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1　概述
    步進(jìn)電機自動定位系統(tǒng)的主要特點是能實現(xiàn)精確移位、精確定位、無積累誤差。它一般應(yīng)用于難度較大、要求精度高的繪圖機或數(shù)控機床等系統(tǒng)中。單片機控制步進(jìn)電機自動定位系統(tǒng)的主要優(yōu)點是:
⑴用軟件代替由硬件電路組成的步進(jìn)電機控制器,不僅簡化了線路,降低了成本,而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
⑵為改善步進(jìn)電機以低于極限啟動頻率恒速運行時,運行時間過長的缺點,進(jìn)行加減速控制;步進(jìn)電機從低速不失步地加速啟動,達(dá)到高速恒速運行;在將達(dá)到目標(biāo)位置時,步進(jìn)電機減速運行,最后準(zhǔn)確的停在目標(biāo)位置上,而不會發(fā)生過沖現(xiàn)象。這就要求單片機控制的步機電機有加減速控制過程。
⑶微機通過RS232串口實現(xiàn)對單片機的多機通訊,能實時遠(yuǎn)距離監(jiān)控由步進(jìn)電機驅(qū)動的工作臺,并實時顯示工作臺當(dāng)前運行位置和方向。
    系統(tǒng)的工作過程是:從鍵盤和鼠標(biāo)輸入定點坐標(biāo)(X、Y)后,微機通過串口向各單片機發(fā)出指令,各單片機接受到指令后,由單片機軟件控制X電機和Y電機的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動步數(shù)、轉(zhuǎn)動速度,達(dá)到自動定位的目的。系統(tǒng)所用電機為75BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電機(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
    硬件線路是由單片機、接口電路、光耦電路、驅(qū)動電路、直流電壓源電路、步進(jìn)電機及負(fù)載組成,見圖1。單片機采用89C51芯片,接口線路中采用74LS377為輸出口,1Q-3Q接電機的三相。光電隔離電路的目的是割斷驅(qū)動電路與單片機之間的聯(lián)系,避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障造成功率放大器中的高電平信號進(jìn)入單片機而燒毀器件,為此,在驅(qū)動器與單片機之間加一級以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,要求能通過大電流,可選用整流二極管IN5402。單片機與電機—相的連接見圖2。
 
圖1　單片機硬件線路圖
 
圖2　單片機與電機一相的連接圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要任務(wù)是判斷電機的轉(zhuǎn)動方向、速度和位置,按順序發(fā)出控制脈沖、判斷電機是否運行至定位點。由于兩個電機的控制完全類似,程序中僅介紹控制一個步進(jìn)電機的情況。兩電機正轉(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)生時序脈沖的方法是:用單片機的PI口通過MOV@R0,A,寫脈沖序列給74LS377;在由74L377控制電機的A、B、C三相繞組。根據(jù)三相六拍運行方式,則X電機和Y電機的控制模型為01H、03H、02H、06H、04H、05H。以三相六拍運行方式采用定時器延時的方法來編寫升(降)頻的控制程序。
 
圖3　單片機變頻控制程序圖
    在升頻段,設(shè)置定時器的初值由小到大,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。定時器T0的各頻階初值依次寫在EPROM存儲器的同一頁中,上半頁為升頻時T0的初值,下半頁為降頻時的初值。系統(tǒng)的主程序見圖4,單片機串口子程序見圖5。
    單片機通過串口接收到微機的指令后,執(zhí)行相應(yīng)子程序(圖5)。微機通過兩種方式發(fā)送指令:一種是非周期性指令,通常為操作者實時控制指令;另一種是周期性指令,要求單片機實時返回工作臺當(dāng)前位置及運行狀態(tài)。單片機串口中斷子程序接收指令后直接回送給微機,微機可以實時顯示工作臺當(dāng)前位置。
 
圖4　單片機主程序框圖
 
圖5　單片機串口子程序圖

4　實驗結(jié)果及結(jié)論
    經(jīng)聯(lián)機調(diào)試,系統(tǒng)運行正常,實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速、暫停等自動定位功能,達(dá)到設(shè)計要求。其特點如下:
⑴用89C51單片機微機系統(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)運行速度,可以節(jié)約大量時間,并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
⑶采用RS232通訊口,實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的通用性設(shè)計和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
⑷軟件采用模塊化設(shè)計方法,易于維護(hù)。