基于51單片機(jī)的新型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器

1 引言

　　數(shù)控技術(shù)是一種采用計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中各種控制信息進(jìn)行數(shù)字化運(yùn)算處理，并通過(guò)高性能的驅(qū)動(dòng)單元對(duì)機(jī)械執(zhí)行構(gòu)件進(jìn)行自動(dòng)化控制的高新技術(shù)?，F(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)逐步向柔性化、集成化、智能化方向發(fā)展，因此新一代數(shù)控技術(shù)就必需強(qiáng)調(diào)具有開(kāi)放式、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的特征[1]。本文采用新型微處理器、高性能集成電路，研究開(kāi)發(fā)智能步進(jìn)電機(jī)控制卡。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析、研究和比較，并綜合國(guó)內(nèi)外運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品智能化、集成化、開(kāi)放化的發(fā)展趨勢(shì)，我們提出的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 脈沖分頻電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)。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)，因此產(chǎn)生符合系統(tǒng)要求的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的脈沖分頻電路由圖2所示。整個(gè)電路采用3片8254來(lái)產(chǎn)生X，Y，Z三個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，鑒于Y，Z軸的電路與X軸相同，因此圖中只表示了X軸脈沖數(shù)輸出的電路原理。

　　Inte18254是可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)包含3個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道均為功能相同的16位計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式和計(jì)數(shù)長(zhǎng)度分別由軟件編程選擇。8254是8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與8253完全相同。8253計(jì)數(shù)頻率為2.6MHz，8254的計(jì)數(shù)頻率則更高，可達(dá)到6MHz。本系統(tǒng)選擇8254作為脈沖分頻電路的主控芯片。

圖2 脈沖分頻電路圖

　　3.2 RS-232通信接口電路設(shè)計(jì)

　　在單片機(jī)系統(tǒng)的通信中，RS-232和RS-485標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)應(yīng)用最為成熟。為了使運(yùn)動(dòng)控制器的適用范圍更加廣泛，配合PC的現(xiàn)有接口，我們選用RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器和PC的通信，其接口電路如圖3所示。在圖3中，選用MAX232作為系統(tǒng)的通信接口芯片。MAX232是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS-232發(fā)送/接收發(fā)器，適用于各種EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片可以把輸入的+5V電源變換成RS-232輸出電平所需的±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。

圖3 通信接口電路

　　MAX232外圍需要4個(gè)電解電容C1，C2，C3，C4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需電容，其取值均為0.1μF/25V。C44為0.1μF的去耦電容。MAX232的引腳T1IN，T2IN，R1OUT，R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳。

　　引腳T1OUT，T2OUT，R1IN，R2IN為接RS-232C電平的引腳。因此TTL/CMOS電平的T1IN，T2IN引腳應(yīng)接MCS-51的串行發(fā)送引腳TXD;R1OUT，R2OUT應(yīng)接MCS-51的串行接收引腳RxD。與之對(duì)應(yīng)的RS-232C電平的T1OUT，T2OUT應(yīng)接PC機(jī)的接收端RD;R1IN，R2IN應(yīng)接PC機(jī)的發(fā)送端。

　　3.3 D/A轉(zhuǎn)換與V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　本運(yùn)動(dòng)控制器需要對(duì)電主軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)電主軸的控制通過(guò)其驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電主軸驅(qū)動(dòng)器根據(jù)輸入的電壓或電流的大小來(lái)確定主軸的轉(zhuǎn)速，因此系統(tǒng)需要輸出0～5V的電壓或0～20mA的電流，必須將系統(tǒng)處理過(guò)的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬量輸出。本控制器的D/A轉(zhuǎn)換主要由DAC0832芯片實(shí)現(xiàn)。DAC0832是8位微處理器兼容型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器芯片，是DAC0830系列的一種。DAC0832與微機(jī)接口方便，可以充分利用微處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換的控制，因此在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　不同的電主軸驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸入的信號(hào)有不同的要求，有的需要0～5V的電壓信號(hào)，有的需要0～20mV的電流信號(hào)，因此我們同樣設(shè)計(jì)了V/I轉(zhuǎn)換電路，使系統(tǒng)具備了電流信號(hào)的輸出，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

　　3.4 開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)

　　在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，常采用機(jī)械式開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)構(gòu)成開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入回路，通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合或斷開(kāi)，以電平的形式反映步進(jìn)電機(jī)的工況。這包括X，Y，Z軸限位;加工過(guò)程中對(duì)刀，X，Y，Z軸電機(jī)的回零操作等等[2-3]。

