基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

張占立， 康春花， 郭士軍， 符克理

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是把數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為角位移的控制元件，具有精確步進(jìn)、快速起停和控制簡(jiǎn)便等特點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于各種精密機(jī)械、自動(dòng)化控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件之一。步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)、停止時(shí)的加、減速特性直接影響數(shù)控系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精確性，因此，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡過(guò)程最短的加減速運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高精、高效的關(guān)鍵，是數(shù)控研究的重點(diǎn)之一［3-5］。郭新貴等針對(duì)傳統(tǒng)的直線加減速和指數(shù)加減速在進(jìn)給過(guò)程中存在柔性沖擊的缺點(diǎn)，提出了一種適用于高速進(jìn)給的新型柔性加減速算法，完全避免了柔性沖擊［6］。許良元 研究了數(shù)控加工中的加減速控制曲線，提出了加減速方式及算法的選擇會(huì)影響到數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、加工精度和運(yùn)行效率［7］。

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)上，一方面由于采用了斬波恒流控制、正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)、細(xì)分技術(shù)及最佳升降頻控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行快速性和運(yùn)動(dòng)精度［2］;另一方面，在電路設(shè)計(jì)上，驅(qū)動(dòng)器電路普遍采用單片機(jī)加上外圍電路，或?qū)Ｓ肧PWM芯片甚至數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Siginal Processor，DSP)產(chǎn)生SPWM波的控制電路。本文的分析內(nèi)容為滾子研磨機(jī)中步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。為滿足研磨工藝需求，滾子研磨機(jī)有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度較高，換向頻繁，為避免沖擊，增加系統(tǒng)工作的平穩(wěn)性，必須解決步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)的速度控制問(wèn)題。本文采用STC89C52單片機(jī)，對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，使其中一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)加減速控制實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的平穩(wěn)移動(dòng)，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)速可調(diào)，用LCD顯示兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示加工時(shí)間，從而滿足研磨加工的控制。

1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

滾子研磨機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括控制部分和顯示部分?？刂撇糠职訙p速控制、電機(jī)換向控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，顯示部分包括電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示和加工時(shí)間顯示。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的往復(fù)移動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。用LCD顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，用數(shù)碼管顯示加工時(shí)間。

圖1 控制系統(tǒng)功能圖

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

滾子研磨機(jī)使用常州合泰電機(jī)電器公司生產(chǎn)的86BYGX450C兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)使用+68 V直流電源，步距角1.8°，電機(jī)線圈由八相組成。根據(jù)同時(shí)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的需求以及LED、LCD顯示的要求，選用STC89C52單片機(jī)。該單片機(jī)是一種低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB可反復(fù)寫(xiě)的Flash Rom和128 Byte的RAM，2個(gè)16位定時(shí)器。內(nèi)部主要包括累加器ACC、程序狀態(tài)字PSW、地址指示器DPTR、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、寄存器、并行I/O接口P0～P3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行I/O接口及定時(shí)控制邏輯電路等，這些部件通過(guò)內(nèi)部總線連接起來(lái)，構(gòu)成了一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。圖2為STC89C52單片機(jī)引腳圖。

步進(jìn)電機(jī)的工作電壓為68 V，最大電流為8.28 A，配套選用SD－2H086MB驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有高度的抗干擾性及快速的響應(yīng)性，從根本上解決了步進(jìn)電機(jī)低速爬行、存在共振區(qū)、噪聲大、高速力矩小、起動(dòng)頻率低及驅(qū)動(dòng)器可靠性差等缺點(diǎn)。

圖2 STC89C52RC單片機(jī)引腳圖

雖然步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)配備了驅(qū)動(dòng)器，但如果直接將單片機(jī)端口和驅(qū)動(dòng)器控制接口相連接，端口電壓將被拉到0 V，因此僅靠單片機(jī)端口仍舊不能驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，必須在單片機(jī)系統(tǒng)中增設(shè)驅(qū)動(dòng)裝置。本文采用的是專用驅(qū)動(dòng)芯片，芯片驅(qū)動(dòng)作為高度工業(yè)產(chǎn)品，具有可靠性高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、適用性好的特點(diǎn)，而且使用方便。在這里采用差分電路驅(qū)動(dòng)芯片26LS31，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)控制需要，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的脈沖發(fā)出端口P1.0，電機(jī)1的方向信號(hào)端口P1.1，電機(jī)1驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)端口P1.2，電機(jī)2的脈沖信號(hào)端口P1.3，電機(jī)2驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)端口P1.4(電機(jī)2方向信號(hào)不接，電機(jī)轉(zhuǎn)向不變)。驅(qū)動(dòng)器的接線圖如圖3所示，連接電路如圖4所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)器接線圖

