異形件加工中步進電機的控制研究

才智 CAI Zhi

（山東聊城職業技術學院，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電機的控制，我們在加工異形件時選用AT89C51單片機對步進電機進行控制。在實驗中單片機主要控制換相順序、步進電機的速度及步進電機的位置。本文中設計應用的是MOS管IRF530和單片機AT89S52以此促成步進電機的驅動控制器，既能設計成驅動兩相又能設計成驅動多相步進電機，并且驅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電機。由于采用的電子元器件都是我們常用的器件，所以整個驅動控制器的價格都對比較低。

1 步進電機的基本原理

由于步進電機有很多種分類方法，因此我們可以按運動的方式分為兩類，即旋轉式和直線式等；從勵磁相數不難看出，主要有兩相、三相、四相、五相、六相等；按照力矩產生的原理，主要有變磁阻式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）等。

當電機中的繞組通電后，其電子磁極所產生的磁場，將轉子吸合到相應的磁極處，就會改變繞組通電方式，也會使定子上磁場發生一定的變化，而轉子在磁場力所產生的轉動力矩也會旋轉到相應的位置。我們在改變繞組通電順序后，就會控制電機的正反轉，以此改變繞組通電脈沖頻率后的電機轉速，通電脈沖頻率就會變得越來越高，轉速也會增高。步進電機的一個重要技術參數就是其步距角，而步距角指的就是步進電機每次換相時轉過的角度，公式如下

式中：m—步進電機的相數；z—步進電機轉子的齒數；k—步進電機通電方式系數，k=1，2。

圖1 步進電機原理圖

步進電機轉子輸出力矩與繞組通電頻率特征之間存在的曲線關系圖。

圖2 矩頻特性

2 驅動原理的總體描述

步進電機的電驅動是通過對電機的勵磁繞組電流而進行的控制，從而帶動轉子轉速來實現步距角旋轉時候磁場的變化、當兩相相鄰的繞組同時通過大小不同的電流時，就會使各相所產生的轉矩之和為零的位置就會成為新的平衡位置，從而實現細分。圖3所示的是步進電機細分驅動的原理。

圖3 步進電機細分驅動原理

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相通電就會變為與B相通電磁場的方向旋轉90°，這是步進電機整步運行情況如果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。步進電機的運行就會取決于電機內部定子繞組所產生的磁場，而磁場的大小又取決于繞組中電流的大小，步進電機的定子繞組在直流電壓的驅動下，可以擬定為阻性負載，所以我們可采用調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，從而實現步進電機按細分后的步距角轉動。

3 異形件加工硬件驅動設計

PT100通過對本設計所需資源的分析，選用ATMEL公司的8位單片機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。它采用ATMEL的高密非易失存儲技術制造，并和工業標準MCS-51指令集和引腳結構兼容。使AT89C51成為強勁的微型計算機。它為許多嵌入式控制應用提供了高度靈活和低成本的解決方法。

步進電機的工作電路圖我們從圖4可以看出。整個系統起初擬定的是采用一個USB電源供電，實際使用電路時發現僅使用這個電源只能驅動一個電機工作，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和電機單獨采用9V干電池供電，改進之后發現各部分均能正常工作。唯一欠缺的是，單片機與驅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的被控制對象較單一（只有兩個電機和一個四門數碼管）的緣故。

圖4 步進電機工作電路圖

4 異形件加工軟件驅動設計

我們用單片相機實現步進電機變加速度的控制，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的，軟件法在電機控制中，占用了大量的CPU時間，造成單片機無法同時進行其他的工作；定時器法主要就是利用的單片機內部的定時器來實現進入定時中斷后，改變定時常數的，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的運行時間。

為了減少每級計算裝在定時器值的時間，將電機的每一級速度下所運行的時間轉換為相應的步數，存儲在一個數組中，固化在系統的EPROM中，在需要時直接查表即可。當減至零時表示恒速過程完畢，開始轉入減速運行。減速運行步數與升速總步數相同，只是按相反的順序進行即可。步進電機加減速速度控制算法流程圖如圖5所示。

圖5 步進電機加減速速度控制算法流程圖

5 結論

在加工異形件時采用上述的硬件驅動設計和軟件驅動設計，可以在編寫程序將加速總步數、恒速總步數與減速總步數求出，放入地址單元中待用，不同型號的異形件，在加工時隨時調用單元中的數據，確保加工不同異形件時采用不同速度以提高生產效率，這樣可以大大提高異形件的加工效率。采用單片機對步進電機的位置控制程序，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量。

[1]楊昌金，王濤.精密低功耗儀表放大器INA118及其應用[J].國外電子元器件，2000（6）：14-15.

[2]楊冬霞.橢圓形鏡框加工中的控制系統設計[J].林業機械與木工設備，2008（6）.

[3]李曉菲,步進電機加減速控制規律[J].機電產品開發與創新，2006（1）.

[4]徐煜明.步進電機速度控制的研究與實現[J].工礦自動化，2007（2）.

[5]楊建寧.單片機對步進電機升降速的控制[J].中小型電機，1997（6）.