專利名稱：：?jiǎn)纹瑱C(jī)精確控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的裝置，特別是單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置或方向的控制技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的電動(dòng)機(jī)，是以脈沖方式工作的。線圈中每輸入一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度，即步距角。如果用傳動(dòng)系統(tǒng)，將步進(jìn)電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，那么轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角相應(yīng)于沿直線運(yùn)動(dòng)了一段固定的距離。由于步進(jìn)電機(jī)具有精度高，慣性小，工作可靠，且能實(shí)現(xiàn)高精度快速開環(huán)和閉環(huán)控制，可以在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)模擬通道中獲得廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著MCS—96系列單片機(jī)的誕生，尤其是8098單片機(jī)及其開發(fā)系統(tǒng)的出現(xiàn)，為步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)提供了理想的機(jī)種，已經(jīng)有四相4拍8個(gè)觸發(fā)事件，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的簡(jiǎn)要介紹，其中僅用一次中斷申請(qǐng)，為此步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)直線距離或轉(zhuǎn)角精度不夠。加之程序中不涉及行進(jìn)距離的輸入，計(jì)算及行進(jìn)方向的設(shè)定等問題，且只能用于特定型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。本發(fā)明的目的，是提供一種可以精確控制步進(jìn)電機(jī)作直線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制系統(tǒng)。本發(fā)明目的，是這樣實(shí)現(xiàn)的，是用單片機(jī)，以5相10拍的數(shù)字信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。圖1是本發(fā)明系統(tǒng)框圖；圖2是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主程序框圖；圖3是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)高速輸出中斷服務(wù)程序框圖；圖4是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)高速輸出按內(nèi)存尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序框圖；圖5是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)移動(dòng)工作物體結(jié)構(gòu)圖；圖中1、真空室；2、天線；3、真空室；4、步進(jìn)電機(jī)；5、減速齒輪；6、滾珠絲杠；7、支承。本發(fā)明系統(tǒng)框圖，如附圖1所示其構(gòu)成是單片機(jī)經(jīng)光電隔離接口，再經(jīng)功放電源，接步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)工作物體。在單片機(jī)內(nèi)有行進(jìn)距離設(shè)定；行進(jìn)方向設(shè)定；(鎖定/工作)方式設(shè)定。本發(fā)明系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)的軟件1.單片機(jī)的7、8、9、10、5腳經(jīng)光電隔離后分別接功放電路入口的A、B、C、D、E相，各相有效時(shí)序?yàn)閍).正轉(zhuǎn)AB—ABC—BC—BCD—CD—CDE—DE—DEA—EA—EABb).反轉(zhuǎn)AB—EAB—EA—DEA—DE—CDE—CD—BCD—BC—ABC2.高速輸出各引腳狀態(tài)見表1、表2。表1、表2中，給時(shí)間間隔以不同值，就得到不同的正反轉(zhuǎn)速度，且間隔時(shí)間越大，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。