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    摘要：本文采用8051單片機的I/O口，信號控制五相步進電動機，利用內部程序對單片機輸出信號進行脈沖分配，從而驅動步進電動機轉動，實現對數控車床進給系統的方向、速度和位置的控制。采用當今廣泛應用工業控制自動化的變頻技術實現對數控車床主軸的無級調速，五相步進電動機作為該系統的執行元件。由于,步進電動機的角位移量和指令脈沖的個數成正比,旋轉方向與通電相序有關,因此,只要控制指令脈沖的數量、頻率及電動機繞阻通電的相序,便可控制機床進給系統的運動的位移量、速度和移動方向。實現對數控車床主軸和進給系統的自動控制，可以有效的節約電能、提高設備自動化、產品產量和質量。提高可觀的經濟效益,單片機已經廣泛應用于現代工業控制自動化系統中，掌握單片機技術是從事工業控制的重要技能。

1引言

    數控機床是數字控制工作母機的總稱，是集現代精密機械設計與制造技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術、檢測技術、電力電子與微電子技術、電機與新材料技術、液壓氣動技術、光電技術等最新成就而構成的機電一體化的高級典型產品，作為加工制造業的工作母機，同時是兼備高精度、高柔性、高效率、高自動化特點于一身的現代化設備。數控機床是國防軍工、國民經濟中的重要基礎裝備，它的應用遍及社會經濟的各個領域，是機械、電子、汽車、石化、建筑等部門的支柱產業，也是能源、交通、材料、通訊等基礎產業現代化重要工具。

    當今世界技術領域，自動化控制技術是實際應用最為廣泛、發展勢頭最為強勁、經濟效益最為明顯的技術之一。單片微型計算機是專門為工業應用設計的,我國目前有不少單位使用單片機實現低檔的經濟型數控系統。8051系列單片微機已成為應用最廣泛的機種.除了用低檔的經濟型數控機床的CPU之外,在多處理機構成的全功能CNC系統中也常用單片微機實現伺服驅動等功能。

    步進電動機的運行性能與電動機本身的特性、負載有關,而且與其配套使用的驅動電源有著密切的關系.步進電動機的運行性能是步進電動機和驅動電源的綜合結果,選擇性能良好的驅動電源對于發揮步進電動機的性能是十分重要的。

    交流異步電動機的調速始終是一個不好解決的難題。直到二十世紀七十年代，由于計算機的產生，以及近二十年來新型快速的電力電子元件的出現，才使得交流異步電動機調速成為可能，并得到迅速的普及。根據電機學理論，交流異步電動機的轉速可由公式n=60fp(1-s)可知，改變電源頻率來實現交流異步電動機的調速方法效果最理想，這就是所謂的變頻調速。

    80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監控刀具破損和自動檢測工件等功能。經過幾十年的發展，目前的數控機床已實現了計算機控制并在工業界得到廣泛應用，在模具制造行業的應用尤為普及。針對車削、銑削、磨削、鉆削和刨削等金屬切削加工工藝及電加工、激光加工等特種加工工藝的需求，開發了各種門類的數控加工機床。

2數控機床的機械結構

2.1數控車床概述

    數控車床又稱為CNC（ComputerNumerical）車床，即用計算機數字控制的車床。臥式車床是靠手工操作機床來完成各種切削加工，而數控車床是將編制好的加工程序輸入到數控系統中，由數控系統通過車床X、Z坐標軸的伺服電動機去控制車床進給運動部件的動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉體零件。因此，數控車床是目前使用較為廣泛的數控機床。

2.2數控車床主傳動系統

    主運動傳動系統由功率為11/15KW的AC伺服電動機驅動，經1：1的帶傳動帶動主軸旋轉，使主軸在35-3500r/min的轉速范圍內實現無級調速，主軸箱內部省去了齒輪傳動變速機構。因此減少了原齒輪對主軸的影響，并且維修方便。

2.3主軸箱結構

    主軸采用兩支承結構，前支承由一個雙列圓柱滾子軸承11和一對角接觸球軸承10組成，軸承11用來支承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口朝向主軸前端，另一個大口朝向主軸后端，用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母1和6來調整。螺釘17、13起防松作用。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用的雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉速高。而角接觸球軸能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉速高，該支承結構能滿足高大載荷切削的需要。

2.4進給傳動系統及傳動裝置

    X軸和Z軸進給分別由步進電動機驅動，X軸進給傳動裝置的結構簡圖。步進電動機15經同步帶輪14和10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉，其上螺母7帶動刀架21沿滑板1的導軌移動，實現X軸進給運動。滾珠絲杠的前支承3由三個角接觸球軸承組成，其中一個軸承大口向前，兩個軸承大口向后，分別承受雙向的軸向載荷。前支承由螺母2進行預緊。滾珠絲杠的后支承9為一對角接觸球軸承，軸承大口相背放置，由螺母11進行預緊。這種絲桿兩端固定的支承形式，其結構和工藝都較復雜，但是可以保證和提高絲杠的軸向剛度。Z軸進給傳動裝置。步進電機14經同步帶輪12和2以及同步帶11傳動到滾珠絲桿5，由螺母4帶動滑板連同刀架沿床身13的矩形異軌移動，實現Z軸的進給運動。電動機軸與同步帶輪12之間用錐環無鍵聯接，其中19和20是錐面相互配合的內外錐環。當擰緊螺釘17時，法蘭18的端面壓迫外錐環20使其向外膨脹，內錐環19受力后向電動機軸收縮，從而使電動機軸與同步帶輪聯接在一起。

