shù)及運(yùn)行值進(jìn)行記錄,因此采用AT24C02存儲(chǔ)器作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。⑥接口電路。分別利用P1.4、P3.5、P3.4口經(jīng)過(guò)ULM2003反相放大后作CP脈沖和CW脈沖的信號(hào)輸出,對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的目的。
2.2 軟件程序設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中,相應(yīng)的控制信號(hào)由單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生,根據(jù)需要通過(guò)鍵盤輸入電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù),在工作時(shí)用數(shù)碼管來(lái)動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)行的步數(shù)。所以軟件部分由4大模塊組成:系統(tǒng)監(jiān)控、鍵盤掃描及處理、顯示程序、控制信號(hào)產(chǎn)生程序。
2.2.1 系統(tǒng)監(jiān)控模塊。在監(jiān)控模塊中,應(yīng)完成系統(tǒng)的啟動(dòng),進(jìn)行鍵盤掃描得到相應(yīng)鍵值,完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速、步數(shù)及運(yùn)行方式的設(shè)置,并使步進(jìn)電機(jī)按要求進(jìn)行工作。為增加控制的靈活性,鍵盤輸入數(shù)據(jù)及啟動(dòng)命令在鍵盤掃描及處理程序中實(shí)現(xiàn)。
2.2.2 鍵盤掃描及處理、顯示模塊。本軟件程序模塊主要完成對(duì)鍵盤有無(wú)鍵按下進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)有鍵按下時(shí),通過(guò)查表方式確定按鍵值,并根據(jù)所得鍵值進(jìn)行處理,包括所按鍵是輸入鍵還是執(zhí)行鍵。顯示模塊主要是完成在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時(shí),顯示輸入的數(shù)據(jù)值。
2.2.3 控制信號(hào)產(chǎn)生模塊。①步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生。在采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者CW換向脈沖的高低電平實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度和方向。②步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)及加/減速控制。速度控制中加/減控制是最基本的控制。電機(jī)由靜止到達(dá)設(shè)定的最大的速度所需的時(shí)間是由調(diào)試決定的。加速度太大,電機(jī)甚至不能克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩而失步,加速度太少,則完成指定的運(yùn)動(dòng)耗費(fèi)時(shí)間太多,加速度有兩種方案:線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。③步進(jìn)電機(jī)的換向控制。一般來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)器的輸入共有三路,它們是:步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平CW、脫機(jī)使能信號(hào)EN。它們?cè)隍?qū)動(dòng)器內(nèi)部分別通過(guò)限流電阻接入光藕的負(fù)輸入端,且電路形式完全相同,在這三路輸入信號(hào)的共同的控制下,驅(qū)動(dòng)器將輸入合適的電流來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)完成指定的操作。
3結(jié)論
本控制器采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng),其轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度及運(yùn)行圈數(shù)可以通過(guò)鍵盤輸入,運(yùn)用程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,由單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào),增加了控制的靈活性,經(jīng)實(shí)踐使用,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。本控制器對(duì)于不同的繞線系統(tǒng),不同控制要求,通過(guò)修改相應(yīng)的電路及相關(guān)程序即可實(shí)現(xiàn),通用性強(qiáng),具有自動(dòng)化程度高、成本低、體積小、控制精確等優(yōu)點(diǎn),有很好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 控制
細(xì)分驅(qū)動(dòng)是能夠有效改善步進(jìn)電機(jī)上述缺陷的技術(shù)，與常規(guī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要不同在于環(huán)形分配器：對(duì)每相脈沖按照一定的要求進(jìn)行細(xì)分。目前廣泛應(yīng)用的以計(jì)數(shù)器和EPROM構(gòu)成的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器有數(shù)據(jù)位寬的限制，當(dāng)相數(shù)上升和細(xì)分?jǐn)?shù)加大時(shí)，環(huán)分器的復(fù)雜性大大增加。對(duì)于利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，由于單片機(jī)是一種非并行執(zhí)行的器件，各信一號(hào)的同步受到一定影響，而且是一種軟件模式，可靠性不高，易產(chǎn)生失步。步進(jìn)電機(jī)的性能在很大程度上取決于所用的驅(qū)動(dòng)器，改善驅(qū)動(dòng)器的性能，可以顯著地提高步進(jìn)電機(jī)的性能。