正轉(zhuǎn)時(shí)，正轉(zhuǎn)狀態(tài)見表1。表1</tables>正轉(zhuǎn)取命令字的循環(huán)過程26H—07H—04H—22H—00H—27H—16H—24H—02H—20H—07H—36H以上26H—07H僅用于有效端口的初始化。正轉(zhuǎn)取時(shí)間間隔的循環(huán)過程T1—T1—T1—2T1—3T1—4T1—5T1—T1—2T1—3T1—4T1—5T1以上T1-T1僅用于有效端口的初始化。反轉(zhuǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)狀態(tài)見表2表2</tables>反轉(zhuǎn)取命令字的循環(huán)過程26H—04H—07H—24H—01H—23H—16H—27H—04H—21H—03H—36H以上26H—04H僅用于有效端口的初始化。反轉(zhuǎn)取時(shí)間間隔的循環(huán)過程T2—T2—T2—2T1—3T1—4T2—5T2—T2—2T2—3T2—4T2—5T2以上T2—T2僅用于有效端口的初始化。3.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件a.主程序；b.高速輸出中斷服務(wù)程序；c.高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器裝載子程序。a.主程序框圖，見附圖2.設(shè)棧指針；選高速輸出中斷服務(wù)程序的入口地址存放單元，選擇單片機(jī)5腳為高速輸出口；關(guān)中斷；將行進(jìn)距離以十進(jìn)制數(shù)輸入到A5寄存器(存整數(shù))及A6寄存器(存小數(shù))并計(jì)數(shù)所需中斷次數(shù)，這在實(shí)際使用中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸必須配以特定形式的傳動(dòng)齒輪，才能將轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換成距離的前后移動(dòng)，因此，在此處須將輸入距離值轉(zhuǎn)化為所需的中斷次數(shù)，(即必須經(jīng)歷5拍為一周期的次數(shù)，這是因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪及行走機(jī)構(gòu)確定后，每中斷一次所走過的路程即為定值。)這一過程由下式完成即設(shè)定的行走距離×特定放大系數(shù)確定A/B的粗略數(shù)值時(shí)，需要考慮傳動(dòng)齒輪的變速比，絲桿螺距及步進(jìn)電機(jī)在特定工作方式下的步距角，然后再配以精密量具，由實(shí)驗(yàn)最終確定A、B精確值，以提高運(yùn)行精度。只允許高速輸出中斷，清除中斷登記寄存器，判斷決定行進(jìn)方向的高速輸入口是否為＂1＂，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)所需的命令字完全不同，故兩者的命令字須分區(qū)安放，在此處均要對(duì)所要行進(jìn)方向進(jìn)行判別，如果要求正反轉(zhuǎn)速度也不同，則它們各自的時(shí)間間隔表同樣必須分區(qū)安放。若決定行進(jìn)方向的高速輸入口1不為＂1＂，#00H送位移指針寄存器，再至開中斷；若決定行進(jìn)方向的高速輸入口1為＂1＂，則#20H送位移指針寄存器，再至開中斷，再至將當(dāng)前高速輸出事件數(shù)#07H送50H寄存器；以正轉(zhuǎn)為例，此時(shí)的事件指26H—07H—04H—22H—00H—27H—16H，這7個(gè)事件，其中包括首次裝載所必須的2個(gè)事件即26H—07H，再至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，再至位移指針寄存器內(nèi)容加1，再至判斷所有高速輸出事件是否裝載完畢，若不是即至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，若是，則至在此循環(huán)等待中斷。b.高速輸出中斷服務(wù)程序框圖，見附圖3。首先，中斷循環(huán)次數(shù)減1，判斷中斷循環(huán)次數(shù)是否為零，如是中斷循環(huán)次數(shù)為零，表明此時(shí)已將工作物移動(dòng)到了目的地，則至關(guān)中斷復(fù)位結(jié)束；如果中斷循環(huán)次數(shù)不為0，存當(dāng)前高速輸出事件數(shù)#05H到50H寄存器，此處以反轉(zhuǎn)為例，當(dāng)前要高速輸出的事件為27H—04H—21H—03H—36H或者是07H—24H—01H—23H—16H，事件數(shù)都是5。