步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計摘 要:本文應(yīng)用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片、字符型LCD和鍵盤陣列 , 構(gòu)建了集步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺作為被控對象通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿在X/Y 軸方向聯(lián)動。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補方法和步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)采用了軟硬件協(xié)同仿真的方法, 可以有效地減少系統(tǒng)開發(fā)的周期和成本。最后給出了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用實例。關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) , 插補算法 , 變頻調(diào)速 , 軟硬件協(xié)同仿真1 引言作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件 , 步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點 ,

2、廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動化儀表等領(lǐng)域。為了實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡易運動控制 , 一般以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器 , 通過步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位控制。2 圓弧插補改進(jìn)算法逐點比較插補算法因其算法簡單、易實現(xiàn)且最大誤差不超過一個脈沖當(dāng)量 , 在步進(jìn)電機(jī)的位置控制中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。 圓弧插補中 , 為了確定一條圓弧的軌跡 , 可采用 : 給出圓心坐標(biāo)、 起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo) ; 給出半徑、起點和終點坐標(biāo) ;給出圓弧的三點坐標(biāo)等。 在算法實現(xiàn)時這些參數(shù)若要存放在單片機(jī)內(nèi)部資源有限的數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)中 , 如果要經(jīng)過復(fù)雜的運算才能確定一段圓弧 , 不但給微處理器帶來負(fù)

3、擔(dān) , 而且要經(jīng)過多步運算 , 往往會影響到算法的精確度。 因此選取一種簡單且精確度高的插補算法是非常必要的。本文提出了一種改進(jìn)算法: 在圓弧插補中 , 無論圓弧在任何位置 , 是順圓或是逆圓 , 都以此圓弧的圓心作為原點來確定其他坐標(biāo)。因此只須給出圓弧的起點坐標(biāo)和圓弧角度就可以確定該圓弧。 如果一個軸坐標(biāo)用 4 個字節(jié)存儲 ( 如), 而角度用 2 個字節(jié)存儲 ( 如 45°), 則只需要 10 個字節(jié)即可確定一段二維的圓弧。 較之起其他方法 , 最多可節(jié)省 14 個存儲單元。 現(xiàn)以第 I 象限逆圓弧為例 , 計算其終點坐標(biāo)。如圖 1 所示 ,(X0,Y0) 為圓弧的起點坐標(biāo) ,(

4、Xe,Ye) 為圓弧的終點坐標(biāo) , 為圓弧的角度。圖 1 圓弧軌跡示意圖圓弧半徑 : ,終點坐標(biāo) :終點坐標(biāo)相對 X 軸的角度 :本系統(tǒng)要求輸入的角度精確到1 度 , 輸入坐標(biāo)的分辨率是 , 單片機(jī) C語言的浮點運算能精確到 , 按照上面的公式算出的終點坐標(biāo), 雖存在誤差 , 但這個誤差小于 1%,能夠滿足所要求的精確度。3 步進(jìn)電機(jī)的變頻調(diào)速雖然步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力強、精度高、轉(zhuǎn)速容易控制的特點, 但是在實際運行過程中由于啟動和停止控制不當(dāng) , 步進(jìn)電機(jī)仍會出現(xiàn)啟動時抖動和停止時過沖的現(xiàn)象 , 從面影響系統(tǒng)的控制精度。尤其是步進(jìn)電機(jī)工作在頻繁啟動和停止時 , 這種現(xiàn)象就更為明顯。為此本文

5、提出了一種基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)加減速離散控制方法。 加減速曲線如圖 2 所示 , 縱坐標(biāo)是頻率 f, 單位為脈沖 / 秒或步 / 秒。橫坐標(biāo)時間 t, 單位為秒。步進(jìn)電機(jī)以 f0 啟動后加速至 t1 時刻達(dá)到最高運行頻率 f, 然后勻速運行 , 至 t2 時刻開始減速 , 在 t5 時刻電機(jī)停轉(zhuǎn) , 總的步數(shù)為 N。其中電機(jī)從靜止加速至最高運行頻率和從最高運行頻率至停止至是步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵 , 通常采用勻加速和勻減速方式。圖 2 時間與頻率的函數(shù)圖圖 3 離散化的時間變頻圖采用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制 , 實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔 , 可采用軟件和硬件兩種方法。軟件方法依靠

