曲 娜 ，周 鵬 ，程鳳芹 ，于秋紅

（1.吉林建筑工程學(xué)院 城建學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130111；2.吉林省水文水資源局長(zhǎng)春分局，吉林 長(zhǎng)春 130061）

由于社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求更加強(qiáng)烈，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，采用傳統(tǒng)的普通加工設(shè)備已難以適應(yīng)高效率、高質(zhì)量、多樣化的加工要求.由于步進(jìn)電機(jī)在速度和位置上的控制優(yōu)勢(shì)，使得由步進(jìn)電機(jī)控制的切割機(jī)床等生產(chǎn)機(jī)床能夠更加準(zhǔn)確和便捷的完成任務(wù)，使得生產(chǎn)能夠更快更好的滿足市場(chǎng)的需求.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在數(shù)控車(chē)床和機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較廣泛.在現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)中，尤其是在航空航天、電子系統(tǒng)控制等領(lǐng)域中，要完成任務(wù)復(fù)雜，精度要求高等大工作量的機(jī)電控制，以及一些人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，且很難達(dá)到要求的精度，還有一些有害于人體健康的或人類(lèi)無(wú)法完成或到達(dá)的工作環(huán)境，這就需要數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人控制來(lái)完成這些任務(wù).此外，在辦公自動(dòng)化設(shè)備中也涉及到步進(jìn)電機(jī)的使用，如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制、繪圖儀和復(fù)印機(jī)等.

1 基于步進(jìn)電機(jī)控制的平面切割模型

步進(jìn)電機(jī)是伺服系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件，它能夠?qū)⒉竭M(jìn)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，有很好的控制性能，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)及其它運(yùn)行方式的改變均能夠在給定的脈沖信號(hào)內(nèi)完成，而且控制精度很高，因此在數(shù)控機(jī)床控制及自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用.

目前，控制步進(jìn)電機(jī)的方式有很多種，有基于傳統(tǒng)工控計(jì)算機(jī)控制的，也有用PLC控制的，而單片機(jī)控制是介于傳統(tǒng)工控計(jì)算機(jī)和PLC控制之間的一種較新型控制器，基于單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)控制功能強(qiáng)，適應(yīng)性和靈活性好，成本低廉，正逐步發(fā)展為步進(jìn)電機(jī)的主要控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得步進(jìn)電機(jī)的控制方式由模擬式逐步向以單片機(jī)為核心數(shù)字式轉(zhuǎn)變.

與傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制器相比較，步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用了微型機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)控制器，把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實(shí)現(xiàn)對(duì)方向的控制.步進(jìn)電機(jī)控制器主要是用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前速度進(jìn)行采集處理，產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)控制脈沖，在外部設(shè)備LCD上顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)，并完成與上位機(jī)軟件通信.對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制器，本設(shè)計(jì)選AT89S52作為系統(tǒng)控制的方案.

（2）負(fù)載沒(méi)有超過(guò)步進(jìn)電機(jī)的范圍時(shí)，每個(gè)步進(jìn)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角度.步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是以一個(gè)固定的角度運(yùn)行的.可以通過(guò)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角位移量的控制，從而達(dá)到定位的準(zhǔn)確性；同時(shí)如果進(jìn)行加減速的控制，可以通過(guò)對(duì)脈沖頻率的控制來(lái)實(shí)現(xiàn).

（3）根據(jù)步距角度的大小及實(shí)際步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)，只要確定了初始位置，就可以確定步進(jìn)電機(jī)的最終運(yùn)動(dòng)位置.步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)組成如下：

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制的一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的工作原理是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)中每一相線圈的電流和順序切換來(lái)使步進(jìn)電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn).步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式是由脈沖信號(hào)來(lái)控制，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)頻率的調(diào)節(jié)來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速.因此，本系統(tǒng)采用微電腦控制步進(jìn)電機(jī).

圖1 用微型機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)圖

基于步進(jìn)電機(jī)控制的平面切割模型采用單片機(jī)作為控制器，控制器主要用于控制電機(jī)，并對(duì)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行處理，控制電機(jī)移動(dòng)方向.通過(guò)電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛物位置的精確測(cè)量，電機(jī)收放力矩長(zhǎng)度會(huì)通過(guò)多圈電位器轉(zhuǎn)換成電壓值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)；反射式光電傳感器對(duì)預(yù)設(shè)定曲線進(jìn)行檢測(cè)，以脈沖信號(hào)的形式送入單片機(jī)，同時(shí)按鍵信號(hào)送入單片機(jī)對(duì)物體進(jìn)行設(shè)置校正以及軌跡參數(shù)設(shè)定，控制器對(duì)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理，將控制信號(hào)輸送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,使物體的運(yùn)動(dòng)軌跡得以控制.項(xiàng)目中擬引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對(duì)誤差進(jìn)行修正.以達(dá)到對(duì)物體的控制和對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位.

