步进电机自动化控制系统的设计

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1 引言

作为一种数字伺服器件，步进电机具有结构简单、运行可靠、步数精确、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器手臂、自动化控制仪器等领域。为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。文中讨论了步进电机变频调速的方法；并结合软硬件协同仿真，可以有效地减少自动控制系统开发的周期和成本。最后给出了步进电机自动化控制系统的应用实例。2 步进电机的变频调速

虽然步进电机具有快速启停能力强、精度高、转速容易控制的特点，但是在实际运行过程中步进电动机驱动执行机构从转动到停止时, 要经历升速, 恒速和减速过程；如果启动时一次将速度升到给定速度, 由于启动频率超过极限启动频率fq （如图1）,步进电动要发生失步现象, 因此会造成不能正常启动. 如果到达点时突然停下来,由于惯性

的作用, 步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象,但影响了执行机构的执行效率.所以,对步进电动机的加减速

要有严格的要求。

(a)匀加,减速曲线

(b)S形加,减速曲线

图1 时间与频率的函数图

为保证步进电机在不失步和过冲的前提下,用最快的速度(或最短的时间)移动到指定的位置。本文提出了一种基于单片机控制的步进电机加减速离散控制方法。加减速曲线如图2 所示，纵坐标是频率 f ，单位为脉冲/秒或步/秒。

步进电机自动化控制系统的设计

□ 林玉梅

（旭丽电子（广州）有限公司 广东·广州 510663）

摘 要：本设计用单片机、电机驱动芯片，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机自动控制系统。齿轮组作为被控对象通过步进电机驱动来做正向或者反向转动，来控制传送带，电梯,机器人手臂等一些被控负载对象。本文中讨论了步进电机变频调速的方法并结合软件模拟仿真，有效地减少步进电机自动化控制系统开发的周期和成本。

关键词：AT89C51单片机 变频调速 Proteus 仿真

中图分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2008）12-006-02

要求加工，即间断加工；另一种整个面要求加工，一般采用

大面铣加工，而且是采用双面铣，以更容易找出基准面，保证加工精度。

阳极母线的钻孔划线从母线中心按设计尺寸进行，只对阳极导杆接触面进行研磨加工，研磨要求同立柱母线。

(5)阳极导杆加工。阳极导杆加工包括导杆，钢铝爆炸焊片及钢爪三部分，三者焊为一体，铝导杆采用四面铣加工，顶部钻孔安装钢衬套，以利吊装，下面根据设计要求刨成一定角度以利焊接，130×130mm 铝导杆刨角15×45°,以利铝导杆与钢铝焊片的焊接，焊接时在专用胎具上进行。

(6)硬铝焊片的加工。硬铝焊片用来连接铸铝母线。将各铝母线按设计要求连接一整体回路。硬铝焊片用剪板机进行剪切。因铝质软，剪切时有变形，剪切完的铝焊片需要进行平整，平整时做胎具可以用木锤敲击，严禁用铁锤敲击。硬铝焊片加工时应注意需与实际安装相联系，安装完母线长度的偏差可以通过改变铝焊片的长短进行补偿，这部分铝焊片要做好标记，防止用错。

(7)软母线的加工。软母线一般是指厚度为δ=1mm 或者σ=0.5mm 铝板，以十片或者十五片点焊为一束，用来连接运动部位及需要拆卸的部位， 分为阴极软母线和阳极软母线。

软母线一般用定宽成卷供料，根据长度裁剪成片后焊接成束。软母剪切利用剪切机，在剪切平台上用∠63*5角

钢做两个22.5°角的坡形顶胎，这样剪完一束（10片或15

片）后取下来，再剪第二束。点焊把角度两边平均，每边即成45°坡口。点焊时用手工钨极氩弧焊进行，焊点应距束端头30mm 以内，每束应点2—4个焊点，点焊成型要美观。点焊后的铝软带用样板检查，样板与铝软带束的间隙要求小于2mm 。同束软焊片应密合，每片间隙小于0.5mm 。每束软母线剪切完后应编号，点焊后按编号分类摆放整齐，经便以后安装焊接。

弯制的软母线外形应应附合图纸要求，在现场用自制的专用胎具一次压制成形。胎具如图6

所示。

图6

铝母线的加工是安装前一道非常重要的工序，只有铝母线加工保证了质量，才能保证铝母线安装的质量，而铝母线加工胎具是铝母线加工的保证手段。铝母线加工检验合格后进行组对安装工作。

