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1 引言 步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓�(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下， 電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給 電機加一個(gè)脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周 期性的誤差而無(wú)累積誤差，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域，用步進(jìn)電機來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn) 單。本文設計了一種基于A(yíng)T89S52 單片機和VC++的步進(jìn)電機控制系統，可以實(shí)現對步進(jìn) 電機的基本控制及狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。 2 系統組成 使用、控制步進(jìn)電機必須由環(huán)形脈沖源、功率放大電路等部分組成控制系統，脈沖信號 一般由單片機或CPU產(chǎn)生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比則 越大。功率放大是驅動(dòng)系統最為重要的部分。步進(jìn)電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動(dòng)態(tài) 平均電流而非靜態(tài)電流，平均電流越大，電機力矩越大，要達到平均電流大，這就需要驅動(dòng) 系統盡量克服電機的反電勢。因而不同的場(chǎng)合采取不同的驅動(dòng)方式。到目前為止，驅動(dòng)方式 一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動(dòng)、恒流等。 本文設計系統中，脈沖信號由單片機AT89S52產(chǎn)生并分配給步進(jìn)電機各相，功率放大部分由驅動(dòng)電路完成，系統結構框圖如圖1所示。 本文所設計系統中，步進(jìn)電機模塊采用35BY48S03永磁式步進(jìn)電機，用戶(hù)利用4*4鍵盤(pán)或上位機的控制界面實(shí)現指令輸入，采用上位機或1602字符型液晶模塊實(shí)時(shí)顯示運行狀態(tài)。 3 硬件設計 3.1 單片機最小系統電路 單片機的最小系統電路包括時(shí)鐘電路和復位電路。本文所設計系統中，時(shí)鐘電路采用內 部振蕩方式，所得的時(shí)鐘信號比較穩定，實(shí)用電路中使用較多。復位電路作用是使單片機 的片內電路初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開(kāi)始運行。復位電路采用2種基本形式：上 電復位、開(kāi)關(guān)復位。 3.2 鍵盤(pán)電路 設計P1口接4*4鍵盤(pán)，鍵盤(pán)電路圖如圖2所示： 3.3 電機驅動(dòng)電路 35BY48S03型步進(jìn)電機接線(xiàn)圖如圖3所示，從圖中可以看出，電機共有四組線(xiàn)圈，四組線(xiàn)圈的一個(gè)端點(diǎn)連在一起引出，這樣一共有5根引出線(xiàn)。要使步進(jìn)電機轉動(dòng)，只要以一定的 次序輪流給各引出端通電即可，加電的方式可以有多種，包括單相驅動(dòng)、雙相驅動(dòng)、單－雙 相驅動(dòng)等，相應步進(jìn)角有整步和半步區分。在本文設計的系統中，采用單相驅動(dòng)和單－雙相 驅動(dòng)兩種加電方式驅動(dòng)步進(jìn)電機運轉。 根據該電機參數，不難設計出驅動(dòng)電路，因其工作電壓為12V，最大電流為0.26A，因 此用一塊開(kāi)路輸出達林頓驅動(dòng)器(ULN2003)作為驅動(dòng)，通過(guò)P2.7-P2.4來(lái)控制各線(xiàn)圈的接通與 切斷。如果要改變電機的轉動(dòng)速度只要改變兩次接通之間的時(shí)間，而要改變電機的轉動(dòng)方向， 只要改變各線(xiàn)圈接通的順序。 3.4 串行通信電路 在PC機內接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的電平轉換器和RS-232C連 接器，除鼠標占用一個(gè)串行口外，還留有兩個(gè)串行口給用戶(hù)，這就是COM1（地址3F8H-3FFH） 和COM2（地址2F8H-2FFH），通過(guò)這兩個(gè)口，可以連接串行通信設備，如單片機、仿真機 等。由于單片機的串行發(fā)送和接收線(xiàn)TXD和RXD是TTL電平，而PC的COM1或COM2的 RS-232C連接器（D型9針插座）是EIA電平，因此單片機需加接MAX232芯片，通過(guò)串行電 纜線(xiàn)和PC相連接。本文所設計的串行通信電路如圖4所示。 3.5 下位機顯示電路 液晶采用顯示容量為2行16個(gè)字的1602液晶，1602采用標準的16腳接口，內部的字符發(fā) 生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的 代碼。設計電路圖如圖5所示。 4 軟件設計 軟件設計可分為兩個(gè)部分：上位機軟件設計和下位機軟件設計。上位機軟件設計包括： 上位機控制環(huán)境設計、上位機通信程序設計以及上位機程序的封裝發(fā)布；下位機軟件設計包 括：鍵盤(pán)掃描程序、下位機通信程序、主驅動(dòng)程序、測試部分程序、顯示部分程序。 4.1 上位軟件設計 Visual C++設計了一套基礎類(lèi)庫（Microsoft Foundation Class Library, MFC）, MFC把編 程規范中的大多數內容封裝成為各種類(lèi)，使程序員從繁雜的編程中解脫出來(lái)。