步進(jìn)電機一體化控制系統的設計

　　1 引言

　　作為一種數字伺服執行元件，步進(jìn)電機具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用在數控機床、機器人、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。為了實(shí)現步進(jìn)電機的簡(jiǎn)易運動(dòng)控制，一般以單片機作為控制系統的微處理器，通過(guò)步進(jìn)電機專(zhuān)用驅動(dòng)芯片實(shí)現步進(jìn)電機的速度和位置定位控制。

　　2 圓弧插補改進(jìn)算法

　　逐點(diǎn)比較插補算法因其算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現且最大誤差不超過(guò)一個(gè)脈沖當量，在步進(jìn)電機的位置控制中應用的相當廣泛[1>。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、起點(diǎn)坐標和終點(diǎn)坐標;給出半徑、起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標;給出圓弧的三點(diǎn)坐標等。在算法實(shí)現時(shí)這些參數若要存放在單片機內部資源有限的數據存儲器(RAM)中，如果要經(jīng)過(guò)復雜的運算才能確定一段圓弧，不但給微處理器帶來(lái)負擔，而且要經(jīng)過(guò)多步運算，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(wú)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(lái)確定其他坐標。因此只須給出圓弧的起點(diǎn)坐標和圓弧角度就可以確定該圓弧。如果一個(gè)軸坐標用4個(gè)字節存儲(如12.36)，而角度用2個(gè)字節存儲(如45°)，則只需要10個(gè)字節即可確定一段二維的圓弧。較之起其他方法，最多可節省14個(gè)存儲單元?，F以第I象限逆圓弧為例，計算其終點(diǎn)坐標。如圖1所示，(X0，Y0)為圓弧的起點(diǎn)坐標，(Xe，Ye)為圓弧的終點(diǎn)坐標，θ為圓弧的角度。

　　圖1 圓弧軌跡示意圖

　　圓弧半徑：

　　終點(diǎn)坐標：

　　終點(diǎn)坐標相對X軸的角度：

　　本系統要求輸入的角度精確到1度，輸入坐標的分辨率是0.01，單片機C語(yǔ)言的浮點(diǎn)運算能精確到0.000001，按照上面的公式算出的終點(diǎn)坐標，雖存在誤差，但這個(gè)誤差小于1%，能夠滿(mǎn)足所要求的精確度。

　　3 步進(jìn)電機的變頻調速

　　雖然步進(jìn)電機具有快速啟停能力強、精度高、轉速容易控制的特點(diǎn)，但是在實(shí)際運行過(guò)程中由于啟動(dòng)和停止控制不當，步進(jìn)電機仍會(huì )出現啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)和停止時(shí)過(guò)沖的現象，從面影響系統的控制精度。尤其是步進(jìn)電機工作在頻繁啟動(dòng)和停止時(shí)，這種現象就更為明顯[2>。為此本文提出了一種基于單片機控制的步進(jìn)電機加減速離散控制方法。加減速曲線(xiàn)如圖2 所示，縱坐標是頻率 f，單位為脈沖/秒或步/秒。橫坐標時(shí)間 t，單位為秒。步進(jìn)電機以 f0 啟動(dòng)后加速至 t1 時(shí)刻達到最高運行頻率 f，然后勻速運行，至 t2 時(shí)刻開(kāi)始減速，在 t5 時(shí)刻電機停轉，總的步數為 N。其中電機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)間與頻率的函數圖

　　圖3 離散化的時(shí)間變頻圖

　　采用單片機對步進(jìn)電機進(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。軟件方法依靠延時(shí)程序來(lái)改變脈沖輸出的頻率，其中延時(shí)的長(cháng)短是動(dòng)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(shí)間;硬件方法是依靠單片機內部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現的，在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后，改變定時(shí)常數(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)電機調速方法?？紤]到單片機資源(字長(cháng))和編程的方便，不需要每步都計算定時(shí)器裝載值。如圖3所示，采用離散方法將加減速曲線(xiàn)離散化。離散化后速度是分臺階上升的，而且每上升一個(gè)臺階都要在該臺階保持一段時(shí)間，以克服由于步進(jìn)電機轉子轉動(dòng)慣量所引起的速度滯后。只有當實(shí)際運行速度達到預設值后才能急速加速，實(shí)際上也是局部速度誤差的自動(dòng)糾正。

　　4 系統軟硬件協(xié)同設計

　　對于51系列單片機的軟件開(kāi)發(fā)，傳統的方法是在PC機上采用Keil等開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行程序設計、編譯、調試，待程序調試通過(guò)之后生成目標文件下載至單片機硬件電路再進(jìn)行硬件調試[3>。這種方法只有硬件電路完成之后才能進(jìn)行系統功能測試，若此時(shí)發(fā)現硬件電路存在設計問(wèn)題且必須進(jìn)行修改時(shí)就會(huì )顯著(zhù)影響系統開(kāi)發(fā)的成本和周期。為此，本文采用了系統軟硬件協(xié)同仿真的開(kāi)發(fā)方法，使得硬件電路實(shí)現前的功能測試成為可能。同時(shí)硬件電路的軟件化仿真為硬件電路的設計與實(shí)現提供了有力的保障。其中在Keil uVision2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，實(shí)現步進(jìn)電機控制系統的程序設計、編譯、調試，并最終生成目標文件 *.hex，而由英國Proteus Labcenter electronics公司所提供的EDA工具Proteus則利用該目標文件 *.hex 實(shí)現對步進(jìn)電機控制系統硬件電路功能的測試。

　　圖4 步進(jìn)電機控制系統硬件電路仿真

　　如圖4所示，單片機AT89C55司職步進(jìn)電機控制器，通過(guò)運行在Keil uVision2 環(huán)境下所開(kāi)發(fā)的程序來(lái)控制兩個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片L298，從而實(shí)現對AXIS_X / AXIS_Y兩軸步進(jìn)電機的聯(lián)動(dòng)控制。L298驅動(dòng)芯片的步進(jìn)脈沖輸入信號來(lái)自AT89C55 P0端口，使能信號ENABLE A與ENABLE B并聯(lián)接到AT89C55的P3.0、P3.1口，由程序控制實(shí)現步進(jìn)電機的使能，從而避免電機線(xiàn)圈處于短路狀態(tài)而燒壞驅動(dòng)芯片。4 x 4鍵盤(pán)陣列接AT89C55的P1端口，通過(guò)程序設計定義每個(gè)按鍵的具體功能。LCD的數據端口DB0～DB7接AT89C55的P2端口，控制端口RS, RW, E分別接單片機的P3.5, P3.6, P3.7口。相關(guān)的參數值、X/Y軸坐標值可以通過(guò)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(guò)設計à測試à修正à再測試一次次迭代開(kāi)發(fā)，在制作控制系統硬件電路之前即可實(shí)現對系統整機功能的測試。待系統程序和硬件電路設計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(zhù)提高系統軟硬件開(kāi)發(fā)的成功率，從而有效降低系統的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本。

　　5 應用實(shí)例

　　圖5即是根據圖4進(jìn)行硬件電路仿真的最終結果所制作的步進(jìn)電機控制系統電路板。該電路驅動(dòng)X(jué)/Y軸步進(jìn)電機通過(guò)滾珠絲桿帶動(dòng)二維工作臺作聯(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(lái)。

　　圖5步進(jìn)電機控制系統硬件電路

　　圖6 二維模擬工作平臺運動(dòng)軌跡