吳 震

(江陰職業(yè)技術(shù)學院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

步進電機[1-2]是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，能快速起停、間歇運動及小角度轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速不受電壓波動和負載變化的影響，也不受環(huán)境條件如溫度、氣壓、沖擊、振動等的影響，但與驅(qū)動脈沖頻率有關(guān).此外，在一般情況下(不丟步的情況下)，其步距誤差不會長期積累.正因為步進電機有快速起停、精確的小步距轉(zhuǎn)動及可直接由脈沖驅(qū)動等優(yōu)點，所以在精密運動系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)中被廣泛運用.

筆者在進行彩色放大機、電子印像機等研發(fā)過程中，設(shè)計了基于AT90S8535單片機的步進電機驅(qū)動控制硬軟件，為步進電機的驅(qū)動提供相應的驅(qū)動脈沖，通過軟件實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)、單步轉(zhuǎn)及定步等不同的功能.其中步進電機的驅(qū)動將通過AT90S8535口線實現(xiàn)多個電機的驅(qū)動控制，存儲步進電機的角位移，并可快速返回.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 AVR單片機的選擇

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(reduced instruction set CPU) 精簡指令集高速8位單片機[3-4].本次設(shè)計采用的AT90S8535單片機是AVR系列單片機中內(nèi)部接口豐富、功能齊全且性價比高的一個品種，主要特點為:①累加器多，有32個通用工作寄存器，均可用作累加器，克服了51系列單一累加器造成的瓶頸效應;②速度快，每個時鐘周期執(zhí)行一條指令，當主頻為12時，大多數(shù)指令僅需約80 ns;③驅(qū)動能力強，I/O口灌電流可達40 mA，能直接驅(qū)動LED、繼電器等器件;④設(shè)有看門狗定時器，抗干擾能力增強;⑤開發(fā)平臺豐富，除可使用匯編語言外，它還可使用C語言編程，易學、易寫、易于移植.

1.2 步進電機的選擇

一般步進電機控制必須使用專用設(shè)備—步進電機驅(qū)動器，是有一個變頻信號源—脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續(xù)變化的信號發(fā)生器，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列.環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸入端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動.環(huán)形分配器主要有兩大類:一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)形分配器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器(本設(shè)計采用);另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器.功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅(qū)動步進電機的目的.軟環(huán)形分配器可以根據(jù)系統(tǒng)需要，通過軟件編程的方法，任意設(shè)定步進電機的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)動次數(shù)和控制步進電機的運行狀態(tài).這樣可簡化控制電路，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的運行效率和靈活性.

四相八拍步進電機正轉(zhuǎn)勵磁順序如表1所示.正轉(zhuǎn)方向的環(huán)形分配器編碼為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A，旋轉(zhuǎn)方向相反，取相反通電順序，則反轉(zhuǎn)環(huán)形分配器編碼為A→DA→D→CD→C→BC→B→AB→A(八拍).為提高工作效率，步進電機返回時采用高轉(zhuǎn)速，環(huán)形分配器編碼可以為AB→BC→CD→DA→AB(四拍)，旋轉(zhuǎn)方向相反，取相反通電順序.

本設(shè)計中選用的步進電機是35BYJ-46四相八拍步進電機，工作電壓為DC12 V，減速比為1/42.5，步距角為3.75°/42.5，驅(qū)動方式為四相八拍，牽入轉(zhuǎn)矩≥700 gfcm，自定位轉(zhuǎn)矩≥1 500 gfcm，空載牽入頻率≥450 Hz，空載牽出頻率≥550 Hz.

表1 步進電機勵磁順序

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

步進電動機在這個硬件接口電路中有著舉足輕重的地位，在彩色放大機的設(shè)計中，它主要控制著三濾色片進與出，從而完成最終圖片所需要達到的顏色要求.步進電動機的工作是經(jīng)過AT90S8535單片機的PA與PC兩個雙向I/O口編程輸出步進電機的環(huán)形分配器編碼給驅(qū)動芯片ULN2803，由ULN2803驅(qū)動步進電機，從而最終讓電動機轉(zhuǎn)動一定角度，完成對黃、品、青三濾色片的進與出控制，實現(xiàn)校色功能.步進電動機零位是有黃、品、青三濾色片的進出零限位開關(guān)，即3個步進電機有3個位置開關(guān)來告訴單片機3個濾色片的零位，即濾色片全退出.圖1是其接口原理圖[5-9].

