引言

傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法是由觸發(fā)器產(chǎn)生控制脈沖來進(jìn)行控制的，但此種控制方法工作方式單一而且難于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要重新進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)?。而且由傳統(tǒng)的觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有控制電路復(fù)雜、控制精度低、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。為了克服傳統(tǒng)控制器的缺點(diǎn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)新的控制要求，在此需要采用一種以單片機(jī)為核心的新型控制器。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，其最大特點(diǎn)就是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控利，電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定，因此適合于單片機(jī)控制，單片機(jī)通過向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送控制信號就能實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分：硬件部分和軟件部分。硬件部分的設(shè)計(jì)包括脈沖發(fā)生模塊、電流放大模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊四個(gè)部分。軟件部分的設(shè)計(jì)包括鍵盤掃描模塊、脈沖發(fā)出模塊、液晶顯示模塊、延時(shí)模塊和加減速模塊等。

本文使用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號為42H33H-1334A，最小電壓為2．8V，最小電流為1．33A，電阻為2．1Ω，電感為2．5H，靜轉(zhuǎn)矩2．2kg·cm。采用AT 8 9 S 5 2單片機(jī)、1 602液晶顯示屏、X 4矩陣鍵盤分別進(jìn)行控制運(yùn)算、顯示、控制輸入。硬件部分設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1．1脈沖發(fā)生模塊

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖是由單片機(jī)產(chǎn)生的。在這采用P1．7，P1．6，P1．3，P1．2分別對步進(jìn)電機(jī)的A，A．、B，B’端口輸入脈沖。脈沖的頻率通過軟件來設(shè)定。

兩相四線步進(jìn)電機(jī)的工作方式有：1)兩相四拍：A-B—A’-B’·A一...；2)兩相雙四拍：AB-BA’-A’B’一B’A-AB一...；3)兩相八拍：A-AB—B—BA’-A’-A’B。-B’-B’A·A-...：

本文采用兩相八拍。其工作方式通電換相的相序如上3)所示，共8個(gè)狀態(tài)。如果Pl口輸出的控制信號中，用“0”和“1”分別代表繞組通電和斷電，則可用8個(gè)控制字來對應(yīng)這8個(gè)狀態(tài)。在程序中，只要依次將這8個(gè)控制字送到P1口，每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。程序可根據(jù)這個(gè)原理來設(shè)計(jì)。

1．2電流放大模塊

本文采用的驅(qū)動(dòng)芯片是L298N芯片。L298N是高電壓，大電流雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片，L298N有單極性和雙極性兩種工作方式，本方案選用單極性工作方式，通過單片機(jī)控制L298N，使得從單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)過L298N電流放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。在這使用PI．0。PI．1，P1．4，P1．5控髑L298N的使能端口，在單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖前全部置為高電平——使能。根據(jù)L298N的原理，將4路驅(qū)動(dòng)脈沖都分別通過兩個(gè)端口輸人，兩個(gè)端口輸出，最后并聯(lián)，以提高步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流。部分電路如圖2所示。

圖2電流放大電路連接圖

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成鍵盤掃描、液晶顯示、控制L298N使能端和脈沖輸出。主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。適當(dāng)使各項(xiàng)功能模塊化。為了節(jié)省單片機(jī)CPU資源，合理利用單片機(jī)定時(shí)器控制脈沖的頻率，改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)以上分析得到的程序漉程圖如圖3所示。

圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2．1中斷的使用和基本定時(shí)

在本設(shè)計(jì)中，使用中斷2進(jìn)行最基本的定時(shí)一10us。使得脈沖頻率方便改變。以下是選用中斷2、計(jì)時(shí)初始化和啟動(dòng)中斷2的語句：

TMOD=-0x22；

TH0=246；

TL0=2A6；

EA=1：

ET0=1：

TR0=1：

2．2定時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖程序

首先，將需要發(fā)出的脈沖以十六進(jìn)和數(shù)型式存人數(shù)組。然后根據(jù)所設(shè)定的脈沖額率，逐個(gè)輸出數(shù)組內(nèi)的數(shù)到P1口，即產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。部分程序如下：

首先，將需要發(fā)出的脈沖以十六進(jìn)和數(shù)型式存人數(shù)組。然后根據(jù)所設(shè)定的脈沖額率，逐個(gè)輸出數(shù)組內(nèi)的數(shù)到P1口，即產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖。部分程序如下：

定義數(shù)組：

2．4加減速控制程序

步進(jìn)電機(jī)的加減速只需要控制它的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率，而改變頻率，則只需要改變脈沖的輸出時(shí)間，即改變相應(yīng)數(shù)組的調(diào)用時(shí)間。靈活使用變量，可降低程序的書寫難度。在這里，su為設(shè)定中斷的次數(shù)，控制脈沖的輸出時(shí)間：num2為電機(jī)速度級狀態(tài)變量，說明需要多長時(shí)間的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間。程序說明如下：

3步進(jìn)電機(jī)在地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺模型中的應(yīng)用

理論分析和震害現(xiàn)象表明，高層建筑物結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)由于地面質(zhì)量間運(yùn)動(dòng)的差別，可使地面的每一部分不僅產(chǎn)生平動(dòng)分量，而且產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)分量。這種轉(zhuǎn)動(dòng)分量迫使高層建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，還可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。震害表明，扭轉(zhuǎn)作用會(huì)加重結(jié)構(gòu)的破壞，造成地表和建筑物的破壞。同時(shí)隨著震害經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，人們逐漸認(rèn)識到在進(jìn)行抗震分析時(shí)僅僅考慮單分量作用是不夠的，多分量對結(jié)構(gòu)的影響是不可忽視的。然而現(xiàn)今的地震記錄中，實(shí)際可靠的地震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分量記錄的強(qiáng)震觀測還沒有獲得突破。

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度。由于步進(jìn)電機(jī)獨(dú)特的工作方式，本設(shè)計(jì)對步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)角位移控制，通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的角位移分量模擬地震時(shí)對高層建筑物的扭轉(zhuǎn)分量，模擬地震對建筑物的破壞程度，對地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺的模型進(jìn)行了初步探究。

4結(jié)束語

本文在分析步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了簡單實(shí)用，以AT89S52單片機(jī)作為控制器的控制系統(tǒng)硬件電路和運(yùn)行軟件。系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，又能實(shí)現(xiàn)分五個(gè)檔進(jìn)行調(diào)速：軟件有效的節(jié)約了硬件資源，同時(shí)系統(tǒng)易于拓展，該系統(tǒng)在地震旋轉(zhuǎn)振動(dòng)臺的模型研究中巳取得了初步的應(yīng)用。然而，本文只就步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、加速減速這幾項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了部分設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗干擾性方面、角度控制方面還有待于進(jìn)一步的探究。