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横坐标时间 t ，单位为秒。步进电机以 f0 启动后加速至 t4 时刻达到最高运行频率 fh ，然后匀速运行，至 t6 时刻开始减速，在 t9 时刻电机停转，总的步数为 N 。其中电机从静止加速至最高运行频率和从最高运行频率至停止至是步进电机控制的关键，

通常采用匀加速和匀减速方式。

图2 离散化的时间变频图

采用单片机对步进电机进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，可采用软件和硬件两种方法。软件方法依靠延时程序来改变脉冲输出的频率，其中延时的长短是动态的，该方法因为要不停地产生控制脉冲，占用了大量的CPU 时间;硬件方法是依靠单片机内部的定时器来实现的，在每次进入定时中断后，改变定时常数（定时器初始值），从而升速时使脉冲频率逐渐增大，减速时使脉冲频率逐渐减小。这种方法占用CPU 时间较少，是一种效率比较高的步进电机调速方法。考虑到单片机资源（字长）和编程的方便，不需要每步都计算定时器装载值。如图2所示，采用离散方法将加减速曲线离散化。把加速fo 到fh 划分为t1, t2,t3,t4四个过程；同理把减速fh 到f0也划分为t6,t7,t8,t9四个过程。这种离散化后速度是分台阶上升或下降的的，而且每上升一个台阶或下降一台阶都要在该台阶保持一段时间，以克服由于步进电机转子转动惯量所引起的速度滞后或超前。只有当实际运行速度达到预设值后才能急速加速或减速，这实际上也是局部速度误差的自动纠正。

3 Proteus 模拟仿真

对于51系列单片机的软件开发，传统的方法是在电脑上采用Keil 等开发工具进行程序设计、编译、调试，待程序调试通过之后生成目标文件下载至单片机硬件电路再进行硬件调试。这种方法只有硬件电路完成之后才能进行系统功能测试，若此时发现硬件电路存在设计问题且必须进行修改时就会显著影响系统开发的成本和周期。为此，本文采用了系统软硬件协同仿真的开发方法，使得硬件电路实现前的功能测试成为可能。同时硬件电路的软件化仿真为硬件电路的设计与实现提供了有力的保障。其中在Keil uVision2集成开发环境下，实现步进电机控制系统的程序设计、编译、调试，并最终生成目标文件（十六进制），然后用英国Proteus Labcenter electronics 公司所提供的EDA 工具Proteus 可以把该目标文件调进仿真电路中实现对步

进电机控制系统硬件电路功能的仿真调试。

图3 步进电机控制系统硬件电路仿真

如图3所示，单片机AT89C51控制步进电机图形.通过运行在Keil uVision3 环境下所开发的程序来控制步进电机驱动芯片A3967SLBT ，从而实现对步进电机的运行控制。A3967SLBT 驱动芯片的步进脉冲输入信号来自AT89C51 P2.0端口，速度控制来自于P2.2,P2.3端口,方向控制来自于P2.1口。本文采用软硬件协同仿真的方法经过设计 ---> 修正 ---> 再测试一次次迭代开发，在制作控制系统硬件电路之前即可实现对系统整机功能的测试个调试。待系统程序和硬件电路设计方案最终完善之后便可以实际制作如图4所示的硬件电路。因此该种方法可以显著提高系统软硬件开发的成功率，从而有效降低系统的开发周期和开发成本。4 应用实例

图4即是根据图3进行硬件电路仿真的最终结果所制作的步进电机控制系统电路板。该电路驱动步进电机来带动齿轮组（图5）旋转。通过齿轮组可以驱动所需要的负载。如电梯升降，传送带，旋转门，机器人运动等等。可见步进电机自动化控制系统不仅应用于民用产品中，而且也已经深入到航天航空等高科技产品中。因此，步进电机控制系统是

自动化控制系统中的重要一环。

图4

步进电机控制系统硬件电路

图5 步进电机驱动齿轮组旋转

5 结束语

本文根据电机的运动力学原理实现了一种有效的步进电机变频调速的方法。并采用系统软硬件协同仿真的开发方法，使硬件电路成型前的功能测试成为现实，从而显著改善系统开发的成本和周期。该种方法同样也可以应用于其它类型控制系统的开发。

参考文献：

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