再至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，再至位移指針寄存器內(nèi)容加1，再至判斷所有高速輸出事件裝載完畢，若不是，再返回調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，若是，則至判斷位移指針內(nèi)容與#0CH比較兩者不相等嗎，以正轉(zhuǎn)為例，此時(shí)位移指針寄存器初始值為#00H，判斷命令字是否取到最后一個(gè)命令字36H，如果是，位移指針內(nèi)容減#OAH，即將該指針指向04H命令字，以便下次循環(huán)取命令字；如果不是，則表明是16H命令字發(fā)出的中斷請(qǐng)求，此時(shí)，位移指針不變，接著繼續(xù)往下判斷位移指針寄存器內(nèi)容與#2CH比較兩者不相等嗎？判斷反轉(zhuǎn)時(shí)，命令字是否取到最后一個(gè)命令字36H，若兩者相等，則返回，若不等位移指針內(nèi)容減#OAH，再返回。c.高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，見附圖4。首先，判斷高速輸出保持寄存器空否，若不空則返回，繼續(xù)該判斷，若是空的則裝入命令字/時(shí)間間隔，再至調(diào)整位移指針寄存器內(nèi)容，再返回。4.傳動(dòng)裝置本發(fā)明的傳動(dòng)裝置是由步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)裝置組成的，其結(jié)構(gòu)見附圖6，步進(jìn)電機(jī)4與減速齒輪5嚙合，減速齒輪5與支承7上的滾珠絲杠6嚙合，被移動(dòng)物體1、2、3放在滾珠絲杠6上。本發(fā)明系統(tǒng)工作時(shí)1.給單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)功放電源通電，將工作程序送至單片機(jī)的RAM區(qū)；2.設(shè)定行進(jìn)距離及行進(jìn)方向，將工作方式設(shè)定在工作狀態(tài)；3.按2080+EXEC鍵，步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪減速，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作物體作直線運(yùn)動(dòng)。(1)首先計(jì)算所需中斷次數(shù)，然后經(jīng)一定語句的運(yùn)行進(jìn)入初始化在內(nèi)的第一次中斷，即先后共7次調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，每次調(diào)用后除將位移指針寄存器內(nèi)容加1外，還將50H寄存器的內(nèi)容減1，再判斷是否為零，若為零則表示前7次裝載已經(jīng)做完，而后等待中斷信號(hào)，伺機(jī)進(jìn)入高速輸出中斷服務(wù)程序。(2)程序執(zhí)行到高速輸出中斷服務(wù)程序后，每執(zhí)行一次中斷，要5次裝載所需命令字/時(shí)間間隔的內(nèi)容，(即不再需要初始化了)，并使中斷循環(huán)次數(shù)減1，最終以中斷循環(huán)次數(shù)為零為依據(jù)，循環(huán)次數(shù)為零則退出中斷，并執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)機(jī)語句，若中斷循環(huán)次數(shù)不為零則依次執(zhí)行中斷服務(wù)程序的各步驟后，等待下一次中斷。4.將工作方式設(shè)定在鎖定狀態(tài)，此時(shí)可保證工作物體不會(huì)受外力作用而移動(dòng)。5.在步驟1不改變的情況下，重復(fù)執(zhí)行步驟2、3、4則可將工作物體精確移動(dòng)至任意位置。6.單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)功放電源關(guān)電。本發(fā)明的工作方式為5相10拍，如使用160BC548步進(jìn)電機(jī)，其最大優(yōu)點(diǎn)是最大靜力矩高達(dá)30nm，因而可用于移動(dòng)數(shù)噸重的物體，并實(shí)現(xiàn)精確到十分之一毫米精度的精確定位。本發(fā)明可用于三相、四相、五相、六相、拓展了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用范圍。本發(fā)明中的軟件程序，固化在單片機(jī)內(nèi)，再經(jīng)光電隔離接口，經(jīng)功放電源接步進(jìn)電機(jī)，光電隔離的作用是提高系統(tǒng)抗干擾的能力，隔斷工作物體所在現(xiàn)場(chǎng)中可能產(chǎn)生的干擾性高壓，保護(hù)單片機(jī)不受損壞。本發(fā)明可用于各種場(chǎng)合的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，家電，干擾性高控制其直線距離行走或精確的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。