大尺寸测量仪中三轴驱动系统的设计

　　1引言

　　大尺寸测量仪是一种精密测量仪器，在工业、军事等高精密测量领域获得了广泛的应用。其中，三轴驱动系统是其一个子系统，它是测量仪实现自动化测量和扩大测量范围的实现基础，传统驱动系统的控制都是采用电机控制卡的形式，虽然能够完成所需的功能，但往往价格较昂贵，本文提出了一种基于单片机的步进电机三轴驱动系统，不仅能够实现测量的自动化，而且结构简单，成本低。并且该系统还可应用于其他工农业设备中，具有重要的实际意义。

　　2系统组成

　　本系统的组成框图见图1。它主要由计算机或者手动操纵杆输出的控制信号，经手动/自动切换后，输入到单片机系统，由单片机系统控制驱动模块，然后再由驱动模块给出步进电机的驱动信号，驱动测量仪X,Y,Z三个方向上导轨的运动。

　　本文采用的单片机为ATMEL公司的AT89C51,它是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片，片内带有4k字节的闪速可编程及可擦除只读存储器(PEROM ) ,128 X 8位内部RAM，使得系统设计起来，结构简单，功能强大，而且价格便宜[1].

　　步进电机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件，它的机械位移与输入的数字脉冲有着严格的对应关系[2]。它具有很多优点，如能直接实现数字控制，无须任何中间转换;控制性能好，位移量与脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以在较宽的范围内调节速度。因此步进电机主要用于位置控制系统中，这样的系统，结构简单，调试方便，工作可靠，成本低。因此，我们的系统选用步进电机作为驱动测量仪X,Y.Z三个方向上导轨运行的执行元件。

　　本系统中，要控制步进电机的运动，重要的就是在以下三个方面控制:(1)步进电机的运动速度，由单片机系统输出的脉冲频率来控制;(2)步进电机驱动传动装置的运动距离，由单片机系统输出的脉冲个数决定;(3)步进电机的运动方向，由单片机系统输出的方向信号控制。另外，本系统是用单片机同时控制三个电机，三个电机之间的运动既需要相互协调又不应有什么相互限制;而且对于单个的电机，其运动过程中，各个运动状况之间的切换，如由静止状态到高速正转状态，再由高速正转到低速反转状态等，都是本系统需要解决的重点问题。深入研究后，认为这些问题的关键就是使系统能够同时输出三路独立的，且各路频率可编程调节的脉冲信号。因此，本系统研制开发的重点就是由单片机系统输出所需的脉冲。本文设计的单片机系统的组成框图如图2: