1 引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的增量驅(qū)動(dòng)元件，具有快速啟動(dòng)和停止的能力。但大多數(shù)設(shè)計(jì)人員常常習(xí)慣于用邏輯電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)的控制，雖然已經(jīng)取得很大成效，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本高、費(fèi)時(shí)多，而且一旦組成了電路，就很難再改動(dòng)，因此不得不完全重新設(shè)計(jì)控制器。微處理器與微計(jì)算機(jī)的先進(jìn)技術(shù)和低廉的價(jià)格，給步進(jìn)電機(jī)的控制開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的局面[1]。人們完全可以借助于軟件來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜而成本又不高的控制系統(tǒng)，同時(shí)還可以很靈活地通過(guò)改變程序來(lái)改變控制方案。為此，我們基于 89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)控制器用于玻璃管加熱系統(tǒng)。該控制器具有線路簡(jiǎn)潔、性能良好、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 玻璃管加熱器的原理

直徑400mm 的圓盤(pán)上每隔15°有1個(gè)固定器，用于安放直徑3mm，長(zhǎng)度50mm-70mm的玻璃管，圓盤(pán)上方有一個(gè)火焰噴頭，用于對(duì)玻璃管進(jìn)行加熱。先在圓盤(pán)上裝上 24個(gè)玻璃管，開(kāi)機(jī)定位后開(kāi)始工作，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)每轉(zhuǎn)過(guò)15°時(shí)，延時(shí)T秒(T的大小可以設(shè)定為3，4，5三種狀態(tài)，本系統(tǒng)的默認(rèn)值為3，通過(guò)軟件控制可以使時(shí)間偏差小于0.1秒)當(dāng)一個(gè)玻璃管加熱完畢后，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)玻璃管，所用時(shí)間為1秒，通過(guò)軟件可以使定位偏差小于 0.1mm，后重復(fù)上一步工作。機(jī)械傳動(dòng)原理圖主視圖如圖1所示，俯視圖如圖2所示。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)原理圖主視圖

圖2 機(jī)械傳動(dòng)原理圖俯視圖

2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制器的核心采用89C51單片機(jī)，具有4K的可擦除程序存儲(chǔ)器，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展和程序的改進(jìn)。采用P1口的四位作為鍵盤(pán)輸入控制，用K1，K2， K3控制延時(shí)狀態(tài)，K1按下延時(shí)3秒，K2按下延時(shí)4秒，K3按下延時(shí)5秒。K4控制運(yùn)行方向選擇，在順時(shí)針和逆時(shí)針之間進(jìn)行切換。數(shù)碼管采用串行顯示方式，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)給以顯示，LED1顯示顯示方向選擇，“-”表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“|”表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。LED2顯示的是延時(shí)時(shí)間，可顯示3，4，5三種狀態(tài)。參見(jiàn)圖3電氣控制框圖。

圖3 電氣控制框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)的功能分析

控制系統(tǒng)可以按要求來(lái)設(shè)定方向選擇，延時(shí)時(shí)間等，操作者可以方便的觀察控制系統(tǒng)的工作情況。

(1) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最小步距角為1.5°，每轉(zhuǎn)的步數(shù)為240步/轉(zhuǎn);

(2) 圓盤(pán)上15°一個(gè)固定器，一共可以安放24個(gè)玻璃管;

(3) 圓盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)15°的時(shí)間為1秒;

(4) 數(shù)字顯示部分為延時(shí)時(shí)間(可以設(shè)置為3，4，5秒);

(5) 噴頭與圓盤(pán)保持垂直以減少誤差。

3.2 控制系統(tǒng)的主程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)所應(yīng)完成的任務(wù)，設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4所示:

圖4 主程序流程圖

圖4中:

左1:走一步延時(shí)10ms用來(lái)尋找定位點(diǎn)，找到定位點(diǎn)后進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài);

左2:置數(shù)，用于設(shè)置10步一停，240步一判斷;

左3:正常運(yùn)行狀態(tài)，走1步延時(shí)0.1s，10步一停，延時(shí)T(T=3，4，5);

左4:240步為一周，旋轉(zhuǎn)一周后判斷是否有干擾丟步，若有，重新尋找定位點(diǎn)。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)端口及顯示進(jìn)行初始化，顯示清零，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組處于失電狀態(tài)，然后對(duì)數(shù)字鍵和功能鍵的掃描。當(dāng)操作通過(guò)數(shù)字鍵的一個(gè)設(shè)定值后，設(shè)定值以十六進(jìn)制存入RAM單元，再以十進(jìn)制通過(guò)動(dòng)態(tài)LED顯示出來(lái);操作者確認(rèn)后，按下左(或右)行功能鍵，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，延遲的時(shí)間通過(guò)靜態(tài)LED顯示出來(lái)。

3.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)子程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為110BF3-15型，它有三相繞組，向三相繞組輸入脈沖輸入脈沖的順序有三種，分別為單三拍、雙三拍、三相六拍。本系統(tǒng)選擇雙三拍輸入方式。輸入方式是靠軟件來(lái)控制的。雙三拍控制軟件是最簡(jiǎn)單的軟接口之一。首先要以8255A的PA口為輸出口，接著把控制信息送到PA0~PA2中，對(duì)應(yīng)的I/O線為“1”(高電平有效)，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的相繞組通電，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)。要求轉(zhuǎn)子以不同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，三相繞組的通電順序就不同，則相應(yīng)的控制字也就不一樣，雙三拍繞組通電控制信息表如表1[2]。

由表1可知，正反轉(zhuǎn)所需要的信息串為03H→06H→05H→03H，這時(shí)按AB→BC→CA→AB順序通電。反轉(zhuǎn)時(shí)所需的信息串為05H→06H→03H→05H，這是按照順序CA→BC→AB→CA通電。

表2為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不同步相控制方式的控制字(十六進(jìn)制，下同)。

表1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相繞組通電控制信息表

表2 不同步相控制方式的控制字

考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)之后，雙三拍控制軟件清單如下[3]:

DS :MOV A,#00H ;初始化使PA0～PA2為輸出

MOV DPTR,#0C000H ;

MOVX @DPTR,A ;

MOV DPTR,#0C000H ;為AB相通電

MOV A,#03H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時(shí)

MOV DPTR,#0C000H ;為BC相通電

MOV A,#06H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時(shí)

MOV DPTR,#0C000H ;為CA相通電

MOV A,#05H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時(shí)

DELY:MOV 0CH,#0FH ;延時(shí)子程序

RET

以上是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三相繞組正向通電子程序，反向通電子程序類(lèi)似，若要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，只要改變MOV 0CH，#0FH指令中的立即數(shù)的值即可。圖5為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)子程序流程圖:

圖5 正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)操作方便，控制靈活，精確度高，可靠性好，已達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，大大減輕了體力勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作條件。在軟、硬件實(shí)現(xiàn)上為了提高系統(tǒng)的可靠性及精度，均采用了相應(yīng)的抗干擾措施。