基于步进电机控制的平面切割模型的研究

曲 娜 ，周 鹏 ，程凤芹 ，于秋红

（1.吉林建筑工程学院 城建学院，吉林 长春 130111；2.吉林省水文水资源局长春分局，吉林 长春 130061）

由于社会对产品多样化的需求更加强烈，多品种、中小批量生产的比重明显增加，采用传统的普通加工设备已难以适应高效率、高质量、多样化的加工要求.由于步进电机在速度和位置上的控制优势，使得由步进电机控制的切割机床等生产机床能够更加准确和便捷的完成任务，使得生产能够更快更好的满足市场的需求.步进电动机在数控车床和机器人控制系统中的应用较广泛.在现代化工业控制系统中，尤其是在航空航天、电子系统控制等领域中，要完成任务复杂，精度要求高等大工作量的机电控制，以及一些人工操作劳动强度大，生产效率低，且很难达到要求的精度，还有一些有害于人体健康的或人类无法完成或到达的工作环境，这就需要数控机床和机器人控制来完成这些任务.此外，在办公自动化设备中也涉及到步进电机的使用，如磁盘驱动控制、绘图仪和复印机等.

1 基于步进电机控制的平面切割模型

步进电机是伺服系统的一种执行元件，它能够将步进脉冲信号转换成角位移或线位移，有很好的控制性能，步进电机的启动、停止、正反转及其它运行方式的改变均能够在给定的脉冲信号内完成，而且控制精度很高，因此在数控机床控制及自动化设备控制系统中得到了广泛应用.

目前，控制步进电机的方式有很多种，有基于传统工控计算机控制的，也有用PLC控制的，而单片机控制是介于传统工控计算机和PLC控制之间的一种较新型控制器，基于单片机控制的步进电机系统控制功能强，适应性和灵活性好，成本低廉，正逐步发展为步进电机的主要控制系统，这种控制系统的出现，使得步进电机的控制方式由模拟式逐步向以单片机为核心数字式转变.

与传统的步进电机控制器相比较，步进电机的单片机控制有如下优点：

（1）采用了微型机代替步进电机控制器，把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现对方向的控制.步进电机控制器主要是用于对步进电机当前速度进行采集处理，产生步进电机控制脉冲，在外部设备LCD上显示当前步进电机的状态，并完成与上位机软件通信.对于步进电机控制器，本设计选AT89S52作为系统控制的方案.

（2）负载没有超过步进电机的范围时，每个步进脉冲将使电机转动一个固定的步距角度.步进电机的旋转是以一个固定的角度运行的.可以通过对脉冲个数的控制来实现对角位移量的控制，从而达到定位的准确性；同时如果进行加减速的控制，可以通过对脉冲频率的控制来实现.

（3）根据步距角度的大小及实际步进电机走的步数，只要确定了初始位置，就可以确定步进电机的最终运动位置.步进电机的控制系统组成如下：

步进电机是机电控制的一种常用的执行机构，它的工作原理是通过对步进电机中每一相线圈的电流和顺序切换来使步进电机作步进式旋转.步进电机的驱动方式是由脉冲信号来控制，通过对脉冲信号频率的调节来改变步进电机的转速.因此，本系统采用微电脑控制步进电机.

图1 用微型机控制步进电机原理系统图

基于步进电机控制的平面切割模型采用单片机作为控制器，控制器主要用于控制电机，并对坐标参数进行处理，控制电机移动方向.通过电位器实现对悬挂物位置的精确测量，电机收放力矩长度会通过多圈电位器转换成电压值，通过A/D转换后送入单片机；反射式光电传感器对预设定曲线进行检测，以脉冲信号的形式送入单片机，同时按键信号送入单片机对物体进行设置校正以及轨迹参数设定，控制器对送来的信号进行分析、运算、处理，将控制信号输送到电机驱动模块，控制电动机的转速,使物体的运动轨迹得以控制.项目中拟引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正.以达到对物体的控制和对坐标点的准确定位.

