楊 鑒

（岳陽市污水處理監(jiān)督中心，湖南 岳陽，414000）

步進電機是機電控制的一種執(zhí)行機構(gòu)，又叫脈沖電機，它可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類。其主要用途是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為直線（角）位移的開環(huán)電磁裝置[1]。當步進電機驅(qū)動器收到一個脈沖信號[2]，就能將指令脈沖轉(zhuǎn)換成步進電機的不連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動電機輸出軸沿著預(yù)定的方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

步進電機的轉(zhuǎn)角可通過驅(qū)動器的脈沖個數(shù)來控制，其轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比[3]，電機能夠快速地起動、制動和反轉(zhuǎn)，在一定頻率范圍內(nèi)各種運行方式都能方便地任意改變，且不丟步。這樣，通過控制脈沖個數(shù)和脈沖頻率，就能使執(zhí)行機構(gòu)達到準確定位和實時調(diào)速的目的。步進電動機一般可分為分永磁式、反應(yīng)式和混合式三種類型。

1 XY 兩坐標步進電動機控制系統(tǒng)

1.1 控制方法

通常步進電動機的驅(qū)動電路是根據(jù)脈沖控制信號進行工作的[4]，而脈沖控制信號又是由單片機產(chǎn)生的。

（1）換相順序：通常步進電機通電換相的過程也被稱之為“脈沖分配”[5]，以步進電動機的常用三相六拍工作方式為例，如其各相通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A→AB→……，就應(yīng)該按照這一通電順序來分別準確地控制A、B、C 三相六拍方式的通斷。

（2）步進電機轉(zhuǎn)向確定：規(guī)定給定工作方式是正序通電方式換相，如以四相四拍方式為例，即A→B→C→D→A→B→……，那么步進電動機就應(yīng)當正轉(zhuǎn)運行；假如給定按反序換相通電方式，則步進電動機就相應(yīng)反轉(zhuǎn)。

（3）步進電機速度控制：步進電機的步進時間是離散的，步進電動機速度控制就是控制步進電機產(chǎn)生步進動作時間[6]。步進電機速度控制即是控制進給脈沖的頻率，當調(diào)整發(fā)出的單片機脈沖頻率信號，這樣即可對步進電機進行調(diào)速控制[7]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計要求

常見的兩坐標步進電動機控制系統(tǒng)，可通過CNC 裝置配合組成經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)控制，也可采用點動方式運行，形成自我體系控制系統(tǒng)。典型的XY 兩坐標步進電動機控制系統(tǒng)的應(yīng)用框圖如下圖1 所示。

圖1 典型XY 兩坐標步進電機控制系統(tǒng)應(yīng)用框圖

通常，兩坐標步進電機控制常常采用工業(yè)微機（IPC）或計算機數(shù)控裝置（CNC）作為主機系統(tǒng)，用來接受控制指令，以及輸入、存儲數(shù)控程序，并對數(shù)控程序指令進行譯碼、邏輯分析、插補運算等操作處理，然后以步進脈沖的形式輸出。

依據(jù)上述工作原理及方式選擇，并結(jié)合考慮方式選擇開關(guān)的“點動”功能，通過單片機為核心控制的XY 兩坐標步進電機的控制系統(tǒng)原理圖如下圖2 所示。

圖2 XY 兩坐標步進電機控制系統(tǒng)原理圖

當方式選擇開關(guān)選擇“自動”工作方式時，單片機接收到IPC 或數(shù)控裝置外部發(fā)出的進給數(shù)據(jù)脈沖信號，X 軸、Y 軸進行軟件環(huán)形脈沖分配后，分別輸出到相應(yīng)X 軸、Y 軸對應(yīng)的功率放大器，去控制驅(qū)動步進電機的實時運行狀態(tài)[8-9]。而當方式選擇開關(guān)選擇“點動”工作方式時，此時的單片機就會依據(jù)“點動”開關(guān)按鈕狀態(tài)，能夠按照一定的周期自行分配脈沖，并輸出到相應(yīng)的功率放大器，去驅(qū)動控制步進電機對應(yīng)的工作運行狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

XY 兩坐標步進電機單片機控制系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)原理圖如下圖3 所示。

圖3 XY 兩坐標步進電機單片機控制系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 單片機選擇與配置

單片機選用AT89C52 芯片，該芯片是一個低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，內(nèi)含8KB 的E2PROM，采用工業(yè)標準的C51 內(nèi)核，其中P1 口作為輸入，它與工作方式選擇按鈕以及和點動開關(guān)相聯(lián)，P1 接收低8 位地址；P2 口作為輸出節(jié)拍脈沖，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)，分別用以控制X軸、Y 軸的兩個步進電機繞組通電和換相的順序；P3 口為8 位雙向I/O，用來接受來自數(shù)控裝置外部的進給脈沖信號和方向信號，脈信號分別加到P3口的P3.2、P3.3 端子，外部中斷發(fā)生在脈沖下降沿處。SB1 為單片機復(fù)位按鈕，系統(tǒng)采用12MHz 晶振。

2.2 功率放大電路與接口

為提高信號傳輸可靠性和防止外部干擾，通過光電隔離接口，接受來自計算機數(shù)控裝置CNC的0～15mA 電流脈沖信號。P2 口的輸出經(jīng)光電隔離模塊OP11～OP14 和OP21～OP24 后，利用驅(qū)動型單電源功率放大電路，加到晶體管VT11～VT14和VT21～VT24 的基極，通過基極驅(qū)動電路，經(jīng)晶體管功率放大后，再驅(qū)動X、Y 軸兩坐標的步進電機L11～L14 和L21～L24 繞組[7]。在圖3 中，VD11、VD21 為續(xù)流二極管，R113、R213 為繞組限流電阻。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 I/O 端口功能及分配

根據(jù)AT89C52 單片機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖，可以歸納得出該單片機I/O 端口功能及分配如下表1 所示。

表1 I/O 端口功能及分配

3.2 中斷系統(tǒng)功能設(shè)計

當中斷系統(tǒng)功能工作于自動方式時，開啟外部中斷INT1、INT0，對應(yīng)其每一個進給脈沖都能引起一次外部中斷，并由中斷服務(wù)來實現(xiàn)進給動作程序控制。當中斷系統(tǒng)功能工作于點動方式時，脈沖頻率為100Hz、即周期為10ms，定時/計數(shù)器0工作于方式1，相應(yīng)定時10ms 中斷，就能實現(xiàn)開關(guān)量和點動控制的25ms 延時抖動功能。

3.3 控制軟件流程圖

以系統(tǒng)控制軟件的總體結(jié)構(gòu)主程序、二個外部中斷服務(wù)程序INT1、INT0 為例進行說明，系統(tǒng)控制軟件流程圖如圖4～圖6 所示：

圖4 系統(tǒng)控制軟件主程序流程圖

圖5 外部中斷INTI 流程圖

圖6 外部中斷INT0 流程圖

4 結(jié)語

步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計硬件采用一片AT89C52 單片機，其具有低電壓、高性能的特點，無須外擴程序存儲器，可直接驅(qū)動光電耦合器。軟件設(shè)計充分利用中斷處理功能，可實現(xiàn)并行執(zhí)行多程序，充分發(fā)揮多任務(wù)、實時控制的軟件功能。

本文將AT89C52 單片機用于XY 兩坐標步進電動機的控制系統(tǒng)，從步進電機的控制方法、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求上，分析了XY 兩坐標步進電機單片機控制系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)原理，結(jié)合提出了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案，并給出了步進電動機的四相四拍AT89C52 單片機控制的具體實現(xiàn)方法，通過實踐試驗，取得了成功。