作者簡(jiǎn)介：趙瑞林（1976—） 男，陜西寶雞人，副教授，碩士，研究方向：控制工程與控制理論。（E-mail：zrl1976@163.com）。

摘要：各種步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，適用于數(shù)控機(jī)床及某些特定條件及系統(tǒng)。本文通過(guò)單片機(jī)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要介紹步進(jìn)電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電路和LED顯示電路的設(shè)計(jì)，其中在步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)闡述脈沖產(chǎn)生電路以及對(duì)速度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度精確控制的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；步進(jìn)電機(jī)；恒變速控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁裝置，它具有低價(jià)格，易實(shí)現(xiàn)調(diào)速，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，能快速啟動(dòng)和停止，易定位準(zhǔn)確，功率小等優(yōu)點(diǎn)。因此，它作為唯一能以開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)用于數(shù)控機(jī)床中的電動(dòng)機(jī)，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。在早期的控制方案中，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)序脈沖由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，這種方式通用性差，成本高。采用單片機(jī)控制，則可以很方便的使不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)按任意一種可行的通用方式進(jìn)行控制。本文就是實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。在這個(gè)控制系統(tǒng)中，控制器是它的核心，因?yàn)樗鼡?dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令的任務(wù)。

2系統(tǒng)總體方案硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用89C51單片機(jī)為控制核心，由89C51，74LS373，EPROM2732等器件構(gòu)成最小系統(tǒng)，擴(kuò)展的2732用來(lái)存放程序和表格。P1.0，P1.1，P1.2分別控制步進(jìn)電機(jī)A，B，C各相繞線，89C51單片機(jī)的P1口只能驅(qū)動(dòng)三個(gè)LSTTL輸入端，而被控制的步進(jìn)電機(jī)要求高壓，大電流，故在P1口后加驅(qū)動(dòng)器，以便驅(qū)動(dòng)脈沖功率放大級(jí)的復(fù)合晶閘管，使電機(jī)繞組的靜態(tài)電流達(dá)到驅(qū)動(dòng)電流。此外考慮到計(jì)算機(jī)的抗干擾能力及安全，將計(jì)算機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間加上隔離接口[1]。系統(tǒng)硬件圖如圖1所示。

通過(guò)上面的系統(tǒng)框圖，我們可以看到本系統(tǒng)主要由四部分組成，即步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，步進(jìn)電機(jī)和LED狀態(tài)顯示，本文著重介紹步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，LED顯示狀態(tài)三部分。

2.1步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)控制器主要由單片機(jī)、晶振電路、8K RAM 存儲(chǔ)模塊、光電隔離等電路組成，如圖2所示[2]。

1）晶振電路

單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖1所示。本系統(tǒng)選C1和C2值為22pF.

2）光電隔離電路

利用光隔離器組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開(kāi)來(lái)，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗千擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，應(yīng)注意通常其值為0.2-0.9.輸入數(shù)字信號(hào)提供一定的電流（5-10mA）時(shí)，光隔離器才會(huì)把放大的數(shù)字電平輸出。光隔離器聯(lián)結(jié)時(shí)注意信號(hào)正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開(kāi)，并且輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號(hào)可能通過(guò)電源串到系統(tǒng)中來(lái)。

3）存儲(chǔ)模塊

由于89C51單片機(jī)片內(nèi)只有128個(gè)字節(jié)的RAM，而本系統(tǒng)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多，需要擴(kuò)展外部RAM。

2.2步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路

在采用單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實(shí)際上就是控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。一種是延時(shí)，一種是定時(shí)。

延時(shí)方法是在每次換向之后調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與換向程序所用的時(shí)間和，就是CP脈沖的周期。該方法簡(jiǎn)單，占用資源少，全部由軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)行。但占用CPU時(shí)間長(zhǎng)，不能在運(yùn)行時(shí)處理其他工作。因此只適合較簡(jiǎn)單的控制過(guò)程。

定時(shí)方法是利用單片機(jī)系統(tǒng)中的定時(shí)器定時(shí)功能產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后，定時(shí)器從裝載的初值開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時(shí)中斷子程序。將電機(jī)換向子程序放在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，定時(shí)中斷一次，電機(jī)換向一次，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。由于從定時(shí)器裝載完重新啟動(dòng)開(kāi)始至定時(shí)器申請(qǐng)中斷止，有一定的時(shí)間間隔，造成定時(shí)時(shí)間增加，為了減少這種定時(shí)誤差，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)，要對(duì)重裝的計(jì)數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個(gè)因素一是中斷響應(yīng)所需的時(shí)間。二是重裝初值指令所占用的時(shí)間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因。綜合這兩個(gè)因素后，重裝計(jì)數(shù)初值的修正量取8個(gè)機(jī)器周期，即要使定時(shí)時(shí)間縮短8個(gè)機(jī)器周期。

用定時(shí)中斷方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)變速時(shí)，實(shí)際上是不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。在控制過(guò)程中，采用離散辦法來(lái)逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運(yùn)行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[3]。

2.3LED運(yùn)行狀態(tài)顯示

在本系統(tǒng)中，用74LS164作為顯示驅(qū)動(dòng)，帶鎖存，采用串行接法，這樣可以節(jié)約I/0口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易控制。

3系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是產(chǎn)生脈沖序列，并能按規(guī)定的順序送出脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

3.1產(chǎn)生脈沖序列

其方法為先輸出一個(gè)高電平，對(duì)某一個(gè)記數(shù)單元進(jìn)行累加，輸出一個(gè)高電平之后維持一段時(shí)間，然后輸出一個(gè)低電平在延時(shí)，延時(shí)長(zhǎng)短由步進(jìn)電機(jī)的速度決定。

3.2方向控制

通常有三種方法：

（1）三相單三拍：ABCA；

（2）三相雙三拍：ABBCCAAB；

（3）三相六拍：AABBBCCCAA；

按以上順序通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；按相反順序通電，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.3速度控制

控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出CP脈沖的頻率或換相的周期。利用單片機(jī)芯片內(nèi)部定時(shí)器的可編程性及定時(shí)功能，可以產(chǎn)生任意周期的定時(shí)信號(hào)，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的控制[4]。

3.4程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要介紹三相六拍的控制軟件，具體設(shè)計(jì)過(guò)程詳見(jiàn)表1，圖3所示。

4小結(jié)

單片機(jī)作為性能極佳的控制處理器，它比步進(jìn)電機(jī)的傳統(tǒng)控制器件，無(wú)論從功能，靈活性，可靠性等方面來(lái)說(shuō)，更為優(yōu)越。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。在此方案設(shè)計(jì)中，負(fù)載位置對(duì)控制電路無(wú)反饋，因此步進(jìn)電機(jī)必須正確響應(yīng)每次勵(lì)磁變化。如果勵(lì)磁頻率選擇不當(dāng)，電機(jī)不能夠到新的要求位置，那么實(shí)際的負(fù)載位置相對(duì)于控制器所期待位置便會(huì)出現(xiàn)永久性誤差，也就是“失步”和“過(guò)沖”現(xiàn)象，可以采用位置反饋或位置反饋確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)的正確相位轉(zhuǎn)換，可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的性能，這樣就可以獲得更加精確的位置控制和高很多、平穩(wěn)很多的速度了。

參考文獻(xiàn)

[1]婁俊，朱志甫.基于單片機(jī)AT89C51的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2010，9：34-36.

[2]楊忠寶，林海波.基于80C196MC的步進(jìn)電機(jī)斬波恒流均勻細(xì)分電路的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003，7：59-61.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[4]劉寶廷.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.