3機床主軸變頻調速

3.1變頻調速原理

    在變頻調速中使用最多的變頻調速器是電壓型變頻調速器,由整流器、濾波系統和逆變器三部分組成。在其工作時首先將三相交流電經橋式整流為脈動直流電,脈動直流的電壓經平滑濾波后在微處理器的調控下,用逆變器將直流電再逆變為電壓和頻率可調的三相交流電源,輸出到需要調速的電動機上。由電工原理可知電機的轉速與電源頻率成正比,通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調節電機轉速,實現平滑的無級調速

3.2車床主軸的變頻調速

    車床主軸由11KW三相異步電動機拖動。通過比較決定選用三菱系列變頻器實現主軸的變頻調速,并始終工作在最佳狀態，另外在主軸后端加裝編碼器,實現主軸的速度控制。如圖1所示利用8051單片機的輸出實現主軸電機的正反轉和速度控制，變頻調速的結構示意圖。

3.3變頻器的抗干擾技術

3.3.1外來干擾

    變頻器采用了高性能微處理器等集成電路，對外來電磁干擾較敏感，會因電磁干擾的影響而產生錯誤，對運轉造成惡劣影響。外來干擾多通過以變頻器控制電纜為煤體的途徑侵入，所以鋪設控制電纜時必須采取充分的抗干擾措施。

3.3.2頻器產生的干擾

    變頻器的輸入和輸出電流的波形都不是標準正弦波，含有很多高次諧波成分。它們將以空中輻射、線路傳播等方式把自己的能量傳播出去，對周圍的電子設備、通信和無線設備的工作形成干擾。因此在裝設變頻器時，應考慮采取各種抗干擾措施，削弱干擾信號的強度。

4步進電動機對進給裝置的控制系統

    該數控機床的開環進給伺服系統不帶位置檢測反饋裝置,CNC單元發出的指令信號是單項的.該系統用功率步進電動機作為驅動元件,實現進給運動.當需要某個軸運動一個單位長度時,向該軸伺服電路輸出一個脈沖,經環形分配和功率放大驅動步進電動機轉動一步,通過絲桿轉動使機床運動部件運動一個單位長度。圖2為采用功率步進電動機的開環系統示意圖。

    步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一,廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的電磁裝置.步進電動機的向位移與輸入脈沖個數成正比,在時間上與輸入脈沖同步,它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。因此,只需控制輸入脈沖的數量、頻率及電動機繞阻通電順序,便可獲得所需的轉速及轉動方向.無脈沖輸入時,在繞阻電源激勵下,氣隙磁場能使轉子保持原有位置而處于自鎖狀態.步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制。

    現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。

5步進電動機的微機控制原理

    傳統的步進控制器線路復雜，成本高，用單片機控制步進電機時，可由單片機硬件和軟件代替上述步進控制器。不僅簡化了線路，降低了成本，面且可靠性大大提高，并能根據系統需要靈活改變步進電機的控制方案，使用起來更為方便。步進電動機的驅動電路根據控制信號工作。在步進電動機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。其基本控制作用如下。

5.1控制換相順序

    步進電動機的換相順序嚴格按照步進電動機的工作方式進行。通常我們把通電換相這一過程稱為脈沖分配。系統中以五相步進電動機工作在十拍2-3相通電方式為例,這時通電順序為:AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB先接通AB繞阻,以后再接通ABC相繞阻,然后斷開A相繞阻,使BC繞阻接通;再同時接通BCD相繞阻,依次進行。定子五相繞阻需經過十次切換才能完成一個循環。

5.2控制步進電動機的轉向

    通過前面介紹的步進電動機原理我們已經知道，如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電動機就正轉；如果按反序通電換相，則電動機就反轉。五相十拍步進電動機工作在2-3相方式,通電換相的正序是AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB,電動機就正轉；如果按反序EAB-EA-DEA-DE-CDE-CD-BCD-BC-ABC-AB，電動機就反轉。

5.3控制步進電動機的速度

    如果給步進電動機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電動機就轉得越快。因此，脈沖的頻率決定了步進電動機的轉速。調整單片機發出脈沖的頻率，就可以對步進電動機進行調速。步進電動機的速度控制通過控制單片機發出的步進脈沖頻率來實現。可以采用調整兩個控制字之間的時間間隔來實現調速。在此只要通過軟件延時的方法，改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率。但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時。

5.4利用微機對步進電機進行控制，有串行和并行兩種方式

5.4.1串行控制

    該方式使單片機系統與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線，單片機通過I/O接口將信號送入步進電動機驅動電源的環形分配器，所以在這種系統中，驅動電源中必須含有環形分配器。

5.4.2并行控制

    用微機系統的數條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅動電源內，不包括環形分配器，而其功能必須由微機系統完成。由計算機系統實現環形分配器的功能又有兩種方法：一種是純軟件方法，既完全軟件來實現相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號，主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟、硬件相結合的方法。本論文通過軟件實現脈沖分配,按照給定的通電順序,通過單片機I/O口向驅動電路發出控制脈沖，如圖3所示。

6結論

    本文圍繞著如何用單片機對步進電動機進行控制，從而實現控制車床X軸和Z軸的進給。該系統在機械方面不僅保證了機床的精度穩定性，也獲得可靠的加工質量，還減少了大量的齒輪傳動機構。