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    摘   要  設(shè)計(jì)了一種用于經(jīng)濟(jì)翌-數(shù)控的通用型步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一片8031單片機(jī)作為CPU，可以用于額定電流3A以下的三相、四相、五相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微步驅(qū)動(dòng)。由于其靈活的軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以方便地用于脈沖驅(qū)動(dòng)、RS232接口、CTD總線接口等場(chǎng)合。文中著重介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。

    敘  詞  步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)通用軟硬件設(shè)計(jì)

    步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移和線位移的執(zhí)行元件，由于其具有步距準(zhǔn)確、可開環(huán)控制、便于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用在各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，也是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中最常采用的執(zhí)行元件之一[1]。步進(jìn)電機(jī)的性能與其驅(qū)動(dòng)電路密切相關(guān)，為了提高步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)分辨率，微步驅(qū)動(dòng)是十分有效的措施[z]。另外，采用步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)，可以用機(jī)械直拖，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，不僅使進(jìn)給精度得到保證，也使得進(jìn)給系統(tǒng)的頻率響應(yīng)大大提高。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)不斷得到完善，出現(xiàn)了多種驅(qū)動(dòng)器。但是，目前國(guó)內(nèi)的微步驅(qū)動(dòng)器往往是針對(duì)某一種類步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立設(shè)計(jì)的，通用性較差，國(guó)外的通用驅(qū)動(dòng)器價(jià)格又比較昂貴，而且對(duì)外接口單一，通常只有RS232接口[3]。因此，研制一種通用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很有必要。這種驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有以下幾個(gè)特征：驅(qū)動(dòng)電路性能良好，功耗低、效率高、體積��；通用性好，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有一定的智能控制功能，不需硬件改劫就能驅(qū)動(dòng)多種步進(jìn)電機(jī)；接口多，除了能接收脈沖信號(hào)外，還應(yīng)有RS232等多種接口，以便和其它系統(tǒng)通訊，使其不但是一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，而且是一個(gè)智能驅(qū)動(dòng)模塊。

    本文利用脈寬調(diào)制電流控制技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了通用驅(qū)動(dòng)器，滿足了上述要求。文中對(duì)驅(qū)動(dòng)器的軟硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)介紹。

   整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括控制通用型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)微步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路、驅(qū)動(dòng)電路和接口電路三個(gè)部分，設(shè)計(jì)電路時(shí)，嚴(yán)格按照STD模板尺寸設(shè)計(jì)。

 

    控制電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、譯碼器、微動(dòng)開關(guān)、DlA轉(zhuǎn)換和環(huán)分電路組成。微動(dòng)開關(guān)與單片機(jī)8031的Pl口相連，用于不同場(chǎng)合的步進(jìn)電機(jī)相數(shù)設(shè)置、細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置以及不同連接接口的設(shè)置。8031單片機(jī)系統(tǒng)是控制電路的核心，用于不同需要的軟件以子程序或中斷服務(wù)程序存儲(chǔ)于程序存儲(chǔ)器中。執(zhí)行步進(jìn)命令時(shí)，單片機(jī)把電機(jī)電流對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸入到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)端口，D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出量經(jīng)環(huán)分電路輸送給驅(qū)動(dòng)電路。DlA轉(zhuǎn)換器可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的需要選擇8位的DAC0832或12位的DAC12 30，只要改變相應(yīng)的軟件即可。

    驅(qū)動(dòng)電路采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)微步驅(qū)動(dòng)中各相平均電流的控制，脈寬調(diào)制由專用集成芯片TL494完成，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，而且電路的可靠性和抗干擾能力都大大提高。脈寬調(diào)制后的電流控制信號(hào)變成不同脈沖寬度同頻率的一系列脈沖串，這些脈沖串與功放電路的輸入相連，控制功放管的導(dǎo)通和關(guān)斷。在控制不同相屯流時(shí)，功放管始終工作于開關(guān)狀態(tài)，發(fā)熱少，省去了散熱裝置，減小了驅(qū)動(dòng)電路的體積，這是功放管工作于放大狀態(tài)時(shí)所不能做到的。最末一級(jí)功放管采用VMOS管，它是一種電壓型驅(qū)動(dòng)元件，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的要求很低，但是考慮到其柵源間的電容，在它的輸入級(jí)前又增加了一級(jí)推挽驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿和下降沿都很陡，功放管的導(dǎo)通和關(guān)斷過渡時(shí)間更短，進(jìn)一步降低了功率損耗。對(duì)于不同額定電流的步進(jìn)電機(jī)，反饋信號(hào)的放大倍數(shù)可以調(diào)整，實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于額定電流小于3A以下的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)都是適用的。

