【正文】 絲桿螺距（mm) Δ(mm/脈沖） （2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （12） 式中Jt 折算至電機(jī)軸上的慣量() JJ2 齒輪慣量() Js 絲桿慣量() W工作臺(tái)重量（N） S 絲桿螺距（cm） （3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （13） Ma=（Jm+Jt).n/T10ˉ2 （14） 式中Ma 電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（) Jm、Jt電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量() n電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min） T電機(jī)升速時(shí)間（s） Mf=()/(2πηi)10ˉ2 （15） Mf導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（) u摩擦系數(shù) η傳遞效率 Mt=()/(2πηi)10ˉ2 （16） Mt切削力折算至電機(jī)力矩（) Pt最大切削力（N） （4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0[(1(Mf+Mt))/Ml）247。(1+Jt/Jm)] 1/2 （17） 式中fq帶載起動(dòng)頻率（Hz） fq0空載起動(dòng)頻率 Ml起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算. （5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 （6）負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax。負(fù)載力矩可按式（15）和式（16）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應(yīng)小于（ ～)Mmax.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Research on the Driver and Control System of the Step Motor摘要: 本文研究開發(fā)了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，以單片機(jī)作為下位機(jī)，可使上位機(jī)能夠可靠地將經(jīng)過處理的控制指令和參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)，保證下位機(jī)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。同時(shí)，上位機(jī)檢測下位機(jī)的各種狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)行診斷和處理。關(guān)鍵字: 步進(jìn)電機(jī)；控制系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)器；通信電路Abstract: A high performance control system of stepping motor has been developed. The system adopts the PC as master puter and the singlechip as slave puter. Control instructions and parameter have been delivered from the master puter to slave puter dependently and smoothly in order to guarantee the work that can be accurately and promptly done. Besides, the host puter collects various kinds of state signal that the slave puter feedbacks to diagnose and manipulate. Keywords: Step Motor。 Control System。 Driver。 Communication Circuit1 引言步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件。它是隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展而發(fā)展起來，利用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制器就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個(gè)動(dòng)作。本文以步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象，繼承傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，研制高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1 控制器總體結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)控制器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)重要部分，控制器接收上位機(jī)發(fā)送的指令，并根據(jù)指令向各步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。采用PC機(jī)的控制系統(tǒng)，其軟硬件資源豐富，柔性極強(qiáng)。圖1為控制器總體結(jié)構(gòu)圖。單片機(jī)的種類是很多的，有PIC系列、Motorola系列、Intel系列8051類單片機(jī)等。各個(gè)系列的單片機(jī)各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能齊全、價(jià)格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機(jī)家族，給我們單片機(jī)的選擇提供了很大的余地。Intel公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、體積小、開發(fā)工具易操作等特點(diǎn)，在市場中占有很大的份額，是一種比較通用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品。因而本系統(tǒng)中選用了40管腳的51單片機(jī)ATMEL89C51作為主控芯片。3 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì) 通信電路設(shè)計(jì)通過EPP并行口可以簡單方便地設(shè)計(jì)出各種接口應(yīng)用電路，其設(shè)計(jì)方法與總線方式更為接近，由于它所用的信號(hào)線十分有限，必須把數(shù)據(jù)的傳送分為兩個(gè)周期。EPP口的數(shù)據(jù)與地址分時(shí)復(fù)用8位數(shù)據(jù)/地址總線，其資源相對(duì)較少，并且在EPP口中只有WRITE, DATASTB, ADDSTB這三條用于數(shù)據(jù)和地址傳輸?shù)目刂凭€，所以整個(gè)系統(tǒng)的讀寫控制信號(hào)即讀數(shù)據(jù)、讀地址、寫數(shù)據(jù)、寫地址信號(hào)不能直接從EPP口上得到。為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)中采用了對(duì)數(shù)據(jù)選通線、地址選通線、寫信號(hào)線進(jìn)行組合譯碼的方法，其接口電路如圖2所示。圖2 通信接口電路 驅(qū)動(dòng)與光電隔離電路設(shè)計(jì)盡管所有的打印機(jī)口均有17根信號(hào)傳輸線，然而這些信號(hào)線的性能確存在著差別，例如輸出電阻、抗干擾能力等都有所不同。IEEE488描述了兩個(gè)級(jí)別的打印機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn):一級(jí)和二級(jí)。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以提供比原始打印口或一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大的多的電流。EPP和ECP模式均可以提供二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。