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 加減速曲線分析

為解決工作臺(tái)換向時(shí)的沖擊問(wèn)題，本文運(yùn)用加減速的方法對(duì)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)、停止時(shí)的速度進(jìn)行控制，而且希望被控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)越好;另外，在基于微處理器的數(shù)字控制中，要求控制算法具有較好的可實(shí)現(xiàn)性。加減速的實(shí)質(zhì)就是速度變化的過(guò)渡過(guò)程，即在起動(dòng)階段通過(guò)控制頻率以一定的規(guī)律逐漸增加，使速度平穩(wěn)增加到預(yù)定值;在停止階段，控制頻率以一定的規(guī)律逐漸減小，使速度平穩(wěn)減小到0。通常采用的加減速算法主要有梯形曲線、指數(shù)曲線和S曲線［8］。

圖5 梯形加減速曲線

(1)梯形曲線的速度和加速度曲線如圖5所示。對(duì)于梯形速度曲線來(lái)說(shuō)，電機(jī)起動(dòng)后做勻加速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定速度后，電機(jī)勻速運(yùn)行;電機(jī)停止時(shí)，做勻減速運(yùn)動(dòng)，直到速度減為0。梯形曲線的特點(diǎn)是:算法簡(jiǎn)單，占用機(jī)時(shí)少、響應(yīng)快、效率高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。但起始加速度較大，很容易引起沖擊;速度過(guò)渡不夠平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)精度低;在減速階段，梯形加減速會(huì)出現(xiàn)“尾巴”現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用較少。

(2)指數(shù)加減速模型是傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中較為常用的方法之一，其速度曲線是一條指數(shù)曲線。該模型中速度曲線按指數(shù)規(guī)律變化，加速度變化規(guī)律函數(shù)和速度變化規(guī)律函數(shù)互為反函數(shù)。指數(shù)加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖6所示。指數(shù)加減速的特點(diǎn)是:速度的平滑性好，運(yùn)動(dòng)精度高;起動(dòng)、停止過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間都比較短，快速性比較突出;原始模型計(jì)算量較大，算法較為復(fù)雜，占機(jī)時(shí)間長(zhǎng);初始加速度大，容易引起機(jī)械部件的沖擊，并且在起點(diǎn)、終點(diǎn)有柔性沖擊，從而限制了加速度的提高。

圖6 指數(shù)加減速運(yùn)動(dòng)曲線

(3)S曲線不是固定算法的加減速形式，只是由于其加減速段的速度曲線呈S形而得名。圖7為S曲線的速度、加速度曲線圖形。從圖中可以看出，加速階段分為a、b、c三個(gè)階段。在a階段，加速度以線性方式增加，速度以拋物線方式增加;在b階段，加速度為定值，速度以線性方式增加;在c階段，加速度以線性方式減小，速度以拋物線方式增加到規(guī)定速度。d為勻速階段。e、f、g階段為減速階段，與a、b、c三個(gè)階段正好相反。S曲線加減速過(guò)程由幾個(gè)不同的階段組成，調(diào)整不同階段的參數(shù)得到不同性能的加減速特性，應(yīng)用靈活;另外，S曲線的加減速平穩(wěn)，柔性、快速性較好，是一種綜合性能比較突出的加減速模型，在各種數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

圖7 S型曲線的速度和加速度曲線

通過(guò)對(duì)以上三種曲線的分析，該系統(tǒng)選用S曲線的加減速模型實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

3.2 S加減速曲線的實(shí)現(xiàn)

下面著重介紹加速過(guò)程中加加速、勻加速和減加速階段的設(shè)計(jì)在初始化S曲線(最大加速度Amax和加加速時(shí)間tmax)首先要解決的是一個(gè)插補(bǔ)周期(采樣周期)T內(nèi)脈沖的控制。在單片機(jī)中只有三個(gè)定時(shí)器，兩個(gè)分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，另外一個(gè)用于數(shù)碼管顯示加工時(shí)間。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，將采樣周期T轉(zhuǎn)化為N——一個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，只需通過(guò)控制定時(shí)器的溢出次數(shù)即完成采樣周期T的控制。圖8為S曲線的軟件流程圖。由流程圖可看出，只要給定兩個(gè)參數(shù)即最大速度和最大加速度，就可以實(shí)現(xiàn)S加減速。