　　由于開(kāi)關(guān)的機(jī)械式設(shè)計(jì)，觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)時(shí)伴有機(jī)械抖動(dòng)，會(huì)使輸出信號(hào)波形出現(xiàn)振蕩。若將該信號(hào)輸入到微控制器的計(jì)數(shù)器中，會(huì)造成錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)而導(dǎo)致系統(tǒng)控制混亂。開(kāi)關(guān)量的輸入干擾是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中客觀(guān)存在的問(wèn)題。因此在獲得開(kāi)關(guān)信號(hào)后，我們必須對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理，使其成為單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后才能做出相應(yīng)的反應(yīng)。系統(tǒng)共提供了12路的開(kāi)關(guān)信號(hào)接口，限位開(kāi)關(guān)信號(hào)處理如圖4所示。

圖4 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)處理電路原理圖

　　在開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入CPU之前，首先用電容對(duì)其進(jìn)行濾波，抑制信號(hào)中的高頻分量。TPL光耦隔離實(shí)現(xiàn)了光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)和控制器之間的電平轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同回路間的隔離，保證了控制器電路不受來(lái)自開(kāi)關(guān)信號(hào)電路的干擾。

　　3.5 硬件抗干擾技術(shù)

　　為了克服可能發(fā)生的各種干擾，保證系統(tǒng)能夠可靠的運(yùn)行，現(xiàn)有的抗干擾技術(shù)在硬件方面采取如下措施[4]：

　　①抑制電源干擾。傳導(dǎo)干擾通常由交流電源端引入系統(tǒng)內(nèi)部。為了抑制這種干擾，系統(tǒng)通常在交流進(jìn)線(xiàn)端串接入低通LC濾波器。這種方法在實(shí)際中己經(jīng)取得明顯效果，但為了抑制電源浪涌電壓的沖擊，系統(tǒng)還必須在電源線(xiàn)之間及電源線(xiàn)對(duì)地之間分別裝壓敏電阻。

　?、谝种苽鬏斁€(xiàn)干擾。對(duì)于系統(tǒng)中傳輸距離較長(zhǎng)的線(xiàn)路通常選用屏蔽電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的連接，以達(dá)到抗干擾的目的。在一些應(yīng)用環(huán)境比較惡劣的系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步抑制干擾，可采用光電隔離方式將系統(tǒng)控制部分與I/O口部分分開(kāi)，并采用雙電源供電。

　　③盡量減小干擾造成的影響。通常的做法有：1）增加硬件看門(mén)狗電路。2）增加電壓監(jiān)測(cè)電路。3）選擇抗干擾能力較強(qiáng)的單片機(jī)系列。4）盡可能使用單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而不使用外部總線(xiàn)連接這些器件。5）協(xié)調(diào)好電路中不同類(lèi)型IC的電平匹配。6）數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)間形成板與板連接時(shí)，應(yīng)加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主程序由消息循環(huán)和初始化程序構(gòu)成，其流程如圖5所示。在系統(tǒng)的主程序中，初始化程序的功能是在系統(tǒng)復(fù)位后完成單片機(jī)各個(gè)特殊功能寄存器的設(shè)置、各數(shù)據(jù)區(qū)的初始化、外部硬件設(shè)備的設(shè)置等操作;系統(tǒng)的消息循環(huán)則用來(lái)實(shí)現(xiàn)消息合法性的判斷及消息處理功能模塊的調(diào)用。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

　　為了能夠?qū)ο⒌暮戏ㄐ赃M(jìn)行判斷，我們?yōu)橄⒔M中的每個(gè)消息定義了對(duì)應(yīng)的合法性判斷標(biāo)識(shí)位。如果某消息所對(duì)應(yīng)的合法性判斷標(biāo)識(shí)位為“1”，則表示該消息是合法的消息，系統(tǒng)應(yīng)該調(diào)用相應(yīng)的消息處理功能模塊對(duì)消息進(jìn)行處理;為“0”則表示該消息是非法的消息，系統(tǒng)應(yīng)該忽略該消息。為了實(shí)現(xiàn)“看門(mén)狗”功能，我們還在消息循環(huán)中加入了喂狗輸出操作。值得注意的是，在系統(tǒng)的串行通信處理模塊中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是自動(dòng)加工，或是手動(dòng)加工，還是參數(shù)設(shè)置，分別對(duì)消息序列中的標(biāo)志位進(jìn)行置位，以保證主程序能夠正確實(shí)現(xiàn)各處理模塊的調(diào)用。

5 本文創(chuàng)新點(diǎn)

　　本系統(tǒng)采用MCS51系列單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，由8254可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖的分頻輸出，保證了運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性要求。為了使運(yùn)動(dòng)控制器能夠在惡劣的環(huán)境下可靠地工作，我們采用X5045集成芯片為主要器件構(gòu)成低成本、高可靠性的抗干擾電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡的自動(dòng)保護(hù)。系統(tǒng)投入使用以來(lái)，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益50余萬(wàn)元。