步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要:本文應(yīng)用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器為一體的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。二維工作臺(tái)作為被控對(duì)象通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿在X/Y 軸方向聯(lián)動(dòng)。文中討論了一種以最少參數(shù)確定一條圓弧軌跡的插補(bǔ)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(shí)例。關(guān)鍵詞 :步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) , 插補(bǔ)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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn) ,

2、廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)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(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度和位置定位控制。2 圓弧插補(bǔ)改進(jìn)算法逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法因其算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且最大誤差不超過一個(gè)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(bǔ)中 , 為了確定一條圓弧的軌跡 , 可采用 : 給出圓心坐標(biāo)、 起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo) ; 給出半徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo) ;給出圓弧的三點(diǎn)坐標(biāo)等。 在算法實(shí)現(xiàn)時(shí)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(chǔ)器 (RAM)中 , 如果要經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)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(yùn)算 , 往往會(huì)影響到算法的精確度。 因此選取一種簡(jiǎn)單且精確度高的插補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)來確定其他坐標(biāo)。因此只須給出圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo)和圓弧角度就可以確定該圓弧。 如果一個(gè)軸坐標(biāo)用 4 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ) ( 如), 而角度用 2 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ) ( 如 45°), 則只需要 10 個(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元。 現(xiàn)以第 I 象限逆圓弧為例 , 計(jì)算其終點(diǎn)坐標(biāo)。如圖 1 所示 ,(X0,Y0) 為圓弧的起點(diǎn)坐標(biāo) ,(

4、Xe,Ye) 為圓弧的終點(diǎn)坐標(biāo) , 為圓弧的角度。圖 1 圓弧軌跡示意圖圓弧半徑 : ,終點(diǎn)坐標(biāo) :終點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì) 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(yǔ)言的浮點(diǎn)運(yùn)算能精確到 , 按照上面的公式算出的終點(diǎn)坐標(biāo), 雖存在誤差 , 但這個(gè)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(qiáng)、精度高、轉(zhuǎn)速容易控制的特點(diǎn), 但是在實(shí)際運(yùn)行過程中由于啟動(dòng)和停止控制不當(dāng) , 步進(jìn)電機(jī)仍會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)和停止時(shí)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(dòng)和停止時(shí) , 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(shí)間 t, 單位為秒。步進(jìn)電機(jī)以 f0 啟動(dòng)后加速至 t1 時(shí)刻達(dá)到最高運(yùn)行頻率 f, 然后勻速運(yùn)行 , 至 t2 時(shí)刻開始減速 , 在 t5 時(shí)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(yùn)行頻率和從最高運(yùn)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(shí)間與頻率的函數(shù)圖圖 3 離散化的時(shí)間變頻圖采用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制 , 實(shí)際上就是改變輸出脈沖的時(shí)間間隔 , 可采用軟件和硬件兩種方法。軟件方法依靠

6、延時(shí)程序來改變脈沖輸出的頻率 , 其中延時(shí)的長(zhǎng)短是動(dòng)態(tài)的, 該方法因?yàn)橐煌５禺a(chǎn)生控制脈沖, 占用了大量的 CPU時(shí)間 ; 硬件方法是依靠單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的 , 在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后 , 改變定時(shí)常數(shù) ( 定時(shí)器裝載值 ), 從而升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大 , 減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小。這種方法占用 CPU時(shí)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(zhǎng) ) 和編程的方便 , 不需要每步都計(jì)算定時(shí)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(tái)階上升的 , 而且每上升一個(gè)臺(tái)階都要在該臺(tái)階保持一段時(shí)間 , 以克服由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

7、動(dòng)慣量所引起的速度滯后。 只有當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到預(yù)設(shè)值后才能急速加速 , 實(shí)際上也是局部速度誤差的自動(dòng)糾正。4 系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)、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(cè)試 , 若此時(shí)發(fā)現(xiàn)硬件電路存在設(shè)計(jì)問題且必須進(jìn)行修改時(shí)就會(huì)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(shí)現(xiàn)前的功能測(cè)試成為可能。 同時(shí)硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)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(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)、編譯、調(diào)試, 并最終生成目標(biāo)文件*.hex,而由英國(guó)Proteus Labcenter electronics公司所提供的 EDA工具 Proteus 則利用該目標(biāo)文件 *.hex實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路功能的測(cè)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(yùn)行在KeiluVision2 環(huán)境下所開發(fā)的程序來控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì) AXIS_X / AXIS_Y兩軸步進(jìn)電機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制。 L298 驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)脈

9、沖輸入信號(hào)來自 AT89C55P0 端口 , 使能信號(hào) ENABLE 與 ENABLE 并聯(lián)接到 AT89C55的、口,由程序控制實(shí)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(dòng)芯片。 4 x 4 鍵盤陣列接 AT89C55的 P1 端口 , 通過程序設(shè)計(jì)定義每個(gè)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(jì) à測(cè)試 à修正 à再測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)整機(jī)功能的測(cè)試。待系統(tǒng)程序和硬件電路設(shè)計(jì)方案最終完善之后便可以實(shí)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(shí)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(dòng) X/Y 軸步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲桿帶動(dòng)二維工作臺(tái)作聯(lián)動(dòng) , 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(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡6 結(jié)束語(yǔ)本文在分析了傳統(tǒng)的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)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(bǔ)方法。實(shí)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(shí)現(xiàn)前的功能測(cè)試成為現(xiàn)實(shí) , 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