1步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通俗一點(diǎn)講，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)，可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。按結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)可分3種：永磁式（PM）、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5°或15°。反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為，但噪聲和振動(dòng)都很大，在發(fā)達(dá)國(guó)家早已被淘汰。混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)，它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8°而五相步進(jìn)角一般為0.72°，這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
步進(jìn)電機(jī)的步距 （Zr為齒數(shù)，N為拍數(shù)），由于受制作工藝的限制齒數(shù)不能做得很多，因此步進(jìn)電機(jī)的步距角就不可能很小， 而帶來(lái)步進(jìn)時(shí)存在明顯的脈振不能精密移位的問(wèn)題。
2步距細(xì)分的系統(tǒng)構(gòu)成
步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是由PWM計(jì)數(shù)器、波形ROM地址計(jì)數(shù)器、PWM波形ROM存儲(chǔ)器、比較器、功放電路等組成。其中，PWM計(jì)數(shù)器在脈沖時(shí)鐘作用下遞增計(jì)數(shù)，產(chǎn)生階梯上升的周期性鋸齒波，同時(shí)加載到各數(shù)字比較器的另一端；PWM波形ROM輸出的數(shù)據(jù)A[3..0]， B[3..0]， C[3..0]，D [3. . 0]分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當(dāng)PWM計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于波形ROM輸出值時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)PWM計(jì)數(shù)器值大于波形ROM輸出值時(shí)，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)八分細(xì)分電流的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細(xì)分電流波形所對(duì)應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、工作/停止?fàn)顟B(tài)。FPGA產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制各功率管驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，其中PWM信號(hào)隨ROM數(shù)據(jù)而變化，改變輸出信號(hào)的占空比，達(dá)到限流及細(xì)分控制，最終使電機(jī)繞組呈現(xiàn)階梯形變化，從而實(shí)現(xiàn)步距細(xì)分的目的。
3基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要承擔(dān)產(chǎn)生電機(jī)的四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)、控制轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向功能。單片機(jī)主要計(jì)算分析ADC0809采集到的細(xì)分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等信息，并在液晶屏上顯示，可讓操作人員方便直觀地了解系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓或電流異常，控制聲光報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。
3.1硬件構(gòu)成
本控制系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)為核心。結(jié)合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)芯片NJM3777驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，且通過(guò)一個(gè)雙7bit數(shù)/模轉(zhuǎn)換器NJU39612分別調(diào)制對(duì)應(yīng)于NJM3777上的參考電壓VR，即組成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。NJM3777實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制是由開(kāi)關(guān)方式獲得的：繞組電流流過(guò)傳感電阻RS，電流反饋電壓信號(hào)送至比較器，比較器的另一個(gè)輸入是參考電壓VR，當(dāng)反饋電壓達(dá)到參考電壓VR值時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)重置RS觸發(fā)器，關(guān)閉高側(cè)輸出晶體管。輸出電流衰減，直至下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的到來(lái)，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出晶體管重新導(dǎo)通，每個(gè)周期這樣重復(fù)，維持輸出平均電流在一個(gè)恒定值上。NJM3777在不增加任何擴(kuò)流器件時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)步距角0.9/1.8°，驅(qū)動(dòng)電壓+24 V，脈沖相電流800 mA以下的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)（例如BYG4501型等），以此構(gòu)成的控制系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單，具有較高的性價(jià)比。
