何明睿

摘要：介紹瓷磚印花機(jī)傳送帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造，著重介紹單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)與準(zhǔn)確停位的方法以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

關(guān)鍵詞：瓷磚印花機(jī) 高速步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 最佳起動(dòng)停車(chē)

1.前 言

淄博是陶瓷之鄉(xiāng)，瓷磚生產(chǎn)也具有一定的規(guī)模。上世紀(jì)八十年代引進(jìn)了許多外國(guó)進(jìn)口設(shè)備，其中，引進(jìn)的意大利瓷磚印花機(jī)發(fā)揮了很大的作用。但是，隨著應(yīng)用時(shí)間的加長(zhǎng)，電氣控制部分逐步老化，已無(wú)法繼續(xù)使用。而印花機(jī)本身還是很好的。淘汰了有些可惜，為此，我結(jié)合使用要求，將原先應(yīng)用的Z80微型機(jī)控制系統(tǒng)改造成現(xiàn)在的89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用證明，完全可以滿足生產(chǎn)要求。

2.電氣控制電路重新設(shè)計(jì)

2.1.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 如圖1所示，為改造后的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)是兩相四拍式，電源是±100伏，四拍分別由四個(gè)NPN大功率三極管驅(qū)動(dòng)，由于脈沖頻率不很高，步進(jìn)電機(jī)的電感不足以限制電流大小，為此，加限流電阻0.5Ω，功率20瓦。四個(gè)三極管的驅(qū)動(dòng)電源由變壓器四個(gè)9伏繞組供電。

2.2.單片機(jī)89C51電路 如圖2所示，為改造后的單片機(jī)控制電路。四個(gè)位置傳感器，采用紅外傳感器和磁傳感器，經(jīng)過(guò)光耦傳遞到89c51。采用六位LED顯示生產(chǎn)瓷磚的塊數(shù)。為了可靠其間，應(yīng)用了25045看門(mén)狗和用來(lái)統(tǒng)計(jì)記憶生產(chǎn)瓷磚總數(shù)的EEPROM。步進(jìn)電機(jī)由四根接口線通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)。

3.步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)最佳變頻控制方法

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是瓷磚印花機(jī)的主要部分，應(yīng)用了步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是準(zhǔn)確停位。如果負(fù)荷轉(zhuǎn)矩（包括慣性力轉(zhuǎn)矩）不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩值，就能在瞬間使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停轉(zhuǎn)。但這必須建立在步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路有足夠的功率（即足夠大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩值），如果不滿足，就會(huì)失步，結(jié)果啟動(dòng)不起來(lái)或停位不準(zhǔn)確。高速情況下很容易不滿足，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是通過(guò)各繞組依次通入一定寬度的脈沖電流，使每個(gè)磁極下的小齒和轉(zhuǎn)子的小齒依次對(duì)齊，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)如果脈沖的頻率太高，時(shí)間寬度不夠，使吸力作用的時(shí)間不夠長(zhǎng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子及負(fù)載慣性的原因，在此脈沖作用期間沒(méi)有將該對(duì)齊的小齒對(duì)齊，就換另一個(gè)繞組通電流，結(jié)果產(chǎn)生排斥的阻轉(zhuǎn)矩，而使步進(jìn)電機(jī)失步而停下（啟動(dòng)不起來(lái)）。同樣道理，當(dāng)停車(chē)時(shí)，由較高頻率的脈沖突然降低為零頻率（或只給一個(gè)繞組通電流），企圖使步進(jìn)電機(jī)立即停下，擔(dān)由于慣性的原因，使轉(zhuǎn)子沖過(guò)而失步，結(jié)果停位不準(zhǔn)確。這樣在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩有限的情況下，高速時(shí)就需要變頻啟動(dòng)，使脈沖頻率逐漸加大，脈寬逐漸變窄，作用時(shí)間由長(zhǎng)逐漸縮短，而制動(dòng)時(shí)需變頻停車(chē)，使脈沖頻率逐漸減小，脈寬逐漸變寬，作用時(shí)間由短逐漸長(zhǎng)，。

瓷磚印花機(jī)的步進(jìn)電機(jī)屬于高速起動(dòng)制動(dòng)，則都需變頻，亦即變脈寬。如何變呢？我們?cè)诖纱u印花機(jī)電路改造設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)一個(gè)定時(shí)器來(lái)確定脈沖的寬度，即每中斷一次，在中斷服務(wù)程序中結(jié)束一個(gè)繞組的脈沖，開(kāi)始另一個(gè)繞組的脈沖，同時(shí)修改定時(shí)器中的時(shí)間常數(shù)，以確定下個(gè)脈沖的寬度。下面要說(shuō)明的是定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)如何隨著步進(jìn)電機(jī)的勻加速起動(dòng)、勻速運(yùn)行、勻減速制動(dòng)而變化的。

步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)雖是一步一步的不連續(xù)的過(guò)程，但由于步長(zhǎng)相對(duì)很小，可近似認(rèn)為是連續(xù)的，這樣可以用普通電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)的概念分析，由于步進(jìn)電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)電流是定值，說(shuō)明最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是定值，這就是說(shuō)起動(dòng)加速度最大值也是定值。如果脈沖頻率變化太快（即脈沖的寬度減小太快），在不失步時(shí)，則就要求加速度太大，若超過(guò)其最大值就會(huì)失步。若保證其加速度始終接近最大值，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)失步，達(dá)到最快起制動(dòng)。

在勻變速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，初轉(zhuǎn)速為零，則轉(zhuǎn)角（步進(jìn)電機(jī)可用 步數(shù)）與時(shí)間的關(guān)系：θ=kt2 其中k是常數(shù)，t 是旋轉(zhuǎn)θ角需要的時(shí)間 。若用步數(shù)n表示θ，則 n=kt2 。每步需要的時(shí)間為：

Δtn 就是相應(yīng)脈沖的寬度，也就是定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)求取的依據(jù)。

k值的求取：不同的步進(jìn)電機(jī).不同的驅(qū)動(dòng)電路，k值是不同的。k值可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。我們是這樣測(cè)得的：先用固定脈寬（不變頻）起動(dòng)電機(jī)，開(kāi)始先用較低的頻率起動(dòng)，逐漸提高頻率（減小脈寬），直到起動(dòng)不起來(lái)為止，把最后這個(gè)脈寬作為第一個(gè)脈沖的脈寬，即為Δt1，則

考慮到電流有一個(gè)上升階段（不是一直最大），特別是高頻下更明顯，實(shí)際上加速度沒(méi)計(jì)算的這么大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將第一個(gè)脈寬增加一倍，實(shí)踐證明比較合適。

4.兩相四拍步進(jìn)電機(jī)最佳控制的中斷服務(wù)程序