異形件加工中步進(jìn)電機(jī)的控制研究

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

加工異形件時最主要的工作是對步進(jìn)電機(jī)的控制，我們在加工異形件時選用AT89C51單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。在實驗中單片機(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)動控制器，既能設(shè)計成驅(qū)動兩相又能設(shè)計成驅(qū)動多相步進(jìn)電機(jī)，并且驅(qū)動電壓的范圍相對較大，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，所以整個驅(qū)動控制器的價格都對比較低。

1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理

由于步進(jìn)電機(jī)有很多種分類方法，因此我們可以按運(yùn)動的方式分為兩類，即旋轉(zhuǎn)式和直線式等；從勵磁相數(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，將轉(zhuǎn)子吸合到相應(yīng)的磁極處，就會改變繞組通電方式，也會使定子上磁場發(fā)生一定的變化，而轉(zhuǎn)子在磁場力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩也會旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。我們在改變繞組通電順序后，就會控制電機(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，通電脈沖頻率就會變得越來越高，轉(zhuǎn)速也會增高。步進(jìn)電機(jī)的一個重要技術(shù)參數(shù)就是其步距角，而步距角指的就是步進(jìn)電機(jī)每次換相時轉(zhuǎn)過的角度，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)動原理的總體描述

步進(jìn)電機(jī)的電驅(qū)動是通過對電機(jī)的勵磁繞組電流而進(jìn)行的控制，從而帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)步距角旋轉(zhuǎn)時候磁場的變化、當(dāng)兩相相鄰的繞組同時通過大小不同的電流時，就會使各相所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和為零的位置就會成為新的平衡位置，從而實現(xiàn)細(xì)分。圖3所示的是步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的原理。

圖3 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理

如果將與A相同電時的磁場方向定義為起始位“O”，那么從A相通電就會變?yōu)榕cB相通電磁場的方向旋轉(zhuǎn)90°，這是步進(jìn)電機(jī)整步運(yùn)行情況如果A相、B相同時通電且通電電流相通，就會合成矢量方向為圖3中位置2所示方向。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行就會取決于電機(jī)內(nèi)部定子繞組所產(chǎn)生的磁場，而磁場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控制定子繞組中的電流，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)按細(xì)分后的步距角轉(zhuǎn)動。

3 異形件加工硬件驅(qū)動設(shè)計

PT100通過對本設(shè)計所需資源的分析，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、可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低壓、高性能8位COMS微型計算機(jī)。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術(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。整個系統(tǒng)起初擬定的是采用一個USB電源供電，實際使用電路時發(fā)現(xiàn)僅使用這個電源只能驅(qū)動一個電機(jī)工作，其他部分均因為電流不足而無法工作，故又增加一個電源，對ULN2003和電機(jī)單獨采用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)動芯片之間沒加光電隔離以防干擾，不過這也是考慮本系統(tǒng)的被控制對象較單一（只有兩個電機(jī)和一個四門數(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)動設(shè)計

我們用單片相機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)變加速度的控制，實際上就是為了能夠更好地控制脈沖頻率，就會在升速時使脈沖頻率增加，反之減速時就會降低脈沖頻率。我們一般所采用的軟件延時法和定時器法來確定脈沖的周期：軟件延時法只要是指依靠延時程序來改變脈沖輸出的頻率，其中延時的長短是動態(tài)的，軟件法在電機(jī)控制中，占用了大量的CPU時間，造成單片機(jī)無法同時進(jìn)行其他的工作；定時器法主要就是利用的單片機(jī)內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)進(jìn)入定時中斷后，改變定時常數(shù)的，在升速時使脈沖頻率逐漸增加，減速時使脈沖頻率逐漸縮小，該方法并不占用CPU的運(yùn)行時間。

為了減少每級計算裝在定時器值的時間，將電機(jī)的每一級速度下所運(yùn)行的時間轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的步數(shù)，存儲在一個數(shù)組中，固化在系統(tǒng)的EPROM中，在需要時直接查表即可。當(dāng)減至零時表示恒速過程完畢，開始轉(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

在加工異形件時采用上述的硬件驅(qū)動設(shè)計和軟件驅(qū)動設(shè)計，可以在編寫程序?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，不同型號的異形件，在加工時隨時調(diào)用單元中的數(shù)據(jù)，確保加工不同異形件時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)對步進(jìn)電機(jī)的位置控制程序，可以使加工異形件時大大減少廢品率，提高異形件的加工質(zhì)量。

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