1.選用8090單片機(jī)，160BC548步進(jìn)電機(jī)，移動(dòng)HT—7托卡馬克裝置的低雜波天線。1)開機(jī)a.確定控制室里的控制盒K1開關(guān)處于鎖相狀態(tài)。b.到工作現(xiàn)場(chǎng)合電源控制柜上的電源380V插頭，按控制柜開機(jī)開關(guān)，柜內(nèi)風(fēng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；c.按鎖相按鈕到工作狀態(tài)；d.在控制室，合+5V輸出的單片機(jī)電源。2).將EPROM固化程序移至RAM區(qū)a.按復(fù)位鍵RET；b.按數(shù)字鍵0400，再按功能鍵F1；c.同上法09FF+F2；d.2000+F2e.64+EPMOFY鍵，然后數(shù)碼最左端顯示P。3).將K1置于工作狀態(tài)；4).先按MON鍵，在A5、A6寄存器中存入天線要移動(dòng)的毫米整數(shù)值和毫米小數(shù)位(例要使天線移動(dòng)28.58mm按A5+REG鍵，鍵入數(shù)字28，再按NEXT出現(xiàn)A6，然后鍵入數(shù)字58，再按NEXT及MON鍵。5).撥動(dòng)K2，選定天線移動(dòng)方向；6).按2080+EXEC鍵，步進(jìn)電機(jī)開始驅(qū)動(dòng)天線，天線到位后數(shù)碼管最左端又顯示P，然后將K1，置于鎖相狀態(tài)。7).如需再次移動(dòng)天線位置，則僅重復(fù)步驟3～6即可；8)關(guān)機(jī)a.按單片機(jī)復(fù)位鍵；b.關(guān)單片機(jī)+5V電源c.到工作現(xiàn)場(chǎng)(HT-7平臺(tái)上)，先按鎖相按鈕，再按關(guān)機(jī)按鈕撥掉380V插頭。權(quán)利要求1.一種單片機(jī)精確控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，單片機(jī)經(jīng)光電隔離接口，再經(jīng)功放電源，接步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)工作物體；在單片機(jī)內(nèi)有行進(jìn)距離設(shè)定；行進(jìn)方向設(shè)定；鎖定/工作方式設(shè)定。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于A、單片機(jī)的7、8、9、10、5腳經(jīng)光電隔后分別接功放電路入口的A、B、C、D、E相，各相有效時(shí)序?yàn)閍).正轉(zhuǎn)AB—ABC—BC—BCD—CD—CDE—DE—DEA—EA—EABb).反轉(zhuǎn)AB—EAB—EA—DEA—DE—CDE—CD—BCD—BC—ABCB、高速輸出各引腳狀態(tài)，正轉(zhuǎn)取命令字的循環(huán)過程26H—01H—04H—24H—01H—23H—16H—27H—04H—21H—03H—36H以上26H—01H僅用于有效端口的初始化。正轉(zhuǎn)取時(shí)間間隔的循環(huán)過程T1—T1—T1—2T1—3T1—4T1—5T1—T1—2T1—3T1—4T1—5T1以上最先的T1—T1僅用于有效端口的初始化。反轉(zhuǎn)取命令字的循環(huán)過程26H—04H—07H—24H—01H—23H—16H—27H—04H—21H—03H—36H以上26H—04H僅用于有效端口的初始化。反轉(zhuǎn)取時(shí)間間隔的循環(huán)過程T2—T2—T2—2T2—3T2—4T2—6T2—T2—2T2—3T2—4T2—5T2以上最先的T2—T2僅用于有效端口的初始化。C、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件a.主程序；b.高速輸出中斷服務(wù)程序；c.高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器裝載子程序。D、傳動(dòng)裝置步進(jìn)電機(jī)與減速齒輪嚙合，減速齒輪與支承上的滾珠絲杠嚙合，被移動(dòng)物體放在滾珠絲杠上。3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)軟件a.主程序b.高速輸出中斷服務(wù)程序；c.高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器裝載子程序。