3.2單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)軟件包括主程序和中斷子程序。主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行必要的初始化，獲得用戶設(shè)定輸入，包括運(yùn)行模式設(shè)定（正/反轉(zhuǎn)）以及預(yù)置數(shù)（細(xì)分次數(shù)、運(yùn)行速度等）設(shè)定，根據(jù)不同的運(yùn)行模式調(diào)用相應(yīng)的子程序，開(kāi)相應(yīng)的中斷。在系統(tǒng)上電初始化完畢后，除非出現(xiàn)電機(jī)故障，否則系統(tǒng)一直等待中斷，若產(chǎn)生中斷，則程序就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序?qū)﹄姍C(jī)的控制主要是在中斷子程序中進(jìn)行的。
在細(xì)分電流的驅(qū)動(dòng)下，線性電流的驅(qū)動(dòng)下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的微步進(jìn)是不均勻的，呈現(xiàn)出明顯的周期性波動(dòng)。磁場(chǎng)的邊界條件按齒槽情況呈周期性重復(fù)是導(dǎo)致步距角周期性變化的根本原因。同時(shí)，不可避免的摩擦負(fù)載以及其他負(fù)載力矩的波動(dòng)導(dǎo)致失調(diào)角出現(xiàn)不規(guī)則的小變動(dòng)或小跳躍，也使微步距曲線在周期性波動(dòng)上出現(xiàn)不光滑的小鋸齒形。步進(jìn)電機(jī)的電流矩角特性并非線性函數(shù)，而是近似于正弦函數(shù)。若使電流按線性規(guī)律上升或下降，必然會(huì)造成每一細(xì)分步的步距角不均勻，從而影響步距精度。為此在設(shè)計(jì)中，需要提高LPM_ROM數(shù)據(jù)精度，將數(shù)據(jù)提高到16位，使輸出的步進(jìn)細(xì)分電流近似為正弦電流，這樣不僅提高了步距精度，而且可以改善低頻振蕩。
結(jié)論
上述步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)，根據(jù)電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)原理確立了基于單片機(jī)控制的細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式，本文針對(duì)超高精密定位和數(shù)控加工等場(chǎng)合對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)提出的精確控制要求，設(shè)計(jì)出一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、集成度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，插補(bǔ)算法，變頻調(diào)速，軟硬件協(xié)同仿真
1引言
作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制，一般以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位控制。
2圓弧插補(bǔ)改進(jìn)算法
逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法因其算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且最大誤差不超過(guò)一個(gè)脈沖當(dāng)量，在步進(jìn)電機(jī)的位置控制中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛[1]。圓弧插補(bǔ)中，為了確定一條圓弧的軌跡，可采用：給出圓心坐標(biāo)、起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo);給出半徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo);給出圓弧的三點(diǎn)坐標(biāo)等。在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)這些參數(shù)若要存放在單片機(jī)內(nèi)部資源有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）中，如果要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來(lái)負(fù)擔(dān)，而且要經(jīng)過(guò)多步運(yùn)算，往往會(huì)影響到算法的精確度。因此選取一種簡(jiǎn)單且精確度高的插補(bǔ)算法是非常必要的。本文提出了一種改進(jìn)算法：在圓弧插補(bǔ)中，無(wú)論圓弧在任何位置，是順圓或是逆圓，都以此圓弧的圓心作為原點(diǎn)來(lái)確定其他坐標(biāo)。因此只須給出圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)和圓弧角度就可以確定該圓弧。如果一個(gè)軸坐標(biāo)用4個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)（如12.36），而角度用2個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)（如45°），則只需要10個(gè)字節(jié)即可確定一段二維的圓弧。較之起其他方法，最多可節(jié)省14個(gè)存儲(chǔ)單元。現(xiàn)以第I象限逆圓弧為例，計(jì)算其終點(diǎn)坐標(biāo)。如圖1所示，（X0，Y0）為圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)，（Xe，Ye）為圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo)，θ為圓弧的角度。
圖1圓弧軌跡示意圖
圓弧半徑：，
終點(diǎn)坐標(biāo)：
終點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)X軸的角度：
