基于步進(jìn)電機控制的平面切割模型的研究

曲 娜 ，周 鵬 ，程鳳芹 ，于秋紅

（1.吉林建筑工程學(xué)院 城建學(xué)院，吉林 長春 130111；2.吉林省水文水資源局長春分局，吉林 長春 130061）

由于社會對產(chǎn)品多樣化的需求更加強烈，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，采用傳統(tǒng)的普通加工設(shè)備已難以適應(yīng)高效率、高質(zhì)量、多樣化的加工要求.由于步進(jìn)電機在速度和位置上的控制優(yōu)勢，使得由步進(jìn)電機控制的切割機床等生產(chǎn)機床能夠更加準(zhǔn)確和便捷的完成任務(wù)，使得生產(chǎn)能夠更快更好的滿足市場的需求.步進(jìn)電動機在數(shù)控車床和機器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較廣泛.在現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其是在航空航天、電子系統(tǒng)控制等領(lǐng)域中，要完成任務(wù)復(fù)雜，精度要求高等大工作量的機電控制，以及一些人工操作勞動強度大，生產(chǎn)效率低，且很難達(dá)到要求的精度，還有一些有害于人體健康的或人類無法完成或到達(dá)的工作環(huán)境，這就需要數(shù)控機床和機器人控制來完成這些任務(wù).此外，在辦公自動化設(shè)備中也涉及到步進(jìn)電機的使用，如磁盤驅(qū)動控制、繪圖儀和復(fù)印機等.

1 基于步進(jìn)電機控制的平面切割模型

步進(jìn)電機是伺服系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件，它能夠?qū)⒉竭M(jìn)脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，有很好的控制性能，步進(jìn)電機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)及其它運行方式的改變均能夠在給定的脈沖信號內(nèi)完成，而且控制精度很高，因此在數(shù)控機床控制及自動化設(shè)備控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用.

目前，控制步進(jìn)電機的方式有很多種，有基于傳統(tǒng)工控計算機控制的，也有用PLC控制的，而單片機控制是介于傳統(tǒng)工控計算機和PLC控制之間的一種較新型控制器，基于單片機控制的步進(jìn)電機系統(tǒng)控制功能強，適應(yīng)性和靈活性好，成本低廉，正逐步發(fā)展為步進(jìn)電機的主要控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得步進(jìn)電機的控制方式由模擬式逐步向以單片機為核心數(shù)字式轉(zhuǎn)變.

與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機控制器相比較，步進(jìn)電機的單片機控制有如下優(yōu)點：

（1）采用了微型機代替步進(jìn)電機控制器，把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)對方向的控制.步進(jìn)電機控制器主要是用于對步進(jìn)電機當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，產(chǎn)生步進(jìn)電機控制脈沖，在外部設(shè)備LCD上顯示當(dāng)前步進(jìn)電機的狀態(tài)，并完成與上位機軟件通信.對于步進(jìn)電機控制器，本設(shè)計選AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案.

（2）負(fù)載沒有超過步進(jìn)電機的范圍時，每個步進(jìn)脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度.步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)是以一個固定的角度運行的.可以通過對脈沖個數(shù)的控制來實現(xiàn)對角位移量的控制，從而達(dá)到定位的準(zhǔn)確性；同時如果進(jìn)行加減速的控制，可以通過對脈沖頻率的控制來實現(xiàn).

（3）根據(jù)步距角度的大小及實際步進(jìn)電機走的步數(shù)，只要確定了初始位置，就可以確定步進(jìn)電機的最終運動位置.步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)組成如下：

步進(jìn)電機是機電控制的一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的工作原理是通過對步進(jìn)電機中每一相線圈的電流和順序切換來使步進(jìn)電機作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn).步進(jìn)電機的驅(qū)動方式是由脈沖信號來控制，通過對脈沖信號頻率的調(diào)節(jié)來改變步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速.因此，本系統(tǒng)采用微電腦控制步進(jìn)電機.

圖1 用微型機控制步進(jìn)電機原理系統(tǒng)圖

基于步進(jìn)電機控制的平面切割模型采用單片機作為控制器，控制器主要用于控制電機，并對坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行處理，控制電機移動方向.通過電位器實現(xiàn)對懸掛物位置的精確測量，電機收放力矩長度會通過多圈電位器轉(zhuǎn)換成電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機；反射式光電傳感器對預(yù)設(shè)定曲線進(jìn)行檢測，以脈沖信號的形式送入單片機，同時按鍵信號送入單片機對物體進(jìn)行設(shè)置校正以及軌跡參數(shù)設(shè)定，控制器對送來的信號進(jìn)行分析、運算、處理，將控制信號輸送到電機驅(qū)動模塊，控制電動機的轉(zhuǎn)速,使物體的運動軌跡得以控制.項目中擬引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對誤差進(jìn)行修正.以達(dá)到對物體的控制和對坐標(biāo)點的準(zhǔn)確定位.

