才智 CAI Zhi

（山東聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，聊城 252000）

（Liaocheng Vocational&Technical College，Liaocheng 252000，China）

0 引言

加工異形件時(shí)最主要的工作是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，我們?cè)诩庸ぎ愋渭r(shí)選用AT89C51單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。在實(shí)驗(yàn)中單片機(jī)主要控制換相順序、步進(jìn)電機(jī)的速度及步進(jìn)電機(jī)的位置。本文中設(shè)計(jì)應(yīng)用的是MOS管IRF530和單片機(jī)AT89S52以此促成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器，既能設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)兩相又能設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)多相步進(jìn)電機(jī)，并且驅(qū)動(dòng)電壓的范圍相對(duì)較大，適用于多種多樣的中小型功率步進(jìn)電機(jī)。由于采用的電子元器件都是我們常用的器件，所以整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器的價(jià)格都對(duì)比較低。

1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理

由于步進(jìn)電機(jī)有很多種分類(lèi)方法，因此我們可以按運(yùn)動(dòng)的方式分為兩類(lèi)，即旋轉(zhuǎn)式和直線式等；從勵(lì)磁相數(shù)不難看出，主要有兩相、三相、四相、五相、六相等；按照力矩產(chǎn)生的原理，主要有變磁阻式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）等。

當(dāng)電機(jī)中的繞組通電后，其電子磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，將轉(zhuǎn)子吸合到相應(yīng)的磁極處，就會(huì)改變繞組通電方式，也會(huì)使定子上磁場(chǎng)發(fā)生一定的變化，而轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也會(huì)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。我們?cè)诟淖兝@組通電順序后，就會(huì)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以此改變繞組通電脈沖頻率后的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通電脈沖頻率就會(huì)變得越來(lái)越高，轉(zhuǎn)速也會(huì)增高。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)就是其步距角，而步距角指的就是步進(jìn)電機(jī)每次換相時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，公式如下

式中：m—步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；z—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；k—步進(jìn)電機(jī)通電方式系數(shù)，k=1，2。

圖1 步進(jìn)電機(jī)原理圖

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出力矩與繞組通電頻率特征之間存在的曲線關(guān)系圖。

圖2 矩頻特性

2 驅(qū)動(dòng)原理的總體描述

步進(jìn)電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)是通過(guò)對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組電流而進(jìn)行的控制，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)步距角旋轉(zhuǎn)時(shí)候磁場(chǎng)的變化、當(dāng)兩相相鄰的繞組同時(shí)通過(guò)大小不同的電流時(shí)，就會(huì)使各相所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置就會(huì)成為新的平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)分。圖3所示的是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理。

圖3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

如果將與A相同電時(shí)的磁場(chǎng)方向定義為起始位“O”，那么從A相通電就會(huì)變?yōu)榕cB相通電磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)90°，這是步進(jìn)電機(jī)整步運(yùn)行情況如果A相、B相同時(shí)通電且通電電流相通，就會(huì)合成矢量方向?yàn)閳D3中位置2所示方向。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行就會(huì)取決于電機(jī)內(nèi)部定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的大小又取決于繞組中電流的大小，步進(jìn)電機(jī)的定子繞組在直流電壓的驅(qū)動(dòng)下，可以擬定為阻性負(fù)載，所以我們可采用調(diào)整加載在定子繞組兩端的直流電壓來(lái)控制定子繞組中的電流，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 異形件加工硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

PT100通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)所需資源的分析，選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89C51作為主控芯片。AT89C51是一帶有ZKBnash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）的低壓、高性能8位COMS微型計(jì)算機(jī)。它采用ATMEL的高密非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。使AT89C51成為強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī)。它為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了高度靈活和低成本的解決方法。

步進(jìn)電機(jī)的工作電路圖我們從圖4可以看出。整個(gè)系統(tǒng)起初擬定的是采用一個(gè)USB電源供電，實(shí)際使用電路時(shí)發(fā)現(xiàn)僅使用這個(gè)電源只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)工作，其他部分均因?yàn)殡娏鞑蛔愣鵁o(wú)法工作，故又增加一個(gè)電源，對(duì)ULN2003和電機(jī)單獨(dú)采用9V干電池供電，改進(jìn)之后發(fā)現(xiàn)各部分均能正常工作。唯一欠缺的是，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片之間沒(méi)加光電隔離以防干擾，不過(guò)這也是考慮本系統(tǒng)的被控制對(duì)象較單一（只有兩個(gè)電機(jī)和一個(gè)四門(mén)數(shù)碼管）的緣故。

圖4 步進(jìn)電機(jī)工作電路圖

4 異形件加工軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

我們用單片相機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)變加速度的控制，實(shí)際上就是為了能夠更好地控制脈沖頻率，就會(huì)在升速時(shí)使脈沖頻率增加，反之減速時(shí)就會(huì)降低脈沖頻率。我們一般所采用的軟件延時(shí)法和定時(shí)器法來(lái)確定脈沖的周期：軟件延時(shí)法只要是指依靠延時(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，軟件法在電機(jī)控制中，占用了大量的CPU時(shí)間，造成單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其他的工作；定時(shí)器法主要就是利用的單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(shù)的，在升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增加，減速時(shí)使脈沖頻率逐漸縮小，該方法并不占用CPU的運(yùn)行時(shí)間。

為了減少每級(jí)計(jì)算裝在定時(shí)器值的時(shí)間，將電機(jī)的每一級(jí)速度下所運(yùn)行的時(shí)間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的步數(shù)，存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，固化在系統(tǒng)的EPROM中，在需要時(shí)直接查表即可。當(dāng)減至零時(shí)表示恒速過(guò)程完畢，開(kāi)始轉(zhuǎn)入減速運(yùn)行。減速運(yùn)行步數(shù)與升速總步數(shù)相同，只是按相反的順序進(jìn)行即可。步進(jìn)電機(jī)加減速速度控制算法流程圖如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)加減速速度控制算法流程圖

5 結(jié)論

在加工異形件時(shí)采用上述的硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，可以在編寫(xiě)程序?qū)⒓铀倏偛綌?shù)、恒速總步數(shù)與減速總步數(shù)求出，放入地址單元中待用，不同型號(hào)的異形件，在加工時(shí)隨時(shí)調(diào)用單元中的數(shù)據(jù)，確保加工不同異形件時(shí)采用不同速度以提高生產(chǎn)效率，這樣可以大大提高異形件的加工效率。采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位置控制程序，可以使加工異形件時(shí)大大減少?gòu)U品率，提高異形件的加工質(zhì)量。

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