電路設(shè)計(jì)中采用8D雙向總線發(fā)送/接收器74LS245作為驅(qū)動(dòng)電路，74LS245在電路中起緩沖、隔離作用，還有一定的保護(hù)和控制作用。當(dāng)E有效時(shí)，74LS245的輸入/輸出方向由DIR控制。因此，若將DIR接固定TTL電平，則74LS245為單向緩沖器。一般都是使用它的雙向傳輸功能。為此，DIR必須可控，使其根據(jù)需要變?yōu)楦唠娖交虻碗娖剑⑴cE相結(jié)合控制數(shù)據(jù)傳輸方向。光隔離器具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸入輸出之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。利用光隔離器將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，~。輸入數(shù)字信號(hào)提供一定的電流(5~10mA)時(shí)，光隔離器才會(huì)把放大的數(shù)字電平輸出。光隔離器聯(lián)結(jié)時(shí)注意信號(hào)正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號(hào)可能通過電源串到系統(tǒng)中來。 復(fù)位電路設(shè)計(jì)所謂復(fù)位，就是要讓單片機(jī)以及單片機(jī)系統(tǒng)在正式工作前處于一種特定狀態(tài)，只有以該狀態(tài)為起點(diǎn)，隨后的工作才可控制，系統(tǒng)才能夠可靠性的工作。上電和復(fù)位電路如圖3所示:圖3 復(fù)位電路復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生有3種方式:外部復(fù)位電路上電或手動(dòng)復(fù)位、監(jiān)督定時(shí)器溢出復(fù)位、執(zhí)行指令RST。監(jiān)督定時(shí)器溢出產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)和執(zhí)行RST指令產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)屬于89C51內(nèi)部復(fù)位控制邏輯，其前提是單片機(jī)已開始運(yùn)行程序。比較實(shí)用的復(fù)位方式是上電復(fù)位。此種方法是從RESET腳連接一個(gè)合適的電容到地，每lμs時(shí)間需電容約1~2μF。電路上電時(shí)，電容C迫使RESET引腳處于電平，然后由內(nèi)部上拉器件將RESET引腳拉向高電平。此電路僅適用與VCC上升較快的情況。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，二極管為電容C提供了迅速放電的通路，從而保護(hù)系統(tǒng)在反復(fù)通電時(shí)均能可靠復(fù)位。 存儲(chǔ)模塊與振蕩電路設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)比較小巧，一般存儲(chǔ)量也不會(huì)很大，因此，大都采用靜態(tài)RAM ,使用方便，不需要刷新。常用的芯片有6116(2K), 6264(8K), 62256(32K)。由于89C51片內(nèi)只有128個(gè)字節(jié)的RAM，而本系統(tǒng)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多，需要擴(kuò)展外部RAM ,系統(tǒng)采用1片6264。AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，輸入端與輸出端為XTAL1和XTAL2，與作為反饋元件的片外晶體振蕩器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路種，這時(shí)內(nèi)部振蕩器便自激振蕩，對(duì)C1和C2的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性等。外接晶體時(shí)，C1和C2值常選擇為30pF左右，本系統(tǒng)選C1和C2值為30pF。 電源模塊設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定、可靠的工作，電源的設(shè)計(jì)是非常重要的。在本系統(tǒng)中，需要三種電源:+5V, +12V和12V。為此設(shè)計(jì)了由集成穩(wěn)壓塊7805, 7812, 7912組成的集成電壓電路。 在電路中使用的7805, 7812, 7912穩(wěn)壓塊不僅有輸入端、輸出端和公共端，在芯片內(nèi)部設(shè)有過流、過熱保護(hù)以及調(diào)整管安全保護(hù)電路，使用簡便，具有保護(hù)功能好，安全可靠、輸出穩(wěn)定度高等特點(diǎn)。這個(gè)電路給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流供電電壓、為電路提供精密基準(zhǔn)電壓源，在進(jìn)行光電隔離時(shí)，為隔離電路提供獨(dú)立的供電電源。集成穩(wěn)壓塊的作用為把非穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓。電源電路如圖4所示。該電路由變壓器、橋式整流器B濾波電容和集成穩(wěn)壓塊7805, 7812, 7912組成。其工作原理為220V交流電經(jīng)變壓器降壓后由次級(jí)線圈輸出后電壓降為24V的交流電，然后經(jīng)過橋式電路整流后成為波動(dòng)的直流電源，經(jīng)過高低通濾波后，輸入集成電壓穩(wěn)壓器7805, 7812和7912，輸出+5V177。5%, +12V177。5%、12V177。5%直流電壓，提供給單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等特點(diǎn)。圖4 電源電路原理圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)應(yīng)用軟件和PC機(jī)應(yīng)用軟件。單片機(jī)軟件采用MCS51匯編語言編寫。單片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)了位置控制、過程控制、信號(hào)處理、插補(bǔ)、通信處理等功能。PC機(jī)軟件主要是對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面、實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)顯示、曲線顯示等功能。圖5 系統(tǒng)應(yīng)用軟件分層圖本軟件系統(tǒng)是在Windows98平臺(tái)上，系統(tǒng)軟件由許多功能模塊組成。系統(tǒng)軟件界面友好，使用方便，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能。該軟件共有三個(gè)窗體:簡單運(yùn)動(dòng)窗體、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)窗體、E即接口測試窗體。其軟件分層框圖如圖5所示。本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、接口技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)作為主體，與PC機(jī)構(gòu)成上下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)。該控制器可以輸出頻率可調(diào)的方波信號(hào)，可以滿足步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率范圍。系統(tǒng)無論是在硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò)展起來比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。參考文獻(xiàn):[1] [D].西安:西安科技大學(xué)機(jī)械工程系，2002[2] 吳瓊水,曾立波,[J]., [3] 高軍禮, 盧卓權(quán). 步進(jìn)電機(jī)一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 41: 6970作者簡介: 李存志(), 男(漢族), 河南省舞陽縣人, 河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院講師, 鄭州大學(xué)碩士研究生, 主要從事嵌入式系統(tǒng)、自動(dòng)控制研究。張松煒（）,男, 漢, 河南省義馬市人, 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院機(jī)電工程系, 研究方向:通信網(wǎng)信令系統(tǒng)。