本系統(tǒng)要求輸入的角度精確到1度，輸入坐標(biāo)的分辨率是0.01，單片機(jī)C語(yǔ)言的浮點(diǎn)運(yùn)算能精確到0.000001，按照上面的公式算出的終點(diǎn)坐標(biāo)，雖存在誤差，但這個(gè)誤差小于1%，能夠滿足所要求的精確度。
3步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速
雖然步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力強(qiáng)、精度高、轉(zhuǎn)速容易控制的特點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于啟動(dòng)和停止控制不當(dāng)，步進(jìn)電機(jī)仍會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)和停止時(shí)過(guò)沖的現(xiàn)象，從面影響系統(tǒng)的控制精度。尤其是步進(jìn)電機(jī)工作在頻繁啟動(dòng)和停止時(shí)，這種現(xiàn)象就更為明顯[2]。為此本文提出了一種基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)加減速離散控制方法。加減速曲線如圖2所示，縱坐標(biāo)是頻率f，單位為脈沖/秒或步/秒。橫坐標(biāo)時(shí)間t，單位為秒。步進(jìn)電機(jī)以f0啟動(dòng)后加速至t1時(shí)刻達(dá)到最高運(yùn)行頻率f，然后勻速運(yùn)行，至t2時(shí)刻開(kāi)始減速，在t5時(shí)刻電機(jī)停轉(zhuǎn)，總的步數(shù)為N。其中電機(jī)從靜止加速至最高運(yùn)行頻率和從最高運(yùn)行頻率至停止至是步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵，通常采用勻加速和勻減速方式。
圖2時(shí)間與頻率的函數(shù)圖
圖3離散化的時(shí)間變頻圖
采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔，可采用軟件和硬件兩種方法。軟件方法依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率，其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的，該方法因?yàn)橐煌５禺a(chǎn)生控制脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間;硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(shù)（定時(shí)器裝載值），從而升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大，減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小。這種方法占用CPU時(shí)間較少，是一種效率比較高的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速方法。考慮到單片機(jī)資源（字長(zhǎng)）和編程的方便，不需要每步都計(jì)算定時(shí)器裝載值。如圖3所示，采用離散方法將加減速曲線離散化。離散化后速度是分臺(tái)階上升的，而且每上升一個(gè)臺(tái)階都要在該臺(tái)階保持一段時(shí)間，以克服由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起的速度滯后。只有當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到預(yù)設(shè)值后才能急速加速，實(shí)際上也是局部速度誤差的自動(dòng)糾正。
4系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)
對(duì)于51系列單片機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)，傳統(tǒng)的方法是在PC機(jī)上采用Keil等開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試，待程序調(diào)試通過(guò)之后生成目標(biāo)文件下載至單片機(jī)硬件電路再進(jìn)行硬件調(diào)試[3]。這種方法只有硬件電路完成之后才能進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試，若此時(shí)發(fā)現(xiàn)硬件電路存在設(shè)計(jì)問(wèn)題且必須進(jìn)行修改時(shí)就會(huì)顯著影響系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本和周期。為此，本文采用了系統(tǒng)軟硬件協(xié)同仿真的開(kāi)發(fā)方法，使得硬件電路實(shí)現(xiàn)前的功能測(cè)試成為可能。同時(shí)硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了有力的保障。其中在KeiluVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試，并最終生成目標(biāo)文件＊.hex，而由英國(guó)ProteusLabcenterelectronics公司所提供的EDA工具Proteus則利用該目標(biāo)文件＊.hex實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路功能的測(cè)試。
圖4步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路仿真
