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摘要：介绍瓷砖印花机传送带驱动系统的改造，着重介绍单片机控制步进电机起动与准确停位的方法以及步进电机的驱动电路。
关键词：瓷砖印花机 高速步进电机 步进电机驱动电路 最佳起动停车
1.前 言
淄博是陶瓷之乡，瓷砖生产也具有一定的规模。上世纪八十年代引进了许多外国进口设备，其中，引进的意大利瓷砖印花机发挥了很大的作用。但是，随着应用时间的加长，电气控制部分逐步老化，已无法继续使用。而印花机本身还是很好的。淘汰了有些可惜，为此，我结合使用要求，将原先应用的Z80微型机控制系统改造成现在的89C51单片机控制系统。经过一段时间的使用证明，完全可以满足生产要求。
2.电气控制电路重新设计
2.1.步进电机驱动电路 如图1所示，为改造后的步进电机驱动电路。步进电机是两相四拍式，电源是±100伏，四拍分别由四个NPN大功率三极管驱动，由于脉冲频率不很高，步进电机的电感不足以限制电流大小，为此，加限流电阻0.5Ω，功率20瓦。四个三极管的驱动电源由变压器四个9伏绕组供电。
2.2.单片机89C51电路 如图2所示，为改造后的单片机控制电路。四个位置传感器，采用红外传感器和磁传感器，经过光耦传递到89c51。采用六位LED显示生产瓷砖的块数。为了可靠其间，应用了25045看门狗和用来统计记忆生产瓷砖总数的EEPROM。步进电机由四根接口线通过光耦驱动。
3.步进电机起动、制动最佳变频控制方法
步进电机的驱动是瓷砖印花机的主要部分，应用了步进电机作为执行元件的一个显著特点就是准确停位。如果负荷转矩（包括惯性力转矩）不超过步进电机所能提供的驱动转矩值，就能在瞬间使步进电机启动和停转。但这必须建立在步进电机及其驱动电路有足够的功率（即足够大的驱动转矩值），如果不满足，就会失步，结果启动不起来或停位不准确。高速情况下很容易不满足，这是因为步进电机是通过各绕组依次通入一定宽度的脉冲电流，使每个磁极下的小齿和转子的小齿依次对齐，产生驱动转矩而旋转的。当启动时如果脉冲的频率太高，时间宽度不够，使吸力作用的时间不够长时，由于转子及负载惯性的原因，在此脉冲作用期间没有将该对齐的小齿对齐，就换另一个绕组通电流，结果产生排斥的阻转矩，而使步进电机失步而停下（启动不起来）。同样道理，当停车时，由较高频率的脉冲突然降低为零频率（或只给一个绕组通电流），企图使步进电机立即停下，担由于惯性的原因，使转子冲过而失步，结果停位不准确。这样在驱动转矩有限的情况下，高速时就需要变频启动，使脉冲频率逐渐加大，脉宽逐渐变窄，作用时间由长逐渐缩短，而制动时需变频停车，使脉冲频率逐渐减小，脉宽逐渐变宽，作用时间由短逐渐长，。
瓷砖印花机的步进电机属于高速起动制动，则都需变频，亦即变脉宽。如何变呢？我们在瓷砖印花机电路改造设计中，采用单片机一个定时器来确定脉冲的宽度，即每中断一次，在中断服务程序中结束一个绕组的脉冲，开始另一个绕组的脉冲，同时修改定时器中的时间常数，以确定下个脉冲的宽度。下面要说明的是定时器的时间常数应如何随着步进电机的匀加速起动、匀速运行、匀减速制动而变化的。
步进电机旋转虽是一步一步的不连续的过程，但由于步长相对很小，可近似认为是连续的，这样可以用普通电动机起制动的概念分析，由于步进电机的最大驱动电流是定值，说明最大驱动转矩是定值，这就是说起动加速度最大值也是定值。如果脉冲频率变化太快（即脉冲的宽度减小太快），在不失步时，则就要求加速度太大，若超过其最大值就会失步。若保证其加速度始终接近最大值，步进电机就不会失步，达到最快起制动。
在匀变速旋转运动中，初转速为零，则转角（步进电机可用 步数）与时间的关系：θ=kt2 其中k是常数，t 是旋转θ角需要的时间 。若用步数n表示θ，则 n=kt2 。每步需要的时间为：
Δtn 就是相应脉冲的宽度，也就是定时器的时间常数求取的依据。
k值的求取：不同的步进电机.不同的驱动电路，k值是不同的。k值可以由实验测得。我们是这样测得的：先用固定脉宽（不变频）起动电机，开始先用较低的频率起动，逐渐提高频率（减小脉宽），直到起动不起来为止，把最后这个脉宽作为第一个脉冲的脉宽，即为Δt1，则
考虑到电流有一个上升阶段（不是一直最大），特别是高频下更明显，实际上加速度没计算的这么大，根据经验将第一个脉宽增加一倍，实践证明比较合适。