設(shè)棧指針；選高速輸出中斷服務(wù)程序的入口地址存放單元，選擇單片機(jī)5腳為高速輸出口；關(guān)中斷；將行進(jìn)距離以十進(jìn)制數(shù)輸入到A5寄存器(存整數(shù))及A6寄存器(存小數(shù))并計(jì)數(shù)所需中斷次數(shù)，這在實(shí)際使用中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸必須配以特定形式的傳動(dòng)齒輪，才能將轉(zhuǎn)角的變化轉(zhuǎn)換成距離的前后移動(dòng)，因此，在此處須將輸入距離值轉(zhuǎn)化為所需的中斷次數(shù)，只允許高速輸出中斷，清除中斷登記寄存器，判斷決定行進(jìn)方向的高速輸入口是否為＂1＂，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)所需的命令字完全不同，故兩者的命令字須分區(qū)安放，故均在此處要對(duì)所要行進(jìn)方向進(jìn)行判別，如果要求正反轉(zhuǎn)速度也不同，則它們各自的時(shí)間間隔表同樣必須分區(qū)安放；若決定行進(jìn)方向的高速輸入口1不為＂1＂，#00H送位移指針寄存器，再至開中斷；若決定行進(jìn)方向的高速輸入口1為＂1＂，則#20H送位移指針寄存器，再至開中斷，再至將當(dāng)前高速輸出事件數(shù)#07H送50H寄存器；以正轉(zhuǎn)為例，此時(shí)的事件指26H—07H—04H—22H—00H—27H—16H，這7個(gè)事件，其中包括次裝載所必須的2個(gè)事件即26H—07H，再至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，再至位移指針寄存器內(nèi)容加1，再至判斷所有高速輸出事件是否裝載完畢，若不是即至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，若是則至在此循環(huán)等待中斷；b.高速輸出中斷服務(wù)程序首先，中斷循環(huán)次數(shù)減1，判斷中斷循環(huán)次數(shù)是否為零，如是中斷循環(huán)次數(shù)為零，表明此時(shí)已將工作物移動(dòng)到了目的地，則至關(guān)中斷復(fù)位結(jié)束；如果中斷循環(huán)次數(shù)不為0，存當(dāng)前高速輸出事件數(shù)#05H到50H寄存器，再至調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，再至位移指針寄存器內(nèi)容加1，再至所有高速輸出事件裝載完畢，若不是，再返回調(diào)用高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序，若是，則至位移指針內(nèi)容與#0CH比較兩者不相等嗎？以正轉(zhuǎn)為例，此時(shí)位移指針寄存器初始值為#00H，判斷命令字是否取到最后一個(gè)命令字36H，如果是，位移指針內(nèi)容減#OAH，即將該指針指向04H命令字，以便下次循環(huán)取命令字；如果不是，則表明是16H命令字發(fā)出的中斷請(qǐng)求，此時(shí)，位移指針不變，接著繼續(xù)判斷位移指針寄存器內(nèi)容與#2CH比較兩者不相行嗎？判斷反轉(zhuǎn)時(shí)，命令字是否取到最后一個(gè)命令字36H，若兩者相等，則返回，若不等位移指針內(nèi)容減#OAH，再返回；c.高速輸出按內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器的裝載子程序首先，判斷高速輸出保持寄存器空否，若不空則返回，繼續(xù)該判斷若是空的則裝入命令字/時(shí)間間隔，再至調(diào)整位移指針寄存器內(nèi)容，再返回。全文摘要本發(fā)明公開了一種單片機(jī)精確控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)。本發(fā)明用單片機(jī),以5相10拍的數(shù)字信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng);單片機(jī)經(jīng)光電隔離接口,再經(jīng)功放電源,接步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)工作物體。本發(fā)明可用于各種場(chǎng)合的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)精確到十分之一毫米精度精確定位。本發(fā)明系統(tǒng)可廣泛用于工業(yè)設(shè)備、家電、控制其直線距離行走或精確的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。文檔編號(hào)H02P8/00GK1195924SQ98111309公開日1998年10月14日申請(qǐng)日期1998年5月18日優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日發(fā)明者林建安,匡光力申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所