圖8 S曲線軟件流程圖

3.3 換向控制

在該系統(tǒng)中，采用單片機(jī)與行程開(kāi)關(guān)相結(jié)合的方式控制工作臺(tái)的移動(dòng)方向，具體的執(zhí)行步驟是:工作臺(tái)開(kāi)始從零增加到規(guī)定的速度，然后勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擋塊觸到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始執(zhí)行換向程序，即按照S曲線控制電機(jī)的減速、加速過(guò)程。這種換向方式，既可以避免機(jī)械系統(tǒng)換向時(shí)的沖擊，又能保證工作臺(tái)不會(huì)因單片機(jī)的程序出錯(cuò)而出現(xiàn)故障。

3.4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制及其顯示

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制及其顯示是指調(diào)整、控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，并分別顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速，以方便研磨機(jī)的操作。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在程序中已經(jīng)以數(shù)組的形式給出，只需要通過(guò)鍵盤(pán)按鈕來(lái)選擇就可以了。因此需要設(shè)置如下按鍵以控制設(shè)備:選擇/輸入按鍵、確定/開(kāi)始按鍵、通過(guò)輸入/選擇按鍵選擇研磨需要的轉(zhuǎn)速，然后再按確定/開(kāi)始按鍵來(lái)確定研磨所需要的轉(zhuǎn)速;另外兩個(gè)按鍵是為研磨加工而設(shè)定的，一個(gè)為急停按鈕，另一個(gè)為停止按鈕。圖9為按鍵示意圖;圖10為按鍵輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速流程圖。系統(tǒng)顯示采用型號(hào)為1602的LCD，1602可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，滿足顯示需求。1602的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)8位數(shù)據(jù)線，恰好占用單片機(jī)的一個(gè)端口，同時(shí)控制信號(hào)有3個(gè)，分別為寄存器選擇(RS)、讀寫(xiě)控制(RW)和起用(E)。顯示主要是顯示系統(tǒng)工作中的各個(gè)狀態(tài)、提示輸入、轉(zhuǎn)速確定。

圖9 按鍵示意圖

圖10 按鍵輸入電機(jī)轉(zhuǎn)速流程圖

3.5 加工時(shí)間顯示

系統(tǒng)選用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示加工時(shí)間，時(shí)間控制用STC89C52中的定時(shí)器2。數(shù)碼管的時(shí)鐘顯示原理是動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示一次只顯示一個(gè)數(shù)碼管，每位數(shù)碼管的顯示時(shí)間為1～2 ms，由于人的視覺(jué)暫留和數(shù)碼管的余暉效應(yīng)，看上去每一位數(shù)碼管都是亮的。動(dòng)態(tài)顯示解決了端口不足和顯示變化的問(wèn)題。所有數(shù)碼管的段選(a，b，c，d，e，f，g，dp)都分別連在一起，然后連接到對(duì)應(yīng)的控制端口位，每位數(shù)碼管的選通信號(hào)單獨(dú)連接到對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管COM端即可。

通過(guò)該系統(tǒng)的研究，得到以下結(jié)論:(1)在STC89C52單片機(jī)控制器上完成的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了單片機(jī)作為最常用的微控制器在數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、可靠的特點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)小型控制系統(tǒng)的理想選擇。(2)S曲線加減速模型可以較好地解決步進(jìn)電機(jī)換向過(guò)程中的沖擊問(wèn)題，使機(jī)床的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確。(3)調(diào)整S曲線的參數(shù)可以很好地滿足系統(tǒng)的快速性需求。

4 結(jié)語(yǔ)

該單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用避免了工作臺(tái)換向時(shí)的沖擊，提高了步進(jìn)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，擴(kuò)大了滾子研磨機(jī)的工藝范圍;電機(jī)轉(zhuǎn)速及研磨時(shí)間的顯示方便了研磨機(jī)的加工、調(diào)整，為研磨機(jī)的研發(fā)提供了支持。

［1］杜永昌，管迪華.汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，42(4):523-526.

［2］劉保廷，程樹(shù)康.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.

［3］孫孝年.淺析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)的相互關(guān)系［J］.世界電子元器件，1999(3):36-37.

［4］畢承恩，丁乃建.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［5］Jeon J W，Kim Y K.FPGA based acceleration and de celeration circuit for industrial robots and CNC machine tols［J］.Mechatrionics，2002，2(4):635-642.

［6］郭新貴，李從心.一種新型柔性加減速算法［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(2):205-207.

［7］許良元.數(shù)控加工中加減速控制曲線的研究［J］.機(jī)械工程師，2006(9):65-67.

［8］侯艷艷，王洪君，王麗麗.三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)加減速控制算法的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2006(7):49-51.