基于單片機的步進電機控制系統

張占立， 康春花， 郭士軍， 符克理

(河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003)

0 引言

步進電機是把數字信息直接轉換為角位移的控制元件，具有精確步進、快速起停和控制簡便等特點［1］，廣泛應用于各種精密機械、自動化控制系統等領域，是機電一體化的關鍵部件之一。步進電機起動、停止時的加、減速特性直接影響數控系統的平穩性和精確性，因此，實現過渡過程最短的加減速運動是實現高精、高效的關鍵，是數控研究的重點之一［3-5］。郭新貴等針對傳統的直線加減速和指數加減速在進給過程中存在柔性沖擊的缺點，提出了一種適用于高速進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影響到數控系統的運動精度、加工精度和運行效率［7］。

在步進電機驅動技術上，一方面由于采用了斬波恒流控制、正弦脈寬調制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)、細分技術及最佳升降頻控制，大大提高了步進電機的運行快速性和運動精度［2］;另一方面，在電路設計上，驅動器電路普遍采用單片機加上外圍電路，或專用SPWM芯片甚至數字信號處理器(Digital Siginal Processor，DSP)產生SPWM波的控制電路。本文的分析內容為滾子研磨機中步進電機的控制系統。為滿足研磨工藝需求，滾子研磨機有兩個步進電機，一個驅動工作臺的往復運動，另一個驅動工件做旋轉運動。由于工作臺往復運動的速度較高，換向頻繁，為避免沖擊，增加系統工作的平穩性，必須解決步進電機換向時的速度控制問題。本文采用STC89C52單片機，對兩個步進電機進行數字控制，使其中一個步進電機通過加減速控制實現工作臺的平穩移動，另一個步進電機驅動工件旋轉運動，而且轉速可調，用LCD顯示兩個電機的轉速，用數碼管動態顯示加工時間，從而滿足研磨加工的控制。

1 控制系統功能設計

滾子研磨機步進電機控制系統的功能設計如圖1所示，主要包括控制部分和顯示部分。控制部分包括加減速控制、電機換向控制和電機轉速控制，顯示部分包括電機轉速顯示和加工時間顯示。該系統采用單片機控制兩個步進電機，一個電機驅動工作臺的往復移動，另一個電機驅動工件做旋轉運動。用LCD顯示步進電機轉速，用數碼管顯示加工時間。

圖1 控制系統功能圖

2 系統的電路設計

滾子研磨機使用常州合泰電機電器公司生產的86BYGX450C兩相混合式步進電機，該電機使用+68 V直流電源，步距角1.8°，電機線圈由八相組成。根據同時控制兩個步進電機的需求以及LED、LCD顯示的要求，選用STC89C52單片機。該單片機是一種低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8 KB可反復寫的Flash Rom和128 Byte的RAM，2個16位定時器。內部主要包括累加器ACC、程序狀態字PSW、地址指示器DPTR、只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、寄存器、并行I/O接口P0～P3、定時器/計數器、串行I/O接口及定時控制邏輯電路等，這些部件通過內部總線連接起來，構成了一個完整的微型計算機。圖2為STC89C52單片機引腳圖。

步進電機的工作電壓為68 V，最大電流為8.28 A，配套選用SD－2H086MB驅動器，該驅動器具有高度的抗干擾性及快速的響應性，從根本上解決了步進電機低速爬行、存在共振區、噪聲大、高速力矩小、起動頻率低及驅動器可靠性差等缺點。

圖2 STC89C52RC單片機引腳圖

雖然步進電機已經配備了驅動器，但如果直接將單片機端口和驅動器控制接口相連接，端口電壓將被拉到0 V，因此僅靠單片機端口仍舊不能驅動驅動器，必須在單片機系統中增設驅動裝置。本文采用的是專用驅動芯片，芯片驅動作為高度工業產品，具有可靠性高、驅動能力強、適用性好的特點，而且使用方便。在這里采用差分電路驅動芯片26LS31，根據步進電機控制需要，需要驅動電機1的脈沖發出端口P1.0，電機1的方向信號端口P1.1，電機1驅動器的使能信號端口P1.2，電機2的脈沖信號端口P1.3，電機2驅動器的使能信號端口P1.4(電機2方向信號不接，電機轉向不變)。驅動器的接線圖如圖3所示，連接電路如圖4所示。

圖3 驅動器接線圖

圖4 驅動電路圖

3 控制系統的實現

3.1 加減速曲線分析

為解決工作臺換向時的沖擊問題，本文運用加減速的方法對步進電機起動、停止時的速度進行控制，而且希望被控電機運轉越平穩越好;另外，在基于微處理器的數字控制中，要求控制算法具有較好的可實現性。加減速的實質就是速度變化的過渡過程，即在起動階段通過控制頻率以一定的規律逐漸增加，使速度平穩增加到預定值;在停止階段，控制頻率以一定的規律逐漸減小，使速度平穩減小到0。通常采用的加減速算法主要有梯形曲線、指數曲線和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。對于梯形速度曲線來說，電機起動后做勻加速運動，達到預定速度后，電機勻速運行;電機停止時，做勻減速運動，直到速度減為0。梯形曲線的特點是:算法簡單，占用機時少、響應快、效率高，實現起來比較方便。但起始加速度較大，很容易引起沖擊;速度過渡不夠平穩，運動精度低;在減速階段，梯形加減速會出現“尾巴”現象，實際應用較少。