2 基于步进电机控制的平面切割模型的具体实现方法

2.1 系统总体方案

本设计主要由单片机控制部分，电机模块、LCD显示模块，语音播报、键盘输入模块等几大部分构成的一个基于单片机的步进电机控制系统.在系统中，通过单片机完成对步进电机的控制，进而完成运动点在平面内预定轨迹的控制.在控制系统中，通过步进电机驱动器来完成对步进电机的驱动控制，电机驱动模块控制步进电机，把控制装置发出的脉冲信号转变为步进电机的角位移.步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比.总体设计框图如图2.

图2 系统方案框图

2.2 X、Y工作台的传动方式

为了保证传动过程中的精度和平稳性，以及整体结构的紧凑性，系统采用滚珠丝杆螺母传动副.为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构.

由于工作台的运动部件重量和中提系统负荷不大，因此选用滚动直线导轨副，这样选择的优势在于减少工作台的摩擦系数，提高整体系统运动的平稳性.从电机步距角按标准选取考虑，结合分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，系统采用齿轮减速传动，系统框图如下：

图3 步进电机控制XY轴系统总体框图

2.3 设计方案中需要解决的问题

本方案主要包括步进电机的控制和曲线运动控制算法的软件实现，并最终由单片机等硬件，通过步进电机控制切割器在固定平面内进行曲线运动.模型中首先要研究切割点在固定平面内的曲线运动规律，并根据给定运动的曲线形式和速度变化形式就能计算出相应时刻的速度，从而输出可变速的曲线运动，然后将其数字化，并通过单片机等硬件实现；其次将所得的曲线运动规律通过软件来控制步进电机，使切割点能够在平面内完成预先设定的运动曲线.在论证中，主要会遇到的问题是：（1）由步进电机控制的切割点在平面内做曲线运动时能否能达到预期的精确定位；（2）由于步进电机的启动时间，是否会使得系统的反应时间变长；（3）在调和描述切割点的运动轨迹的精确性和减少系统的反应时间这两者的矛盾中，尽量满足系统的准确及快速的要求.

3 软件框架

步进电机做为一种数字型电机，控制步进电机的转动需要两个要素：转速和方向.对于步进电机驱动器,其方向取决于控制器输送信号电平的正负,转速取决于步进电机控制器发出的步进脉冲信号之间的时间间隔.步进电机脉冲发生器的时钟可以利用单片机内置的定时计数器设置.只需实时改变定时器重装的初值,即可实时改变输出脉冲的频率,实现数字化连续调频.为减低单片机的负荷,编程时采用C语言进行编程，计算出各离散速度所对应的定时器初值,并以表格的形式存储在内存中.

步进电机起动运行模块部分的程序设计要求控制步进电机的转速和转向，并且能够显示相应的状态，程序流程图如下图所示.

图4 步进电机起动运行程序流程图

步进电机运行模式部分我们设计成循环函数体.首通过调用显示子程序，接下来通过判断调用键盘扫描函数，若开始键没按下，返回循环函数初始处；若开始键按下，接着判断是够有暂停键按下，有则返占循函数初始处；若开始键按下，接着判断是否有暂停键按下，有则返回循环函数初始处，无则判断停止键是否按下，有则使定时器初值做相应改变，无则接着判断正反转键是否按下，有则修改对应方向状态标志.

4 结论

基于步进电机控制的平面切割模型的研究主要是针对由步进电机控制的平面内质点在线切割工作台的应用，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）以及基本上涉及到定位的场合都用得到.特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合.通过对二维平面内质点运动的研究，我们可以进一步研究多维立体空间内由步进电机控制的质点运动情况，如果将二维平面内的控制理论发展为多维空间的控制理论，就可以在实际生产中大大减少了生产所消耗的时间，强了系统的通用性和灵活性、成本也大大降低，从而提高了工厂的生产效率，且有着十分广阔的应用前景.

〔1〕胡汉才.单片机原理及接口技术[M].清华大学出版社，1996.

〔2〕王时胜,姜建平.采用单片机实现PWM式D/A转换技术[J].电子质量，2004.

〔3〕刘歌群.卢京潮.闫建国.薛尧舜.用单片机产生7路舵机控制PWM波的方法 [J].机械与电子，2004.

〔4〕张伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社，2000.

〔5〕蔡美琴，张为民,等.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].高等教育出版社，2004.