基于X-Y工作平臺的步進電機閉環(huán)控制系統(tǒng)
王安敏，牛傳猛，崔偉（青島科技大學機電工程學院，青島266061）
摘要：為實現(xiàn)X-Y二維工作平臺的精確定位，以容柵傳感器作為位置檢測環(huán)節(jié)，實時的將工作臺的運動狀態(tài)反饋給單片機，單片機根據(jù)設(shè)定程序?qū)蓚�方向的步進電機進行閉環(huán)控制。通過將容柵傳感器輸出的串行信號轉(zhuǎn)換成并行信號的方法，方便地實現(xiàn)了單片機對容柵傳感器輸出信號的處理。試驗證明，這種控制方法能實現(xiàn)工作平臺的精確定位，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞：步進電機；單片機；容柵傳感器；閉環(huán)控制
中圖分類號：TM383. 6；TP271 +.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010)01-0103-03
O 引 言
在對X-Y兩軸運動的工作平臺進行控制時一般采用單片機為主控制單元對X-Y兩軸驅(qū)動步進電機進行控制。步進電機的主要優(yōu)點之一是能在開環(huán)系統(tǒng)中保證一定的控制精度，但開環(huán)系統(tǒng)也具有一些缺點：無法知道步進電機在點位運動的勻速階段和起動的升速階段是否失步，在步進結(jié)束時是否超步，以及由于負載變化而引起的速度變化，尤其當負載轉(zhuǎn)矩較大且有沖擊現(xiàn)象時，失步和丟步問題就顯得十分突出，從而使步進電機的開環(huán)控制的應(yīng)用受到一定程度的影響。
為實現(xiàn)X-Y工作平臺的準確定位，采用了以容柵傳感器作為位置檢測環(huán)節(jié)的全伺服控制，其根本的方法就是容柵傳感器將檢測到的工作平臺的實際位移反饋給控制器，控制器根據(jù)檢測到的實際位移和速度狀態(tài)，來實時調(diào)整輸入的脈沖數(shù)、頻率，使步進電機穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)，并使實際位置和指令位置一致，從而達到精確定位和穩(wěn)速要求。
1硬件組成
以X軸運動為例，其閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
該泵統(tǒng)采用容柵式位移傳感器檢測X-Y工作臺的位移信息，此信息經(jīng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榕c工作臺位移量及位移速度成比例的脈沖信號反饋給位置控制器，位置控制器根據(jù)位置給定值與反饋值之差，按事先設(shè)計好的控制規(guī)律來控制整個系統(tǒng)的運行，保證工作臺的位移嚴格跟隨指令要求來運動；D/F
（數(shù)字／脈沖）轉(zhuǎn)換器將位置控制器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成指令脈沖；細分驅(qū)動器的功能是以小步距驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，并使工作臺位移具有所要求的分辨率，實現(xiàn)對系統(tǒng)的高精度控制。
整個系統(tǒng)是一個兩級的控制系統(tǒng)，上位系統(tǒng)主要由一臺586PC機構(gòu)成，下位控制系統(tǒng)由兩塊
PHILIPS公司生產(chǎn)的P87 LPC764單片機組成，如圖2所示。上位機主要負責二維定位平臺運動位置的采集和控制下位單片機；下位單片機分別完成一路步進電機驅(qū)動、解讀容柵位移傳感器輸入信號、限位開關(guān)輸入信號、和PC機進行通信。PC機與兩單片機之間通過RS232串行接口通信，其中X軸單片機控制平臺X方向運動的步進電機，與PC機的串口1( COMI)相連，Y軸單片機控制平臺Y方向運動的步進電機，與PC機的串口2(COM)相連。平臺X、Y方向分別裝有容柵式位移傳感器，經(jīng)串并接口轉(zhuǎn)換后分別和單片機相連，將平臺的運動狀態(tài)反饋給單片機。為了防止工作平臺運動
出界，在X、Y兩軸的極端位置分別設(shè)置了限位開關(guān)，可以在平臺超出運動范圍時自動切斷電機的電源，使平臺停止運動。
單片機采用近年來市場上比較流行的AT89C52單片機，它采用CHMOS工藝及高密度、非易失存儲技術(shù)制造，與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容，其內(nèi)部所含功能部件如下：
(1)1個8位CPU；
(2)1個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；
(3)8 KB PEROM:
(4)3個16值定時／計數(shù)器；
(5)21個特殊功能寄存器；
(6)4個8位并行I/O口，共32條可編程I/O端線；
(7)1個可編程全雙工串行口；
(8)8個中斷源。
開關(guān)采用OMRON公司的接近開關(guān)TL-Q5MFI，它的輸入是12 V -24 V電壓，屬常閉型開關(guān)。由于選用的步進電機的工作電壓為24 V，因此我們將接近開關(guān)的輸出作為步進電機的工作電壓輸入，可以在平臺超出運動的極 |