4.两相四拍步进电机最佳控制的中断服务程序
关键词：瓷砖印花机 高速步进电机 步进电机驱动电路 最佳起动停车
1.前 言
淄博是陶瓷之乡，瓷砖生产也具有一定的规模。上世纪八十年代引进了许多外国进口设备，其中，引进的意大利瓷砖印花机发挥了很大的作用。但是，随着应用时间的加长，电气控制部分逐步老化，已无法继续使用。而印花机本身还是很好的。淘汰了有些可惜，为此，我结合使用要求，将原先应用的Z80微型机控制系统改造成现在的89C51单片机控制系统。经过一段时间的使用证明，完全可以满足生产要求。
2.电气控制电路重新设计
2.1.步进电机驱动电路 如图1所示，为改造后的步进电机驱动电路。步进电机是两相四拍式，电源是±100伏，四拍分别由四个NPN大功率三极管驱动，由于脉冲频率不很高，步进电机的电感不足以限制电流大小，为此，加限流电阻0.5Ω，功率20瓦。四个三极管的驱动电源由变压器四个9伏绕组供电。
2.2.单片机89C51电路 如图2所示，为改造后的单片机控制电路。四个位置传感器，采用红外传感器和磁传感器，经过光耦传递到89c51。采用六位LED显示生产瓷砖的块数。为了可靠其间，应用了25045看门狗和用来统计记忆生产瓷砖总数的EEPROM。步进电机由四根接口线通过光耦驱动。
3.步进电机起动、制动最佳变频控制方法
步进电机的驱动是瓷砖印花机的主要部分，应用了步进电机作为执行元件的一个显著特点就是准确停位。如果负荷转矩（包括惯性力转矩）不超过步进电机所能提供的驱动转矩值，就能在瞬间使步进电机启动和停转。但这必须建立在步进电机及其驱动电路有足够的功率（即足够大的驱动转矩值），如果不满足，就会失步，结果启动不起来或停位不准确。高速情况下很容易不满足，这是因为步进电机是通过各绕组依次通入一定宽度的脉冲电流，使每个磁极下的小齿和转子的小齿依次对齐，产生驱动转矩而旋转的。当启动时如果脉冲的频率太高，时间宽度不够，使吸力作用的时间不够长时，由于转子及负载惯性的原因，在此脉冲作用期间没有将该对齐的小齿对齐，就换另一个绕组通电流，结果产生排斥的阻转矩，而使步进电机失步而停下（启动不起来）。同样道理，当停车时，由较高频率的脉冲突然降低为零频率（或只给一个绕组通电流），企图使步进电机立即停下，担由于惯性的原因，使转子冲过而失步，结果停位不准确。这样在驱动转矩有限的情况下，高速时就需要变频启动，使脉冲频率逐渐加大，脉宽逐渐变窄，作用时间由长逐渐缩短，而制动时需变频停车，使脉冲频率逐渐减小，脉宽逐渐变宽，作用时间由短逐渐长，。
瓷砖印花机的步进电机属于高速起动制动，则都需变频，亦即变脉宽。如何变呢？我们在瓷砖印花机电路改造设计中，采用单片机一个定时器来确定脉冲的宽度，即每中断一次，在中断服务程序中结束一个绕组的脉冲，开始另一个绕组的脉冲，同时修改定时器中的时间常数，以确定下个脉冲的宽度。下面要说明的是定时器的时间常数应如何随着步进电机的匀加速起动、匀速运行、匀减速制动而变化的。
步进电机旋转虽是一步一步的不连续的过程，但由于步长相对很小，可近似认为是连续的，这样可以用普通电动机起制动的概念分析，由于步进电机的最大驱动电流是定值，说明最大驱动转矩是定值，这就是说起动加速度最大值也是定值。如果脉冲频率变化太快（即脉冲的宽度减小太快），在不失步时，则就要求加速度太大，若超过其最大值就会失步。若保证其加速度始终接近最大值，步进电机就不会失步，达到最快起制动。
在匀变速旋转运动中，初转速为零，则转角（步进电机可用 步数）与时间的关系：θ=kt2 其中k是常数，t 是旋转θ角需要的时间 。若用步数n表示θ，则 n=kt2 。每步需要的时间为：
Δtn 就是相应脉冲的宽度，也就是定时器的时间常数求取的依据。
k值的求取：不同的步进电机.不同的驱动电路，k值是不同的。k值可以由实验测得。我们是这样测得的：先用固定脉宽（不变频）起动电机，开始先用较低的频率起动，逐渐提高频率（减小脉宽），直到起动不起来为止，把最后这个脉宽作为第一个脉冲的脉宽，即为Δt1，则
考虑到电流有一个上升阶段（不是一直最大），特别是高频下更明显，实际上加速度没计算的这么大，根据经验将第一个脉宽增加一倍，实践证明比较合适。
4.两相四拍步进电机最佳控制的中断服务程序