1 引言

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件，具有快速啟動和停止的能力。但大多數(shù)設(shè)計人員常常習(xí)慣于用邏輯電路實現(xiàn)復(fù)雜的步進電機的控制，雖然已經(jīng)取得很大成效，但實現(xiàn)起來成本高、費時多，而且一旦組成了電路，就很難再改動，因此不得不完全重新設(shè)計控制器。微處理器與微計算機的先進技術(shù)和低廉的價格，給步進電機的控制開創(chuàng)了一個新的局面[1]。人們完全可以借助于軟件來對步進電機實施控制，從而實現(xiàn)復(fù)雜而成本又不高的控制系統(tǒng)，同時還可以很靈活地通過改變程序來改變控制方案。為此，我們基于 89C51單片機設(shè)計了步進電機控制器用于玻璃管加熱系統(tǒng)。該控制器具有線路簡潔、性能良好、成本低、可靠性高等特點，在實際應(yīng)用中取得了良好效果。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 玻璃管加熱器的原理

直徑400mm 的圓盤上每隔15°有1個固定器，用于安放直徑3mm，長度50mm-70mm的玻璃管，圓盤上方有一個火焰噴頭，用于對玻璃管進行加熱。先在圓盤上裝上 24個玻璃管，開機定位后開始工作，步進電動機開始運轉(zhuǎn)，當(dāng)每轉(zhuǎn)過15°時，延時T秒(T的大小可以設(shè)定為3，4，5三種狀態(tài)，本系統(tǒng)的默認值為3，通過軟件控制可以使時間偏差小于0.1秒)當(dāng)一個玻璃管加熱完畢后，步進電機轉(zhuǎn)動移動到下一個玻璃管，所用時間為1秒，通過軟件可以使定位偏差小于 0.1mm，后重復(fù)上一步工作。機械傳動原理圖主視圖如圖1所示，俯視圖如圖2所示。

圖1 機械傳動原理圖主視圖

圖2 機械傳動原理圖俯視圖

2.2 單片機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)控制器的核心采用89C51單片機，具有4K的可擦除程序存儲器，易于系統(tǒng)的擴展和程序的改進。采用P1口的四位作為鍵盤輸入控制，用K1，K2， K3控制延時狀態(tài)，K1按下延時3秒，K2按下延時4秒，K3按下延時5秒。K4控制運行方向選擇，在順時針和逆時針之間進行切換。數(shù)碼管采用串行顯示方式，對運行狀態(tài)給以顯示，LED1顯示顯示方向選擇，“-”表示順時針旋轉(zhuǎn)，“|”表示逆時針旋轉(zhuǎn)。LED2顯示的是延時時間，可顯示3，4，5三種狀態(tài)。參見圖3電氣控制框圖。

圖3 電氣控制框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件實現(xiàn)的功能分析

控制系統(tǒng)可以按要求來設(shè)定方向選擇，延時時間等，操作者可以方便的觀察控制系統(tǒng)的工作情況。

(1) 步進電動機的最小步距角為1.5°，每轉(zhuǎn)的步數(shù)為240步/轉(zhuǎn);

(2) 圓盤上15°一個固定器，一共可以安放24個玻璃管;

(3) 圓盤轉(zhuǎn)過15°的時間為1秒;

(4) 數(shù)字顯示部分為延時時間(可以設(shè)置為3，4，5秒);

(5) 噴頭與圓盤保持垂直以減少誤差。

3.2 控制系統(tǒng)的主程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)所應(yīng)完成的任務(wù)，設(shè)計主程序流程圖如圖4所示:

圖4 主程序流程圖

圖4中:

左1:走一步延時10ms用來尋找定位點，找到定位點后進入正常運行狀態(tài);

左2:置數(shù)，用于設(shè)置10步一停，240步一判斷;

左3:正常運行狀態(tài)，走1步延時0.1s，10步一停，延時T(T=3，4，5);

左4:240步為一周，旋轉(zhuǎn)一周后判斷是否有干擾丟步，若有，重新尋找定位點。

系統(tǒng)啟動后，首先對端口及顯示進行初始化，顯示清零，步進電動機三相繞組處于失電狀態(tài)，然后對數(shù)字鍵和功能鍵的掃描。當(dāng)操作通過數(shù)字鍵的一個設(shè)定值后，設(shè)定值以十六進制存入RAM單元，再以十進制通過動態(tài)LED顯示出來;操作者確認后，按下左(或右)行功能鍵，步進電動機就會帶動圓盤轉(zhuǎn)動，延遲的時間通過靜態(tài)LED顯示出來。

3.3 步進電動機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動子程序的設(shè)計

本系統(tǒng)所選用的步進電動機為110BF3-15型，它有三相繞組，向三相繞組輸入脈沖輸入脈沖的順序有三種，分別為單三拍、雙三拍、三相六拍。本系統(tǒng)選擇雙三拍輸入方式。輸入方式是靠軟件來控制的。雙三拍控制軟件是最簡單的軟接口之一。首先要以8255A的PA口為輸出口，接著把控制信息送到PA0~PA2中，對應(yīng)的I/O線為“1”(高電平有效)，則步進電動機相應(yīng)的相繞組通電，步進電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動。要求轉(zhuǎn)子以不同的方向轉(zhuǎn)動，三相繞組的通電順序就不同，則相應(yīng)的控制字也就不一樣，雙三拍繞組通電控制信息表如表1[2]。

由表1可知，正反轉(zhuǎn)所需要的信息串為03H→06H→05H→03H，這時按AB→BC→CA→AB順序通電。反轉(zhuǎn)時所需的信息串為05H→06H→03H→05H，這是按照順序CA→BC→AB→CA通電。

表2為步進電動機不同步相控制方式的控制字(十六進制，下同)。

表1 步進電動機相繞組通電控制信息表

表2 不同步相控制方式的控制字

考慮步進電動機的正反轉(zhuǎn)之后，雙三拍控制軟件清單如下[3]:

DS :MOV A,#00H ;初始化使PA0～PA2為輸出

MOV DPTR,#0C000H ;

MOVX @DPTR,A ;

MOV DPTR,#0C000H ;為AB相通電

MOV A,#03H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時

MOV DPTR,#0C000H ;為BC相通電

MOV A,#06H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時

MOV DPTR,#0C000H ;為CA相通電

MOV A,#05H

MOVX @DPTR,A

LCALL DELY ;調(diào)延時

DELY:MOV 0CH,#0FH ;延時子程序

RET

以上是步進電動機三相繞組正向通電子程序，反向通電子程序類似，若要改變電機轉(zhuǎn)速，只要改變MOV 0CH，#0FH指令中的立即數(shù)的值即可。圖5為步進電動機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動子程序流程圖:

圖5 正反轉(zhuǎn)驅(qū)動程序流程圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)操作方便，控制靈活，精確度高，可靠性好，已達到了預(yù)期的設(shè)計要求，大大減輕了體力勞動強度，改善了工作條件。在軟、硬件實現(xiàn)上為了提高系統(tǒng)的可靠性及精度，均采用了相應(yīng)的抗干擾措施。