如圖4所示，單片機(jī)AT89C55司職步進(jìn)電機(jī)控制器，通過(guò)運(yùn)行在KeiluVision2環(huán)境下所開(kāi)發(fā)的程序來(lái)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)AXIS_X/AXIS_Y兩軸步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。L298驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)脈沖輸入信號(hào)來(lái)自AT89C55P0端口，使能信號(hào)ENABLEA與ENABLEB并聯(lián)接到AT89C55的P3.0、P3.1口，由程序控制實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的使能，從而避免電機(jī)線圈處于短路狀態(tài)而燒壞驅(qū)動(dòng)芯片。4x4鍵盤陣列接AT89C55的P1端口，通過(guò)程序設(shè)計(jì)定義每個(gè)按鍵的具體功能。LCD的數(shù)據(jù)端口DB0～DB7接AT89C55的P2端口，控制端口RS,RW,E分別接單片機(jī)的P3.5,P3.6,P3.7口。相關(guān)的參數(shù)值、X/Y軸坐標(biāo)值可以通過(guò)LCD以文本方式顯示。本文采用軟硬件協(xié)同仿真的方法經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)à測(cè)試à修正à再測(cè)試一次次迭代開(kāi)發(fā)，在制作控制系統(tǒng)硬件電路之前即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整機(jī)功能的測(cè)試。待系統(tǒng)程序和硬件電路設(shè)計(jì)方案最終完善之后便可以實(shí)際制作如圖5所示的硬件電路。顯然該種方法可以顯著提高系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)的成功率，從而有效降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。
5應(yīng)用實(shí)例
圖5即是根據(jù)圖4進(jìn)行硬件電路仿真的最終結(jié)果所制作的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路板。該電路驅(qū)動(dòng)X/Y軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲桿帶動(dòng)二維工作臺(tái)作聯(lián)動(dòng)，并由一只鉛筆模擬加工刀具將所要加工的二維軌跡描繪出來(lái)。
圖5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路
圖6二維模擬工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡
6結(jié)束語(yǔ)
本文在分析了傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)原理的基礎(chǔ)上提出了一種以最少的參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)方法。實(shí)現(xiàn)了一種有效的步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。采用系統(tǒng)軟硬件協(xié)同仿真的開(kāi)發(fā)方法，使硬件電路實(shí)現(xiàn)前的功能測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)，從而顯著改善系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本和周期。該種方法同樣也可以應(yīng)用于其它類型控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
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[1]廖效果,朱啟逑.數(shù)字控制機(jī)床.武漢:華中理工大學(xué)出版社.1999.3
【關(guān)鍵詞】步進(jìn)電機(jī)控制 計(jì)算機(jī)并行口
國(guó)外在大功率的工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)上，目前基本不使用大扭矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但是國(guó)外在小功率的場(chǎng)合，如工業(yè)器材、工業(yè)生產(chǎn)裝備、打印機(jī)、復(fù)印件、速印機(jī)、銀行自動(dòng)柜員機(jī)，還是廣泛的使用步進(jìn)電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是一種簡(jiǎn)易的開(kāi)環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)和停止的能力，它的步距角和轉(zhuǎn)動(dòng)速度不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、濕度、沖劑、振動(dòng)等的影響，僅與驅(qū)動(dòng)頻率有關(guān)。它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，在不超載和延時(shí)合適的情況下，不會(huì)產(chǎn)生失步，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。步進(jìn)電機(jī)不需位移傳感器就可精確定位，所以在精確定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
一、步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)中使用的步進(jìn)電機(jī)為12V的四相步進(jìn)電機(jī)。四相步距電機(jī)的控制方法有四相單四拍，四相單、雙八拍和四相雙四拍三種控制方式。本系統(tǒng)中采用的是四相單四拍控制方法按照四相單四拍控制方法，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的控制順序?yàn)锳BCDA。I/O 的高四位的值參見(jiàn)表1。
表1
二、計(jì)算機(jī)并口引腳設(shè)計(jì)定義
標(biāo)準(zhǔn)的Centronics并行接口，可實(shí)現(xiàn)單字節(jié)的高速數(shù)據(jù)傳輸。接口插座為DB-25針型插座，其引腳序號(hào)如圖1所示。
圖1 計(jì)算機(jī)并口引腳序號(hào)
圖2 計(jì)算機(jī)并口引腳的定義
并口引腳信號(hào)的定義如圖2所示，并行接口輸出的是TTL標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平，輸入信號(hào)也要符合TTL標(biāo)準(zhǔn)。這種特性可以使接口容易應(yīng)用在電子設(shè)計(jì)中。大部分的PC并行接口能吸收和輸出12mA左右的電流，如應(yīng)用時(shí)小于或大于這個(gè)值，應(yīng)使用緩沖電路。在于計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)接時(shí)候，電纜的最大長(zhǎng)度是2m，最好使用帶屏蔽線的雙絞線電纜（每一對(duì)雙絞線中，一根是信號(hào)線，另一根是用于屏蔽的地線）。