根據系統設 計需要，設計一個(gè)基于對話(huà)框的應用程序即可，如圖6所示。 為實(shí)現上位機與下位機通信，利用Microsoft提供的串行通信ActiveX控件。該控件的相 應文件是MSCOMM32.OCX。在基于對話(huà)框的程序中使用控件，需要進(jìn)行以下幾方面操作： 拖動(dòng)控件圖標到窗口上，創(chuàng )建控件ID。在對話(huà)框頭文件中聲明CMSComm類(lèi)的變量及引用控 件類(lèi)頭文件。創(chuàng )建CMSComm類(lèi)的實(shí)例。建立控件事件響應代碼框架。 在電機狀態(tài)改變后，由下位機將代表各狀態(tài)的數據發(fā)送給上位機，上位機接收到后存入 一個(gè)數組內，根據此數組內容刷新各編輯框內容，以達到實(shí)時(shí)顯示的目的。此處共有五個(gè)數 據，放入rxdata數組中，分別代表勵磁狀態(tài)、轉動(dòng)方向、速度、測試1計數、測試2計數。上 位機MSComm控件SetRThreshold屬性設置為5，則當下位機將五個(gè)數據發(fā)送完后，上位機立 即觸發(fā)OnComm事件，進(jìn)行接收。 當我們安裝VC++6.0時(shí)，如果選擇了ACtiveX控件項（自定義安裝），MSComm控件就 會(huì )自動(dòng)安裝在計算機上了，并在系統文件夾下多了3個(gè)文件：Mscomm.srg，Mscomm32.ocx， Mscomm32.dep，即MSComm控件已經(jīng)過(guò)授權，但要注意的是，如果程序移植到其它沒(méi)有安 裝VC軟件的PC機上，必須將其使用“執照”License 在注冊表中登記注冊，才可以正常運行。 為了正常運行， 還需要將VC開(kāi)發(fā)的可執行文件與運行所需的三個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接文件 MFC42D.DLL，MFCO42D.DLL，MSVCRTD.DLL放在同一個(gè)文件夾中。使用Installshield軟 件進(jìn)行封裝實(shí)現以上要求即可。 4.2 下位機軟件設計 本文所設計系統中，采用單相驅動(dòng)和單－雙相驅動(dòng)兩種加電方式驅動(dòng)步進(jìn)電機運轉，即 單相四拍和單－雙相八拍驅動(dòng)，分別為整步和半步運轉，步進(jìn)角分別為7.5度和3.75度，不同 的驅動(dòng)方式其狀態(tài)表不同，兩種驅動(dòng)方式的波形及狀態(tài)表如下，其中1代表高電平，表示驅 動(dòng)的磁極繞組通電；0代表低電平，表示驅動(dòng)的磁極繞組不通電。 按照設計要求改變轉速，則只要改變P2.7-P2.4輪流改變電平的時(shí)間即可達到要求，這個(gè) 時(shí)間不應采用延時(shí)來(lái)實(shí)現，因為會(huì )影響到其他功能的實(shí)現。這里以定時(shí)的方式來(lái)實(shí)現，晶振 頻率為11.0592M，采用T0方式1定時(shí)。主程序流程圖如圖7所示： 系統上電后，首先進(jìn)行初始化，包括液晶屏初始化及將程序所用到的內存單元（開(kāi)關(guān)機 狀態(tài)標志位7FH、正反轉標志位7EH、單相勵磁或單雙相勵磁標志位7DH、測試標志位7CH、 當前速度寄存單元2EH）清零。然后檢測是否開(kāi)啟電機，檢測到開(kāi)信號后，設置狀態(tài)位，7FH=1,7EH=1,7DH=1,2EH=10,代表起始狀態(tài)設置為：?jiǎn)坞p相勵磁正轉，起始速度為10r/m。 設置 T0 相關(guān)參數后，開(kāi)始定時(shí)，同時(shí)檢測鍵盤(pán)是否有其它請求發(fā)生，如果有，則改變 相應的狀態(tài)位，并改變單片機輸出波形，控制步進(jìn)電機運行狀態(tài)改變。 串行通信的編程方式有兩種查詢(xún)方式：查T(mén)I 或RI 是否為“1”。中斷方式：如果預先開(kāi) 了中斷，當TI、RI 為“1”，會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生中斷。兩種方式中當發(fā)送或接受數據后都要注意清 TI 或RI。本文所設計系統中，下位機采用查詢(xún)及中斷兩種接收方式，接收上位機的控制指 令；發(fā)送采用查詢(xún)方式，將當前電機運行狀態(tài)信息發(fā)給上位機實(shí)時(shí)顯示。 5 功能驗證 利用示波器測量P2.7-P2.4口產(chǎn)生的波形，以測試電機的激勵脈沖是否與理論相符，所測 波形如圖8、9所示。圖8是在單-雙相八拍勵磁方式，轉速為10轉/分的情況下，測量出的P2.7 和P2.5波形，即A，/A的激勵波形。圖9是在單相四拍勵磁方式，轉速為30轉/分的情況下， 測量出的P2.7和P2.6波形，即A，/B的激勵波形。 上位機控制操作和鍵盤(pán)控制操作可以單獨發(fā)出指令，也可以交互發(fā)出指令，該系統應用 環(huán)境較廣。經(jīng)測試，所設計系統可以很好的達到設計要求，可以實(shí)現對步進(jìn)電機的基本控制 及狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示。 6 結論 本文設計出的步進(jìn)電機控制系統，可以實(shí)現對步進(jìn)電機的基本控制及運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯 示。該系統實(shí)用性強，操作方便，經(jīng)測試取得了良好效果。經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)改進(jìn)后，可以應 用于包裝機械的物料計量、包裝膜供送、橫封等過(guò)程中，精確控制執行機構的運行速度和運 行位置。利用步進(jìn)電機替代傳統的機械或其它方式，不僅能使包裝機械結構變得簡(jiǎn)單、調節 方便、可靠性增加，而且精度會(huì )得到很大提高。 |
