高 琴，劉淑聰，彭宏偉

GAO Qin, LIU Shu-cong, PENG Hong-wei

（防災(zāi)科技學(xué)院 防災(zāi)儀器系，三河 065201）

0 引言

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來進(jìn)行控制的，但此種控制方法工作方式單一而且難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要重新進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)[1]。而且由傳統(tǒng)的觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。為了克服傳統(tǒng)控制器的缺點(diǎn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)新的控制要求，在此需要采用一種以單片機(jī)為核心的新型控制器。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其最大特點(diǎn)就是通過輸入脈沖信號(hào)來進(jìn)行控制，電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定，因此適合于單片機(jī)控制，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分：硬件部分和軟件部分。硬件部分的設(shè)計(jì)包括脈沖發(fā)生模塊、電流放大模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊四個(gè)部分。軟件部分的設(shè)計(jì)包括鍵盤掃描模塊、脈沖發(fā)出模塊、液晶顯示模塊、延時(shí)模塊和加減速模塊等。

本文使用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42H33H-1334A,最小電壓為2.8V,最小電流為1.33A,電阻為2.1Ω，電感為2.5H，靜轉(zhuǎn)矩2.2kg·cm[3]。采用AT89S52單片機(jī)、1602液晶顯示屏、4×4矩陣鍵盤分別進(jìn)行控制運(yùn)算、顯示、控制輸入。硬件部分設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 脈沖發(fā)生模塊

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖是由單片機(jī)產(chǎn)生的。在這采用P1.7，P1.6，P1.3，P1.2分別對(duì)步進(jìn)電機(jī)的A,A'、B,B'端口輸入脈沖。脈沖的頻率通過軟件來設(shè)定。

兩相四線步進(jìn)電機(jī)的工作方式有[4]：

1）兩相四拍：A- B - A'-B'-A-......;

2）兩相雙四拍：AB-BA'-A'B'-B'A-AB-......;

3）兩相八拍：A-AB-B-BA'-A'-A'B'-B'-B'A-A-......;

本文采用兩相八拍。其工作方式通電換相的相序如上3）所示，共8個(gè)狀態(tài)。如果P1口輸出的控制信號(hào)中，用“0”和“l(fā)”分別代表繞組通電和斷電，則可用8個(gè)控制字來對(duì)應(yīng)這8個(gè)狀態(tài)。在程序中，只要依次將這8個(gè)控制字送到Pl口，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。程序可根據(jù)這個(gè)原理來設(shè)計(jì)。

1.2 電流放大模塊

本文采用的驅(qū)動(dòng)芯片是L298N芯片。L298N是高電壓，大電流雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片，L298N有單極性和雙極性兩種工作方式，本方案選用單極性工作方式，通過單片機(jī)控制L298N，使得從單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)過L298N電流放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在這使用P1.0，P1.1， P1.4，P1.5控制L298N的使能端口，在單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖前全部置為高電平——使能。根據(jù)L298N的原理，將4路驅(qū)動(dòng)脈沖都分別通過兩個(gè)端口輸入，兩個(gè)端口輸出，最后并聯(lián)，以提高步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流。部分電路如圖2所示。

圖2 電流放大電路連接圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成鍵盤掃描、液晶顯示、控制L298N使能端和脈沖輸出。主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。適當(dāng)使各項(xiàng)功能模塊化。為了節(jié)省單片機(jī)CPU資源，合理利用單片機(jī)定時(shí)器控制脈沖的頻率，改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)以上分析得到的程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.1 中斷的使用和基本定時(shí)

在本設(shè)計(jì)中，使用中斷2進(jìn)行最基本的定時(shí)—10μs。使得脈沖頻率方便改變。以下是選用中斷2、計(jì)時(shí)初始化和啟動(dòng)中斷2的語句：

2.2 定時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖程序

首先，將需要發(fā)出的脈沖以十六進(jìn)制數(shù)型式存入數(shù)組。然后根據(jù)所設(shè)定的脈沖頻率，逐個(gè)輸出數(shù)組內(nèi)的數(shù)到P1口，即產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。部分程序如下：

定義數(shù)組：

unsigned char code Z_Rotation[8]={0xB3,0xBB,0x3B,0x7B,0x73,0x77,0x37,0xB7};

unsigned char code F_Rotation[8]={0xB3,0xB7,0x37,0x77,0x73,0x7B,0x3B,0xBB};

2.3 液晶顯示程序模塊

本設(shè)計(jì)采用的是常用的1602液晶屏，所以有較固定的程序模塊。部分程序如下：

給液晶寫指令聲明:

2.4 加減速控制程序

步進(jìn)電機(jī)的加減速只需要控制它的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時(shí)間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時(shí)間[5]。靈活使用變量，可降低程序的書寫難度。在這里，su為設(shè)定中斷的次數(shù)，控制脈沖的輸出時(shí)間；num2為電機(jī)速度級(jí)狀態(tài)變量，說明需要多長時(shí)間的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間。程序說明如下：

當(dāng)最低速時(shí)，num2=1，su=500；

當(dāng)次低速時(shí)，num2=2，su=200；

當(dāng)中速時(shí)，num2=3，su=100；……

3 步進(jìn)電機(jī)在地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)模型中的應(yīng)用

理論分析和震害現(xiàn)象表明，高層建筑物結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)由于地面質(zhì)量間運(yùn)動(dòng)的差別，可使地面的每一部分不僅產(chǎn)生平動(dòng)分量，而且產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)分量[6]。這種轉(zhuǎn)動(dòng)分量迫使高層建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，還可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。震害表明，扭轉(zhuǎn)作用會(huì)加重結(jié)構(gòu)的破壞，造成地表和建筑物的破壞。同時(shí)隨著震害經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，人們逐漸認(rèn)識(shí)到在進(jìn)行抗震分析時(shí)僅僅考慮單分量作用是不夠的，多分量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是不可忽視的。然而現(xiàn)今的地震記錄中，實(shí)際可靠的地震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分量記錄的強(qiáng)震觀測(cè)還沒有獲得突破[7]。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度。由于步進(jìn)電機(jī)獨(dú)特的工作方式，本設(shè)計(jì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)角位移控制，通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的角位移分量模擬地震時(shí)對(duì)高層建筑物的扭轉(zhuǎn)分量，模擬地震對(duì)建筑物的破壞程度，對(duì)地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)的模型進(jìn)行了初步探究。

4 結(jié)束語

本文在分析步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了簡單實(shí)用，以AT89S52單片機(jī)作為控制器的控制系統(tǒng)硬件電路和運(yùn)行軟件。系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，又能實(shí)現(xiàn)分五個(gè)檔進(jìn)行調(diào)速；軟件有效的節(jié)約了硬件資源，同時(shí)系統(tǒng)易于拓展，該系統(tǒng)在地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺(tái)的模型研究中已取得了初步的應(yīng)用。然而，本文只就步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速這幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了部分設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗干擾性方面、角度控制方面還有待于進(jìn)一步的探究。

[1]史敬灼.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2]余世超,高志,邵鵬.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].煤礦機(jī)械.2010.31(5):210-212.

[3]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[4]孟武勝,李亮.基于AT89C52單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī).2007.40(3):64-66.

[5]巫傳專,王小雪.控制電機(jī)及其應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.