6、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, 該方法因為要不停地產(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的 CPU時間 ; 硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)的 , 在每次進(jìn)入定時中斷后 , 改變定時常數(shù) ( 定時器裝載值 ), 從而升速時使脈沖頻率逐漸增大 , 減速時使脈沖頻率逐漸減小。這種方法占用 CPU時間較少 , 是一種效率比較高的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速方法。考慮到單片機(jī)資源 ( 字長 ) 和編程的方便 , 不需要每步都計算定時器裝載值。如圖 3 所示 , 采用離散方法將加減速曲線離散化。離散化后速度是分臺階上升的 , 而且每上升一個臺階都要在該臺階保持一段時間 , 以克服由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

7、動慣量所引起的速度滯后。 只有當(dāng)實際運行速度達(dá)到預(yù)設(shè)值后才能急速加速 , 實際上也是局部速度誤差的自動糾正。4 系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計對于 51 系列單片機(jī)的軟件開發(fā) , 傳統(tǒng)的方法是在 PC機(jī)上采用 Keil 等開發(fā)工具進(jìn)行程序設(shè)計、編譯、調(diào)試 , 待程序調(diào)試通過之后生成目標(biāo)文件下載至單片機(jī)硬件電路再進(jìn)行硬件調(diào)試。 這種方法只有硬件電路完成之后才能進(jìn)行系統(tǒng)功能測試 , 若此時發(fā)現(xiàn)硬件電路存在設(shè)計問題且必須進(jìn)行修改時就會顯著影響系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期。 為此 , 本文采用了系統(tǒng)軟硬件協(xié)同仿真的開發(fā)方法 , 使得硬件電路實現(xiàn)前的功能測試成為可能。 同時硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)提供了有

8、力的保障。其中在Keil uVision2集成開發(fā)環(huán)境下 , 實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計、編譯、調(diào)試, 并最終生成目標(biāo)文件*.hex,而由英國Proteus Labcenter electronics公司所提供的 EDA工具 Proteus 則利用該目標(biāo)文件 *.hex實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路功能的測試。圖 4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路仿真如圖4 所示 , 單片機(jī)AT89C55司職步進(jìn)電機(jī)控制器, 通過運行在KeiluVision2 環(huán)境下所開發(fā)的程序來控制兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 L298, 從而實現(xiàn)對 AXIS_X / AXIS_Y兩軸步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動控制。 L298 驅(qū)動芯片的步進(jìn)脈

9、沖輸入信號來自 AT89C55P0 端口 , 使能信號 ENABLE 與 ENABLE 并聯(lián)接到 AT89C55的、口,由程序控制實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的使能 , 從而避免電機(jī)線圈處于短路狀態(tài)而燒壞驅(qū)動芯片。 4 x 4 鍵盤陣列接 AT89C55的 P1 端口 , 通過程序設(shè)計定義每個按鍵的具體功能。 LCD的數(shù)據(jù)端口 DB0DB7接 AT89C55的 P2 端口 , 控制端口 RS, RW, E 分別接單片機(jī)的 , , 口。相關(guān)的參數(shù)值、 X/Y 軸坐標(biāo)值可以通過 LCD以文本方式顯示。本文采用軟硬件協(xié)同仿真的方法經(jīng)過設(shè)計 à測試 à修正 à再測試一次次迭代開發(fā) ,在制

10、作控制系統(tǒng)硬件電路之前即可實現(xiàn)對系統(tǒng)整機(jī)功能的測試。待系統(tǒng)程序和硬件電路設(shè)計方案最終完善之后便可以實際制作如圖5 所示的硬件電路。顯然該種方法可以顯著提高系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的成功率 , 從而有效降低系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)成本。5 應(yīng)用實例圖 5 即是根據(jù)圖 4 進(jìn)行硬件電路仿真的最終結(jié)果所制作的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路板。該電路驅(qū)動 X/Y 軸步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲桿帶動二維工作臺作聯(lián)動 , 并由一只鉛筆模擬加工刀具將所要加工的二維軌跡描繪出來。圖 5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路圖 6 二維模擬工作平臺運動軌跡6 結(jié)束語本文在分析了傳統(tǒng)的逐點比較插補原理的基礎(chǔ)上提出了一種以最少的參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補方法。實現(xiàn)了一種有效的步進(jìn)電機(jī)變頻調(diào)速的方法。采用系統(tǒng)軟硬件協(xié)同仿真的開發(fā)方法, 使硬件電路實現(xiàn)前的功能測試成為現(xiàn)實 , 從而顯著改善系統(tǒng)開發(fā)的成本和周期。該種方法同樣也可以應(yīng)用于其