ULN2803是八路NPN達林頓連接晶體管陣列，特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路和較高的電流/電壓要求之間的接口，ULN2803的驅(qū)動負載電流為500 mA，驅(qū)動電壓為50 V.COM腳的作用是，當使用ULN2803驅(qū)動電感類負載時，可以將COM腳接到電源正，利用ULN2803內(nèi)部的反向二極管充當保護器件，消除電感類負載閉合時產(chǎn)生的感應電壓，來削減沖擊電壓低到二極管壓降加電源電壓的幅度—可以使得內(nèi)部的三極管受到最小的正電壓沖擊，不易擊穿器件.

2.2 軟件設(shè)計

筆者在彩色放大機的設(shè)計中，AT90S8535軟件包括串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)；步進電機驅(qū)動；升降、對焦電機驅(qū)動；保護等.軟件主流程如圖2所示.圖中校色(青、品、黃)就是對3個步進電機的控制；通道號是對3個步進電機不同角位移的存儲，即不同的通道號存儲著3個步進電機不同的角位移，讀出時，就把上次存儲在對應通道號上的三濾色片旋轉(zhuǎn)的角度恢復了，清除時，就把步進電機帶動的三濾色片返回到零限位點.升降和對焦是由軟件控制繼電器通斷，改變接到直流電機的直流電源的極性，從而改變直流電機的轉(zhuǎn)向.

圖1 AT90S8535單片機硬件接口原理圖

圖2 基于AT90S8535控制器的流程(負責電機驅(qū)動、繼電器控制、串口部分)

3 測試結(jié)果

在彩色放大機的設(shè)計中，測試過程是通過另一上位機(MCU1)與AT90S8535串行接收、發(fā)送數(shù)據(jù)來完成的.上位機面板及AT90S8535單片機硬件PCB板如圖3所示.

1) 機頭升降：按“升降”鍵，再按“+”或“-”鍵，能完成電動升降功能，并設(shè)有極限保護，防止機頭從軌道上掉下.

2) 清零:按“清零”鍵，黃、品、青三干涉膜濾色片全部退出光路，3只步進電機都能反轉(zhuǎn)到零限位處.

3) 對焦：按“調(diào)焦”鍵，再按“+”或“-”鍵，直到清晰為止，能完成電動調(diào)焦功能，并設(shè)有極限保護.

4) 校色：用減色法校色，插入黃、品、青三干涉膜濾色片，為無級校色.按“黃”鍵，再按“+”或“-”鍵，對應步進電機能在0～260度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，對應示值在0～130 cc之間.品、青校色與黃校色相類同(黃、品、青經(jīng)反復校色，能得到標準照片).

5) 存儲通道：可存儲50個通道，按“通道”鍵，再按“+”或“-”鍵，選通道號，再按存儲鍵，能把三濾色片的旋轉(zhuǎn)角度存儲到該通道號，下次要印相同的底片(放大紙、顯影條件相同)時，選相應的通道號，再按“讀出”鍵，能把上次存儲的三濾色片旋轉(zhuǎn)的角度恢復.

圖3 上位機面板及AT90S8535單片機硬件PCB板

4 結(jié) 論

采用AVR單片機AT90S8535編程產(chǎn)生激勵脈沖，ULN2803驅(qū)動步進電機的驅(qū)動設(shè)計已經(jīng)成功應用于彩色放大機、 電子印像機等控制系統(tǒng)中，使其具有定位精度高、可快速返回和較高的智能性—角位移存儲.實踐表明，步進電機驅(qū)動電路配合單片機軟件編程的方法使復雜的控制過程簡單化，有效地降低了成本，能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的長時間穩(wěn)定運行;同時，它具有操作簡單、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)通訊抗干擾能力強等特點.

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