2 基于步進(jìn)電機(jī)控制的平面切割模型的具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1 系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制部分，電機(jī)模塊、LCD顯示模塊，語(yǔ)音播報(bào)、鍵盤(pán)輸入模塊等幾大部分構(gòu)成的一個(gè)基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng).在系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，進(jìn)而完成運(yùn)動(dòng)點(diǎn)在平面內(nèi)預(yù)定軌跡的控制.在控制系統(tǒng)中，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制步進(jìn)電機(jī)，把控制裝置發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的角位移.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比.總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.

圖2 系統(tǒng)方案框圖

2.2 X、Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式

為了保證傳動(dòng)過(guò)程中的精度和平穩(wěn)性，以及整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，系統(tǒng)采用滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)副.為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu).

由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和中提系統(tǒng)負(fù)荷不大，因此選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，這樣選擇的優(yōu)勢(shì)在于減少工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高整體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性.從電機(jī)步距角按標(biāo)準(zhǔn)選取考慮，結(jié)合分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，系統(tǒng)采用齒輪減速傳動(dòng)，系統(tǒng)框圖如下：

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制XY軸系統(tǒng)總體框圖

2.3 設(shè)計(jì)方案中需要解決的問(wèn)題

本方案主要包括步進(jìn)電機(jī)的控制和曲線運(yùn)動(dòng)控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)，并最終由單片機(jī)等硬件，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制切割器在固定平面內(nèi)進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng).模型中首先要研究切割點(diǎn)在固定平面內(nèi)的曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)給定運(yùn)動(dòng)的曲線形式和速度變化形式就能計(jì)算出相應(yīng)時(shí)刻的速度，從而輸出可變速的曲線運(yùn)動(dòng)，然后將其數(shù)字化，并通過(guò)單片機(jī)等硬件實(shí)現(xiàn)；其次將所得的曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律通過(guò)軟件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，使切割點(diǎn)能夠在平面內(nèi)完成預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)曲線.在論證中，主要會(huì)遇到的問(wèn)題是：（1）由步進(jìn)電機(jī)控制的切割點(diǎn)在平面內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)能否能達(dá)到預(yù)期的精確定位；（2）由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，是否會(huì)使得系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)；（3）在調(diào)和描述切割點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的精確性和減少系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間這兩者的矛盾中，盡量滿足系統(tǒng)的準(zhǔn)確及快速的要求.

3 軟件框架

步進(jìn)電機(jī)做為一種數(shù)字型電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)需要兩個(gè)要素：轉(zhuǎn)速和方向.對(duì)于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,其方向取決于控制器輸送信號(hào)電平的正負(fù),轉(zhuǎn)速取決于步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔.步進(jìn)電機(jī)脈沖發(fā)生器的時(shí)鐘可以利用單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)計(jì)數(shù)器設(shè)置.只需實(shí)時(shí)改變定時(shí)器重裝的初值,即可實(shí)時(shí)改變輸出脈沖的頻率,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化連續(xù)調(diào)頻.為減低單片機(jī)的負(fù)荷,編程時(shí)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，計(jì)算出各離散速度所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器初值,并以表格的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中.

步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行模塊部分的程序設(shè)計(jì)要求控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，并且能夠顯示相應(yīng)的狀態(tài)，程序流程圖如下圖所示.

圖4 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行程序流程圖

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行模式部分我們?cè)O(shè)計(jì)成循環(huán)函數(shù)體.首通過(guò)調(diào)用顯示子程序，接下來(lái)通過(guò)判斷調(diào)用鍵盤(pán)掃描函數(shù)，若開(kāi)始鍵沒(méi)按下，返回循環(huán)函數(shù)初始處；若開(kāi)始鍵按下，接著判斷是夠有暫停鍵按下，有則返占循函數(shù)初始處；若開(kāi)始鍵按下，接著判斷是否有暫停鍵按下，有則返回循環(huán)函數(shù)初始處，無(wú)則判斷停止鍵是否按下，有則使定時(shí)器初值做相應(yīng)改變，無(wú)則接著判斷正反轉(zhuǎn)鍵是否按下，有則修改對(duì)應(yīng)方向狀態(tài)標(biāo)志.

4 結(jié)論

基于步進(jìn)電機(jī)控制的平面切割模型的研究主要是針對(duì)由步進(jìn)電機(jī)控制的平面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)在線切割工作臺(tái)的應(yīng)用，植毛機(jī)工作臺(tái)（毛孔定位），包裝機(jī)（定長(zhǎng)度）以及基本上涉及到定位的場(chǎng)合都用得到.特別適合要求運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、高輸出扭矩的應(yīng)用場(chǎng)合.通過(guò)對(duì)二維平面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的研究，我們可以進(jìn)一步研究多維立體空間內(nèi)由步進(jìn)電機(jī)控制的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況，如果將二維平面內(nèi)的控制理論發(fā)展為多維空間的控制理論，就可以在實(shí)際生產(chǎn)中大大減少了生產(chǎn)所消耗的時(shí)間，強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性和靈活性、成本也大大降低，從而提高了工廠的生產(chǎn)效率，且有著十分廣闊的應(yīng)用前景.

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