2 基于步進(jìn)電機控制的平面切割模型的具體實現(xiàn)方法

2.1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計主要由單片機控制部分，電機模塊、LCD顯示模塊，語音播報、鍵盤輸入模塊等幾大部分構(gòu)成的一個基于單片機的步進(jìn)電機控制系統(tǒng).在系統(tǒng)中，通過單片機完成對步進(jìn)電機的控制，進(jìn)而完成運動點在平面內(nèi)預(yù)定軌跡的控制.在控制系統(tǒng)中，通過步進(jìn)電機驅(qū)動器來完成對步進(jìn)電機的驅(qū)動控制，電機驅(qū)動模塊控制步進(jìn)電機，把控制裝置發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機的角位移.步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比.總體設(shè)計框圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)方案框圖

2.2 X、Y工作臺的傳動方式

為了保證傳動過程中的精度和平穩(wěn)性，以及整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，系統(tǒng)采用滾珠絲桿螺母傳動副.為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu).

由于工作臺的運動部件重量和中提系統(tǒng)負(fù)荷不大，因此選用滾動直線導(dǎo)軌副，這樣選擇的優(yōu)勢在于減少工作臺的摩擦系數(shù)，提高整體系統(tǒng)運動的平穩(wěn)性.從電機步距角按標(biāo)準(zhǔn)選取考慮，結(jié)合分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機負(fù)載匹配，系統(tǒng)采用齒輪減速傳動，系統(tǒng)框圖如下：

圖3 步進(jìn)電機控制XY軸系統(tǒng)總體框圖

2.3 設(shè)計方案中需要解決的問題

本方案主要包括步進(jìn)電機的控制和曲線運動控制算法的軟件實現(xiàn)，并最終由單片機等硬件，通過步進(jìn)電機控制切割器在固定平面內(nèi)進(jìn)行曲線運動.模型中首先要研究切割點在固定平面內(nèi)的曲線運動規(guī)律，并根據(jù)給定運動的曲線形式和速度變化形式就能計算出相應(yīng)時刻的速度，從而輸出可變速的曲線運動，然后將其數(shù)字化，并通過單片機等硬件實現(xiàn)；其次將所得的曲線運動規(guī)律通過軟件來控制步進(jìn)電機，使切割點能夠在平面內(nèi)完成預(yù)先設(shè)定的運動曲線.在論證中，主要會遇到的問題是：（1）由步進(jìn)電機控制的切割點在平面內(nèi)做曲線運動時能否能達(dá)到預(yù)期的精確定位；（2）由于步進(jìn)電機的啟動時間，是否會使得系統(tǒng)的反應(yīng)時間變長；（3）在調(diào)和描述切割點的運動軌跡的精確性和減少系統(tǒng)的反應(yīng)時間這兩者的矛盾中，盡量滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)確及快速的要求.

3 軟件框架

步進(jìn)電機做為一種數(shù)字型電機，控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動需要兩個要素：轉(zhuǎn)速和方向.對于步進(jìn)電機驅(qū)動器,其方向取決于控制器輸送信號電平的正負(fù),轉(zhuǎn)速取決于步進(jìn)電機控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖信號之間的時間間隔.步進(jìn)電機脈沖發(fā)生器的時鐘可以利用單片機內(nèi)置的定時計數(shù)器設(shè)置.只需實時改變定時器重裝的初值,即可實時改變輸出脈沖的頻率,實現(xiàn)數(shù)字化連續(xù)調(diào)頻.為減低單片機的負(fù)荷,編程時采用C語言進(jìn)行編程，計算出各離散速度所對應(yīng)的定時器初值,并以表格的形式存儲在內(nèi)存中.

步進(jìn)電機起動運行模塊部分的程序設(shè)計要求控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并且能夠顯示相應(yīng)的狀態(tài)，程序流程圖如下圖所示.

圖4 步進(jìn)電機起動運行程序流程圖

步進(jìn)電機運行模式部分我們設(shè)計成循環(huán)函數(shù)體.首通過調(diào)用顯示子程序，接下來通過判斷調(diào)用鍵盤掃描函數(shù)，若開始鍵沒按下，返回循環(huán)函數(shù)初始處；若開始鍵按下，接著判斷是夠有暫停鍵按下，有則返占循函數(shù)初始處；若開始鍵按下，接著判斷是否有暫停鍵按下，有則返回循環(huán)函數(shù)初始處，無則判斷停止鍵是否按下，有則使定時器初值做相應(yīng)改變，無則接著判斷正反轉(zhuǎn)鍵是否按下，有則修改對應(yīng)方向狀態(tài)標(biāo)志.

4 結(jié)論

基于步進(jìn)電機控制的平面切割模型的研究主要是針對由步進(jìn)電機控制的平面內(nèi)質(zhì)點在線切割工作臺的應(yīng)用，植毛機工作臺（毛孔定位），包裝機（定長度）以及基本上涉及到定位的場合都用得到.特別適合要求運行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長、高輸出扭矩的應(yīng)用場合.通過對二維平面內(nèi)質(zhì)點運動的研究，我們可以進(jìn)一步研究多維立體空間內(nèi)由步進(jìn)電機控制的質(zhì)點運動情況，如果將二維平面內(nèi)的控制理論發(fā)展為多維空間的控制理論，就可以在實際生產(chǎn)中大大減少了生產(chǎn)所消耗的時間，強了系統(tǒng)的通用性和靈活性、成本也大大降低，從而提高了工廠的生產(chǎn)效率，且有著十分廣闊的應(yīng)用前景.

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