    接口電路的多樣性使系統(tǒng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了用單片機(jī)的P3,3、P3.4作為系統(tǒng)的脈沖驅(qū)動(dòng)接口外，還應(yīng)用1488、1489擴(kuò)展了RS232接口，應(yīng)用兩片數(shù)據(jù)鎖存器擴(kuò)展了STD總線接口，這主要是出于系統(tǒng)用在多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)的考慮。另外，硬件中還用555設(shè)計(jì)了脈沖發(fā)生器，使系統(tǒng)可以獨(dú)立地用于步進(jìn)電機(jī)不同速度下的轉(zhuǎn)動(dòng)。

    軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)是用同一電路，不用改變硬件連線，只要設(shè)計(jì)不同的控制軟件，就可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)多種控制方案，圖2是系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

    在設(shè)計(jì)中考慮了系統(tǒng)可以用于多種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，因此可以用于驅(qū)動(dòng)三相、四相、五相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。如果要求微步驅(qū)動(dòng)的步距角是均勻的，對(duì)于不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，即使額定電流相同，驅(qū)動(dòng)電流的波形也是不一樣的。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器用于不同電流波形的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于硬件電路是很難實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)于軟件就容易得多，只需將離散的不同電流波形存儲(chǔ)于程序存儲(chǔ)器的不同區(qū)域，8031的CPU使用時(shí)正確調(diào)用即可。另外，對(duì)于不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)，環(huán)行分配器也是不同的，這也靠軟件環(huán)分實(shí)現(xiàn)，不同的環(huán)分表以表格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于程序存儲(chǔ)器中，在初始化時(shí)根據(jù)需要調(diào)入內(nèi)存，在程序中控制模擬開關(guān)的選通信號(hào)。如驅(qū)動(dòng)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)時(shí)，兩片D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形如圖3所示，對(duì)應(yīng)的選通信號(hào)分別是001和010，oV模擬信號(hào)所對(duì)應(yīng)的選通信號(hào)為000，相應(yīng)的環(huán)形分配表就是表1的形式。電機(jī)繞組產(chǎn)生如圖4所示的微步驅(qū)動(dòng)電流波形。系統(tǒng)和外部的信息交換更加靈活多樣，尤其是STD總線接口，被定義地址后，外部可以通過不同的命令，控制系統(tǒng)的動(dòng)作。

   在STD總線通訊方式時(shí)；外部命令向本系統(tǒng)8031的CPU申請(qǐng)中斷，系統(tǒng)命令的執(zhí)行靠中斷服務(wù)程序完成。系統(tǒng)接到中斷申請(qǐng)后，先向外部發(fā)出響應(yīng)口令。然后，系統(tǒng)針對(duì)不同命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，再向外部發(fā)出相應(yīng)口令。系統(tǒng)針對(duì)不同命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，再向外部發(fā)出相應(yīng)口令，通知外部。圖5給出了與外界通訊的軟件框圖。系統(tǒng)的8031本身具有串行通訊的能力，與RS232的連按很簡(jiǎn)單，雖然串行通訊相對(duì)較慢，但系統(tǒng)用于多軸聯(lián)動(dòng)控制時(shí)，與微機(jī)可采用這種方式通訊，軟件中命令的執(zhí)行與STD總線通訊方式相似。表1微步驅(qū)動(dòng)的環(huán)形分配表  

      從硬件電路的介紹中可知，在使用前可以通過微動(dòng)開關(guān)設(shè)置不同的微步距。但在一些應(yīng)用場(chǎng)合，步距角實(shí)時(shí)可變是必要的。如在電火花加工伺服控制中，精密加工時(shí)，進(jìn)給速度慢，放電間隙小，為了正確地跟蹤放電間隙、穩(wěn)定加工，要求進(jìn)給步距角�。欢�在空載進(jìn)給或短路回退時(shí)，步距角應(yīng)該較大，節(jié)省時(shí)間。由于系統(tǒng)有多種通訊方式，步距角的改變就簡(jiǎn)單了，只要定義改變步距角的命令即可。系統(tǒng)用DAC0832作DlA轉(zhuǎn)換器時(shí)，考慮轉(zhuǎn)換誤差，可以40細(xì)分，變步距后可以增加20、10、8、5、4、2、1七種細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置，如果細(xì)分?jǐn)?shù)更多或精度更高，可選用DAC1230代替DAC0832。

    實(shí)踐表明，系統(tǒng)通用性強(qiáng)、可靠性好、安全性強(qiáng)。