(2)指數加減速模型是傳統數控系統中較為常用的方法之一，其速度曲線是一條指數曲線。該模型中速度曲線按指數規律變化，加速度變化規律函數和速度變化規律函數互為反函數。指數加減速運動規律如圖6所示。指數加減速的特點是:速度的平滑性好，運動精度高;起動、停止過程的反應時間都比較短，快速性比較突出;原始模型計算量較大，算法較為復雜，占機時間長;初始加速度大，容易引起機械部件的沖擊，并且在起點、終點有柔性沖擊，從而限制了加速度的提高。

圖6 指數加減速運動曲線

(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三個階段正好相反。S曲線加減速過程由幾個不同的階段組成，調整不同階段的參數得到不同性能的加減速特性，應用靈活;另外，S曲線的加減速平穩，柔性、快速性較好，是一種綜合性能比較突出的加減速模型，在各種數控系統中應用較多。

圖7 S型曲線的速度和加速度曲線

通過對以上三種曲線的分析，該系統選用S曲線的加減速模型實現對步進電機的控制。

3.2 S加減速曲線的實現

下面著重介紹加速過程中加加速、勻加速和減加速階段的設計在初始化S曲線(最大加速度Amax和加加速時間tmax)首先要解決的是一個插補周期(采樣周期)T內脈沖的控制。在單片機中只有三個定時器，兩個分別控制兩個步進電機，另外一個用于數碼管顯示加工時間。因此，在程序設計時，將采樣周期T轉化為N——一個采樣周期內的脈沖個數，只需通過控制定時器的溢出次數即完成采樣周期T的控制。圖8為S曲線的軟件流程圖。由流程圖可看出，只要給定兩個參數即最大速度和最大加速度，就可以實現S加減速。

圖8 S曲線軟件流程圖

3.3 換向控制

在該系統中，采用單片機與行程開關相結合的方式控制工作臺的移動方向，具體的執行步驟是:工作臺開始從零增加到規定的速度，然后勻速運動，當擋塊觸到行程開關時，單片機開始執行換向程序，即按照S曲線控制電機的減速、加速過程。這種換向方式，既可以避免機械系統換向時的沖擊，又能保證工作臺不會因單片機的程序出錯而出現故障。

3.4 步進電機轉速控制及其顯示

步進電機的轉速控制及其顯示是指調整、控制兩個步進電機的工作轉速，并分別顯示設定轉速，以方便研磨機的操作。步進電機的轉速在程序中已經以數組的形式給出，只需要通過鍵盤按鈕來選擇就可以了。因此需要設置如下按鍵以控制設備:選擇/輸入按鍵、確定/開始按鍵、通過輸入/選擇按鍵選擇研磨需要的轉速，然后再按確定/開始按鍵來確定研磨所需要的轉速;另外兩個按鍵是為研磨加工而設定的，一個為急停按鈕，另一個為停止按鈕。圖9為按鍵示意圖;圖10為按鍵輸入電機轉速流程圖。系統顯示采用型號為1602的LCD，1602可以顯示兩行，每行16個字符，滿足顯示需求。1602的數據傳輸通過8位數據線，恰好占用單片機的一個端口，同時控制信號有3個，分別為寄存器選擇(RS)、讀寫控制(RW)和起用(E)。顯示主要是顯示系統工作中的各個狀態、提示輸入、轉速確定。

圖9 按鍵示意圖

圖10 按鍵輸入電機轉速流程圖

3.5 加工時間顯示

系統選用數碼管動態顯示加工時間，時間控制用STC89C52中的定時器2。數碼管的時鐘顯示原理是動態顯示，動態顯示一次只顯示一個數碼管，每位數碼管的顯示時間為1～2 ms，由于人的視覺暫留和數碼管的余暉效應，看上去每一位數碼管都是亮的。動態顯示解決了端口不足和顯示變化的問題。所有數碼管的段選(a，b，c，d，e，f，g，dp)都分別連在一起，然后連接到對應的控制端口位，每位數碼管的選通信號單獨連接到對應的數碼管COM端即可。

通過該系統的研究，得到以下結論:(1)在STC89C52單片機控制器上完成的步進電機控制系統開發，驗證了單片機作為最常用的微控制器在數控系統開發方面具有簡單、實用、經濟、可靠的特點，是開發小型控制系統的理想選擇。(2)S曲線加減速模型可以較好地解決步進電機換向過程中的沖擊問題，使機床的運動更加平穩、準確。(3)調整S曲線的參數可以很好地滿足系統的快速性需求。

4 結語

該單片機系統的應用避免了工作臺換向時的沖擊，提高了步進電機的工作轉速，擴大了滾子研磨機的工藝范圍;電機轉速及研磨時間的顯示方便了研磨機的加工、調整，為研磨機的研發提供了支持。

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