三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
此控制系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)端口D0―D7中的D0、D2、D4、D6也就是D型25針的第2、4、6、8針腳作為數(shù)據(jù)輸出，第18―25針腳全部接地。由于并行口輸出電平與TTL兼容，因此從硬件上來(lái)說(shuō)從并行口出來(lái)家驅(qū)動(dòng)后可直接控制步進(jìn)電機(jī)，其他交由軟件完成。
本次設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是用4個(gè)三極管來(lái)完成的。在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)中以2803A驅(qū)動(dòng)，2803可以完成最大500mA的灌電流，而并口輸出電平大約在1.8V左右，并口輸出不能直接接入三極管而必須加電阻，筆者采用8050NPN型三極管，放大倍數(shù)大約為170，由此可計(jì)算出并口與三極管間接入2K電阻。硬件電路如圖3所示。
圖3 計(jì)算機(jī)控制的硬件電路圖
并行口直接控制步進(jìn)電機(jī)最大的難點(diǎn)在于如何在WindowsXP下訪問(wèn)并行端口。在DOS，Windows95/98系統(tǒng)里可以在VC++6.0環(huán)境下使用_outp（）的API函數(shù)直接訪問(wèn)端口，但是由于基于系統(tǒng)安全的考慮WindowsXP不能直接獲得端口的訪問(wèn)訪問(wèn)權(quán)限，所以只有通過(guò)第三方軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)并行口的控制。使用Borland C++Bilder 6.0作為操作平臺(tái)，通過(guò)編寫訪問(wèn)打印口的TParallelPort 類（見(jiàn)附錄B），這個(gè)類通過(guò)Yariv Kaplan的WinIo實(shí)現(xiàn)的底層操作。執(zhí)行程序（見(jiàn)附錄C），此程序?qū)崿F(xiàn)了從D0―D7循環(huán)輸出高電平，使4個(gè)三極管順序循環(huán)導(dǎo)通取動(dòng)步進(jìn)電機(jī)四相，步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算機(jī)并口控制就實(shí)現(xiàn)了。
四、總結(jié)
關(guān)鍵詞：PLC S7-300 步進(jìn)電機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制 接線圖
0 引言
作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，被廣泛用于數(shù)字控制等控制系統(tǒng)中。基于微處理器的PLC適用于工業(yè)環(huán)境，通過(guò)其內(nèi)部存儲(chǔ)器可執(zhí)行邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令[1]。隨著PLC功能不斷升級(jí)，其強(qiáng)大的組態(tài)功能實(shí)現(xiàn)了程序的模塊化和參數(shù)設(shè)置的可視化，降低了程序編制的復(fù)雜性和出錯(cuò)率，用微小型PLC構(gòu)成的各種步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)[2]。若為PLC增加功能擴(kuò)展模塊，無(wú)疑會(huì)增加產(chǎn)品成本。鑒于這一原因，本文研究一種結(jié)合定時(shí)器和計(jì)數(shù)器作為脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)功能的方法。
1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體工作流程圖如圖1所示[3]。
系統(tǒng)硬件按功能分為四個(gè)部分：可編程序邏輯控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和直流穩(wěn)壓電源；系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分則主要包括主程序、子程序、仿真調(diào)試、燒寫部分。此系統(tǒng)的核心控制部分選用S7-300的PLC，因此，系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)是此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。
2 硬件的選擇與連接
所選用的設(shè)備主要有可編程序邏輯控制器、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)、兩相混合感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬(wàn)用表和PC機(jī)等[4]，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
在圖2中，S7-300系列PLC的CPU模塊選用CPU
314C-2DP；步進(jìn)電機(jī)選用兩相混合式57BYG H0408型，
可設(shè)置0.9°/1.8°兩種步距角；選用的SJ-230M5型驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為2細(xì)分0.9°，相電流為2A；穩(wěn)壓直流電源提供的直流電壓為24V，分別對(duì)PLC和驅(qū)動(dòng)器提供直流電源，其中對(duì)于PLC連接驅(qū)動(dòng)器模式，需在步進(jìn)脈沖信號(hào)CP和方向電平信號(hào)DIR端上分別并聯(lián)上1.8k的電阻以限流，為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦提供8-15mA的驅(qū)動(dòng)電流[5]。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
