單片機控制的步進電機自動定位系統

1　概述
步進電機自動定位系統的主要特點是能實現精確移位、精確定位、無積累誤差。它一般應用于難度較大、要求精度高的繪圖機或數控機床等系統中。單片機控制步進電機自動定位系統的主要優點是:
⑴用軟件代替由硬件電路組成的步進電機控制器,不僅簡化了線路,降低了成本,而且提高了系統的可靠性。
⑵為改善步進電機以低于極限啟動頻率恒速運行時,運行時間過長的缺點,進行加減速控制;步進電機從低速不失步地加速啟動,達到高速恒速運行;在將達到目標位置時,步進電機減速運行,最后準確的停在目標位置上,而不會發生過沖現象。這就要求單片機控制的步機電機有加減速控制過程。
⑶微機通過RS232串口實現對單片機的多機通訊,能實時遠距離監控由步進電機驅動的工作臺,并實時顯示工作臺當前運行位置和方向。
系統的工作過程是:從鍵盤和鼠標輸入定點坐標(X、Y)后,微機通過串口向各單片機發出指令,各單片機接受到指令后,由單片機軟件控制X電機和Y電機的轉動方向、轉動步數、轉動速度,達到自動定位的目的。系統所用電機為75BF001型反應式步進電機(其相數為三相,步距角1.5°/3°,直流電壓為24V,相電流為3A)。

2　系統硬件設計
硬件線路是由單片機、接口電路、光耦電路、驅動電路、直流電壓源電路、步進電機及負載組成,見圖1。單片機采用89C51芯片,接口線路中采用74LS377為輸出口,1Q-3Q接電機的三相。光電隔離電路的目的是割斷驅動電路與單片機之間的聯系,避免一旦驅動電路發生故障造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件,為此,在驅動器與單片機之間加一級以4N25為主要元件的光電隔離電路,從而提高系統的抗干擾能力。T1采用了高速開關三級管3DK4B,T2選用了TIP41C大功率晶體管。RS、RC、D1構成了泄放回路。尤其需要注意的是:由于該電阻功耗較大,最好選用大瓦數線繞電阻;RC為限流電阻,RC=8Ω;D1為泄放二級,要求能通過大電流,可選用整流二極管IN5402。單片機與電機—相的連接見圖2。

圖1　單片機硬件線路圖

圖2　單片機與電機一相的連接圖

3　系統軟件設計
系統軟件設計的主要任務是判斷電機的轉動方向、速度和位置,按順序發出控制脈沖、判斷電機是否運行至定位點。由于兩個電機的控制完全類似,程序中僅介紹控制一個步進電機的情況。兩電機正轉的控制脈沖是:A-AB-B-BC-C-CA,反轉控制脈沖順序與之相反。產生時序脈沖的方法是:用單片機的PI口通過MOV@R0,A,寫脈沖序列給74LS377;在由74L377控制電機的A、B、C三相繞組。根據三相六拍運行方式,則X電機和Y電機的控制模型為01H、03H、02H、06H、04H、05H。以三相六拍運行方式采用定時器延時的方法來編寫升(降)頻的控制程序。

圖3　單片機變頻控制程序圖