1　概述
    步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)精確移位、精確定位、無(wú)積累誤差。它一般應(yīng)用于難度較大、要求精度高的繪圖機(jī)或數(shù)控機(jī)床等系統(tǒng)中。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:
⑴用軟件代替由硬件電路組成的步進(jìn)電機(jī)控制器,不僅簡(jiǎn)化了線路,降低了成本,而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
⑵為改善步進(jìn)電機(jī)以低于極限啟動(dòng)頻率恒速運(yùn)行時(shí),運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn),進(jìn)行加減速控制;步進(jìn)電機(jī)從低速不失步地加速啟動(dòng),達(dá)到高速恒速運(yùn)行;在將達(dá)到目標(biāo)位置時(shí),步進(jìn)電機(jī)減速運(yùn)行,最后準(zhǔn)確的停在目標(biāo)位置上,而不會(huì)發(fā)生過(guò)沖現(xiàn)象。這就要求單片機(jī)控制的步機(jī)電機(jī)有加減速控制過(guò)程。
⑶微機(jī)通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的多機(jī)通訊,能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離監(jiān)控由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái),并實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)當(dāng)前運(yùn)行位置和方向。
    系統(tǒng)的工作過(guò)程是:從鍵盤和鼠標(biāo)輸入定點(diǎn)坐標(biāo)(X、Y)后,微機(jī)通過(guò)串口向各單片機(jī)發(fā)出指令,各單片機(jī)接受到指令后,由單片機(jī)軟件控制X電機(jī)和Y電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)速度,達(dá)到自動(dòng)定位的目的。系統(tǒng)所用電機(jī)為75BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(其相數(shù)為三相,步距角1.5°/3°,直流電壓為24V,相電流為3A)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件線路是由單片機(jī)、接口電路、光耦電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流電壓源電路、步進(jìn)電機(jī)及負(fù)載組成,見圖1。單片機(jī)采用89C51芯片,接口線路中采用74LS377為輸出口,1Q-3Q接電機(jī)的三相。光電隔離電路的目的是割斷驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)之間的聯(lián)系,避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障造成功率放大器中的高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件,為此,在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間加一級(jí)以4N25為主要元件的光電隔離電路,從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。T1采用了高速開關(guān)三級(jí)管3DK4B,T2選用了TIP41C大功率晶體管。RS、RC、D1構(gòu)成了泄放回路。尤其需要注意的是:由于該電阻功耗較大,最好選用大瓦數(shù)線繞電阻;RC為限流電阻,RC=8Ω;D1為泄放二級(jí),要求能通過(guò)大電流,可選用整流二極管IN5402。單片機(jī)與電機(jī)—相的連接見圖2。
 
圖1　單片機(jī)硬件線路圖
 
圖2　單片機(jī)與電機(jī)一相的連接圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度和位置,按順序發(fā)出控制脈沖、判斷電機(jī)是否運(yùn)行至定位點(diǎn)。由于兩個(gè)電機(jī)的控制完全類似,程序中僅介紹控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的情況。兩電機(jī)正轉(zhuǎn)的控制脈沖是:A-AB-B-BC-C-CA,反轉(zhuǎn)控制脈沖順序與之相反。產(chǎn)生時(shí)序脈沖的方法是:用單片機(jī)的PI口通過(guò)MOV@R0,A,寫脈沖序列給74LS377;在由74L377控制電機(jī)的A、B、C三相繞組。根據(jù)三相六拍運(yùn)行方式,則X電機(jī)和Y電機(jī)的控制模型為01H、03H、02H、06H、04H、05H。以三相六拍運(yùn)行方式采用定時(shí)器延時(shí)的方法來(lái)編寫升(降)頻的控制程序。
 
圖3　單片機(jī)變頻控制程序圖
    在升頻段,設(shè)置定時(shí)器的初值由小到大,逐次按預(yù)定的頻階上升(圖4);在降頻段,設(shè)置定時(shí)器的初值由大到小,逐次按預(yù)定(圖5)的頻階下降,控制按查詢表格的方式進(jìn)行。恒頻段步長(zhǎng)L由到達(dá)指定位置總步數(shù)減去升降段總步數(shù)確定。定時(shí)器T0的各頻階初值依次寫在EPROM存儲(chǔ)器的同一頁(yè)中,上半頁(yè)為升頻時(shí)T0的初值,下半頁(yè)為降頻時(shí)的初值。系統(tǒng)的主程序見圖4,單片機(jī)串口子程序見圖5。
    單片機(jī)通過(guò)串口接收到微機(jī)的指令后,執(zhí)行相應(yīng)子程序(圖5)。微機(jī)通過(guò)兩種方式發(fā)送指令:一種是非周期性指令,通常為操作者實(shí)時(shí)控制指令;另一種是周期性指令,要求單片機(jī)實(shí)時(shí)返回工作臺(tái)當(dāng)前位置及運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)串口中斷子程序接收指令后直接回送給微機(jī),微機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)當(dāng)前位置。
 
圖4　單片機(jī)主程序框圖
 
圖5　單片機(jī)串口子程序圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
    經(jīng)聯(lián)機(jī)調(diào)試,系統(tǒng)運(yùn)行正常,實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速、暫停等自動(dòng)定位功能,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其特點(diǎn)如下:
⑴用89C51單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng),以軟硬件結(jié)合,可降低成本,節(jié)約能源。
⑵采用變頻控制,提高系統(tǒng)運(yùn)行速度,可以節(jié)約大量時(shí)間,并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
⑶采用RS232通訊口,實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的通用性設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
⑷軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,易于維護(hù)。