在此研究中，設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)正向慢速運(yùn)行正向快速運(yùn)行反向快速運(yùn)行反向慢速運(yùn)行停止，要求通過(guò)S7-300型PLC實(shí)現(xiàn)這一連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
3.1 I/O地址分配 在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)之前，為了便于程序編寫，需要對(duì)PLC系統(tǒng)的I/O信號(hào)進(jìn)行地址分配，如表1所示。
3.2 系統(tǒng)程序編寫 PLC是模塊式結(jié)構(gòu)，其程序編寫可進(jìn)行模塊化，即將整個(gè)程序分為主程序和子程序兩部分進(jìn)行編寫，以便調(diào)試與操作[3]。根據(jù)表1中I/O地址分配結(jié)果，進(jìn)行程序編寫。
3.2.1 主程序OB1。程序開(kāi)始之后，首先進(jìn)行初始化。初始化包括消除沒(méi)有保持功能的位存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，消除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。程序初始化之后，系統(tǒng)執(zhí)行用戶已編寫程序的啟動(dòng)組織塊OB1，完成用戶設(shè)定的初始化操作，并對(duì)所用到的脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，然后調(diào)用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制工序步驟的子程序FC1。在主程序OB1中，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分為2細(xì)分，則電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用脈沖數(shù)為400，故計(jì)數(shù)器C0-C3的脈沖計(jì)數(shù)值設(shè)定為400。
3.2.2 部分子程序FC1。根據(jù)閃爍電路產(chǎn)生脈沖序列的思想，利用定時(shí)器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)在不同工作方式下所需要的脈沖序列，然后按照控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出到各相對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
以正向慢速旋轉(zhuǎn)到正向快速旋轉(zhuǎn)為例，采用STL語(yǔ)言進(jìn)行編寫的部分子程序FC1如下：①正向慢速旋轉(zhuǎn)。在正向慢速旋轉(zhuǎn)程序中，應(yīng)用到兩個(gè)定時(shí)器（T1、T2）配合使用構(gòu)成閃爍電路。首先對(duì)兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行合理的時(shí)間分配，取脈沖信號(hào)的高低電平寬度均為40ms，此時(shí)產(chǎn)生的脈沖序列作為慢速運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；然后，設(shè)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為400；最后，由計(jì)數(shù)器C0的輸出信號(hào)作為電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的一個(gè)控制信號(hào)。②正向快速旋轉(zhuǎn)。在正向快速旋轉(zhuǎn)程序中，應(yīng)用到兩個(gè)定時(shí)器（T3、T4）配合使用構(gòu)成閃爍電路。首先對(duì)兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行合理的時(shí)間分配，取脈沖信號(hào)的高低電平寬度均為10ms，此時(shí)產(chǎn)生的脈沖序列作為快速運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；其它部分與正向慢速旋轉(zhuǎn)部分程序相同。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)
首先對(duì)所編寫的程序進(jìn)行大量的仿真調(diào)試，當(dāng)仿真結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時(shí)，再將程序燒寫到S7-300型的PLC存儲(chǔ)器中，在已搭建好的硬件電路中進(jìn)行試驗(yàn)，以下即是仿真調(diào)試與試驗(yàn)運(yùn)行中所觀察并記錄的結(jié)果，如圖3所示。
對(duì)于兩相步進(jìn)電機(jī)，可以采用對(duì)A、B兩相進(jìn)行間歇通電的方式進(jìn)行控制，由圖3可知，寬脈沖是步進(jìn)電機(jī)慢速運(yùn)行的脈沖分配情況，而窄脈沖是步進(jìn)電機(jī)快速運(yùn)行的脈沖分配情況。通過(guò)記錄步進(jìn)電機(jī)在各種運(yùn)行方式下的轉(zhuǎn)速變化情況，可以繪制出步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)完整運(yùn)行過(guò)程的速度變化圖，如圖4所示。由圖4可知，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化是直線上升或下降，這是由于314C-2DP型的PLC并沒(méi)有使用加速度功能。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，常常會(huì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)其進(jìn)行控制，此時(shí)可以考慮輸出脈沖的頻率以及步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，而不用考慮各相的時(shí)序問(wèn)題，因此，基于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件下，為了獲取比較穩(wěn)定的脈沖序列，可以采用PLC作為脈沖發(fā)生器，該型控制器不僅控制程序簡(jiǎn)單，而且具有極強(qiáng)的抗干擾能力。
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