基于单片机的步进电机加减速器控制系统设计

基于单片机的步进电机加减速器控制系统设计

0步进电机驱动技术渐进电机是直接将数据信息转换为角位移的控制元件，具有精确的渐进、快速启动和简单控制的特点。在步进电机驱动技术上,一方面由于采用了斩波恒流控制、正弦脉宽调制(Sin-WavePulseWidthModulation,SPWM)、细分技术及最佳升降频控制,大大提高了步进电机的运行快速性和运动精度1电机显示控制部分滚子研磨机步进电机控制系统的功能设计如图1所示,主要包括控制部分和显示部分。控制部分包括加减速控制、电机换向控制和电机转速控制,显示部分包括电机转速显示和加工时间显示。该系统采用单片机控制两个步进电机,一个电机驱动工作台的往复移动,另一个电机驱动工件做旋转运动。用LCD显示步进电机转速,用数码管显示加工时间。2系统的主要组成部件滚子研磨机使用常州合泰电机电器公司生产的86BYGX450C两相混合式步进电机,该电机使用+68V直流电源,步距角1.8°,电机线圈由八相组成。根据同时控制两个步进电机的需求以及LED、LCD显示的要求,选用STC89C52单片机。该单片机是一种低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8KB可反复写的FlashRom和128Byte的RAM,2个16位定时器。内部主要包括累加器ACC、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、寄存器、并行I/O接口P0~P3、定时器/计数器、串行I/O接口及定时控制逻辑电路等,这些部件通过内部总线连接起来,构成了一个完整的微型计算机。图2为STC89C52单片机引脚图。步进电机的工作电压为68V,最大电流为8.28A,配套选用SD-2H086MB驱动器,该驱动器具有高度的抗干扰性及快速的响应性,从根本上解决了步进电机低速爬行、存在共振区、噪声大、高速力矩小、起动频率低及驱动器可靠性差等缺点。虽然步进电机已经配备了驱动器,但如果直接将单片机端口和驱动器控制接口相连接,端口电压将被拉到0V,因此仅靠单片机端口仍旧不能驱动驱动器,必须在单片机系统中增设驱动装置。本文采用的是专用驱动芯片,芯片驱动作为高度工业产品,具有可靠性高、驱动能力强、适用性好的特点,而且使用方便。在这里采用差分电路驱动芯片26LS31,根据步进电机控制需要,需要驱动电机1的脉冲发出端口P1.0,电机1的方向信号端口P1.1,电机1驱动器的使能信号端口P1.2,电机2的脉冲信号端口P1.3,电机2驱动器的使能信号端口P1.4(电机2方向信号不接,电机转向不变)。驱动器的接线图如图3所示,连接电路如图4所示。3系统的实现3.1加减速曲线模型为解决工作台换向时的冲击问题,本文运用加减速的方法对步进电机起动、停止时的速度进行控制,而且希望被控电机运转越平稳越好;另外,在基于微处理器的数字控制中,要求控制算法具有较好的可实现性。加减速的实质就是速度变化的过渡过程,即在起动阶段通过控制频率以一定的规律逐渐增加,使速度平稳增加到预定值;在停止阶段,控制频率以一定的规律逐渐减小,使速度平稳减小到0。通常采用的加减速算法主要有梯形曲线、指数曲线和S曲线(1)梯形曲线的速度和加速度曲线如图5所示。对于梯形速度曲线来说,电机起动后做匀加速运动,达到预定速度后,电机匀速运行;电机停止时,做匀减速运动,直到速度减为0。梯形曲线的特点是:算法简单,占用机时少、响应快、效率高,实现起来比较方便。但起始加速度较大,很容易引起冲击;速度过渡不够平稳,运动精度低;在减速阶段,梯形加减速会出现“尾巴”现象,实际应用较少。(2)指数加减速模型是传统数控系统中较为常用的方法之一,其速度曲线是一条指数曲线。该模型中速度曲线按指数规律变化,加速度变化规律函数和速度变化规律函数互为反函数。指数加减速运动规律如图6所示。指数加减速的特点是:速度的平滑性好,运动精度高;起动、停止过程的反应时间都比较短,快速性比较突出;原始模型计算量较大,算法较为复杂,占机时间长;初始加速度大,容易引起机械部件的冲击,并且在起点、终点有柔性冲击,从而限制了加速度的提高。(3)S曲线不是固定算法的加减速形式,只是由于其加减速段的速度曲线呈S形而得名。图7为S曲线的速度、加速度曲线图形。从图中可以看出,加速阶段分为a、b、c三个阶段。在a阶段,加速度以线性方式增加,速度以抛物线方式增加;在b阶段,加速度为定值,速度以线性方式增加;在c阶段,加速度以线性方式减小,速度以抛物线方式增加到规定速度。d为匀速阶段。e、f、g阶段为减速阶段,与a、b、c三个阶段正好相反。S曲线加减速过程由几个不同的阶段组成,调整不同阶段的参数得到不同性能的加减速特性,应用灵活;另外,S曲线的加减速平稳,柔性、快速性较好,是一种综合性能比较突出的加减速模型,在各种数控系统中应用较多。通过对以上三种曲线的分析,该系统选用S曲线的加减速模型实现对步进电机的控制。3.2s-s曲线的实现下面着重介绍加速过程中加加速、匀加速和减加速阶段的设计在初始化S曲线(最大加速度A3.3s曲线控制电机减速、加速过程在该系统中,采用单片机与行程开关相结合的方式控制工作台的移动方向,具体的执行步骤是:工作台开始从零增加到规定的速度,然后匀速运动,当挡块触到行程开关时,单片机开始执行换向程序,即按照S曲线控制电机的减速、加速过程。这种换向方式,既可以避免机械系统换向时的冲击,又能保证工作台不会因单片机的程序出错而出现故障。3.4系统操作需设置的减速器功能步进电机的转速控制及其显示是指调整、控制两个步进电机的工作转速,并分别显示设定转速,以方便研磨机的操作。步进电机的转速在程序中已经以数组的形式给出,只需要通过键盘按钮来选择就可以了。因此需要设置如下按键以控制设备:选择/输入按键、确定/开始按键、通过输入/选择按键选择研磨需要的转速,然后再按确定/开始按键来确定研磨所需要的转速;另外两个按键是为研磨加工而设定的,一个为急停按钮,另一个为停止按钮。图9为按键示意图;图10为按键输入电机转速流程图。系统显示采用型号为1602的LCD,1602可以显示两行,每行16个字符,满足显示需求。1602的数据传输通过8位数据线,恰好占用单片机的一个端口,同时控制信号有3个,分别为寄存器选择(RS)、读写控制(RW)和起用(E)。显示主要是显示系统工作中的各个状态、提示输入、转速确定。3.5稳定性能集成系统的纺粘设备,引起做数码管生长的原因a系统选用数码管动态显示加工时间,时间控制用STC89C52中的定时器2。数码管的时钟显示原理是动态显示,动态显示一次只显示一个数码管,每位数码管的显示时间为1~2ms,由于人的视觉暂留和数码管的余晖效应,看上去每一位数码管都是亮的。动态显示解决了端口不足和显示变化的问题。所有数码管的段选(a,b,c,d,e,f,g,dp)都分别连在一起,然后连接到对应的控制端口位,每位数码管的选通信号单独连接到对应的数码管COM端即可。通过该系统的研究,得到以下结论:(1)在STC89C52单片机控制器上完成的步进电机控制系统开发,验证了单片机作为最常用的微控制器在数控系统开发方面具有简单、实用、经济、可靠的特点,是开发小型控制系统的理想选择。(2)S曲线加减速模型可以较好