基于单片机的步进电机开环控制系统设计

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    Research on the Driver and Control System of the Step Motor
摘要: 本文研究开发了一种步进电机驱动器及其控制系统。该系统以PC机作为上位机，以单片机作为下位机，可使上位机能够可靠地将经过处理的控制指令和参数发送到下位机，保证下位机能够准确、及时地发出控制信号，通过驱动器驱动步进电机工作。同时，上位机检测下位机的各种状态信号，进行诊断和处理。
关键字: 步进电机；控制系统；驱动器；通信电路
Abstract: A high performance control system of stepping motor has been developed. The system adopts the PC as master computer and the single-chip as slave computer. Control instructions and parameter have been delivered from the master computer to slave computer dependently and smoothly in order to guarantee the work that can be accurately and promptly done. Besides, the host computer collects various kinds of state signal that the slave computer feedbacks to diagnose and manipulate.
Keywords: Step Motor; Control System; Driver; Communication Circuit
1 引言
步进电机又称脉冲电动机，是数字控制的一种执行元件。它是随着计算机控制系统发展而发展起来，利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的电动机。对于步进电机控制系统，运动控制器就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。本文以步进电机为控制对象，继承传统步进电机控制的优点，研制高性能步进电机驱动器及控制系统。
2 系统总体设计


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图1 控制器总体结构图
步进电机控制器是步进电机控制系统重要部分，控制器接收上位机发送的指令，并根据指令向各步进电机发出控制信号，各个电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动步进电机的电信号，实现步进电机的控制。采用PC机的控制系统，其软硬件资源丰富，柔性极强。图1为控制器总体结构图。
单片机的种类是很多的，有PIC系列、Motorola系列、Intel系列8051类单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能齐全、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择提供了很大的余地。Intel公司生产的51系列单片机具有功能强大、价格低廉、体积小、开发工具易操作等特点，在市场中占有很大的份额，是一种比较通用且经济实惠的产品。因而本系统中选用了40管脚的51单片机ATMEL89C51作为主控芯片。
3 硬件详细设计
3.1 通信电路设计
通过EPP并行口可以简单方便地设计出各种接口应用电路，其设计方法与总线方式更为接近，由于它所用的信号线十分有限，必须把数据的传送分为两个周期。
EPP口的数据与地址分时复用8位数据/地址总线，其资源相对较少，并且在EPP口中只有WRITE, DATASTB, ADDSTB这三条用于数据和地址传输的控制线，所以整个系统的读写控制信号即读数据、读地址、写数据、写地址信号不能直接从EPP口上得到。为了解决这一问题，在设计中采用了对数据选通线、地址选通线、写信号线进行组合译码的方法，其接口电路如图2所示。


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图2 通信接口电路
3.2 驱动与光电隔离电路设计
尽管所有的打印机口均有17根信号传输线，然而这些信号线的性能确存在着差别，例如输出电阻、抗干扰能力等都有所不同。IEEE488描述了两个级别的打印机性能标准:一级和二级。二级标准可以提供比原始打印口或一级标准大的多的电流。EPP和ECP模式均可以提供二级标准。电路设计中采用8D双向总线发送/接收器74LS245作为驱动电路，74LS245在电路中起缓冲、隔离作用，还有一定的保护和控制作用。当E有效时，74LS245的输入/输出方向由DIR控制。因此，若将DIR接固定TTL电平，则74LS245为单向缓冲器。一般都是使用它的双向传输功能。为此，DIR必须可控，使其根据需要变为高电平或低电平，并与E相结合控制数据传输方向。
光隔离器具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输入输出之间绝缘、单向传输信号等优点。利用光隔离器将控制器与外部的驱动电路隔离开来，使得外部电路的变化不至于影响或者损坏控制系统，从而提高系统的可靠性，增强抗干扰能力。光隔离器最重要的参数是电流传输比CTR，应注意通常其值为0.2"0.9。输入数字信号提供一定的电流(5"10mA)时，光隔离器才会把放大的数字电平输出。
光隔离器联结时注意信号正负逻辑。光隔离器的输入、输出端地线必须互相隔开，并且输入、输出端两个电源必须单独供电，否则，如果使用同一电源外部干扰信号可能通过电源串到系统中来。
3.3 复位电路设计
所谓复位，就是要让单片机以及单片机系统在正式工作前处于一种特定状态，只有以该状态为起点，随后的工作才可控制，系统才能够可靠性的工作。上电和复位电路如图3所示:


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图3 复位电路
复位信号的产生有3种方式:外部复位电路上电或手动复位、监督定时器溢出复位、执行指令RST。监督定时器溢出产生复位信号和执行RST指令产生复位信号属于89C51内部复位控制逻辑，其前提是单片机已开始运行程序。比较实用的复位方式是上电复位。此种方法是从RESET脚连接一个合适的电容到地，每lμs时间需电容约1"2μF。电路上电时，电容C迫使RESET引脚处于电平，然后由内部上拉器件将RESET引脚拉向高电平。此电路仅适用与VCC上升较快的情况。当系统掉电时，二极管为电容C提供了迅速放电的通路，从而保护系统在反复通电时均能可靠复位。
3.4 存储模块与振荡电路设计
单片机应用系统比较小巧，一般存储量也不会很大，因此，大都采用静态RAM ,使用方便，不需要刷新。常用的芯片有6116(2K), 6264(8K), 62256(32K)。由于89C51片内只有128个字节的RAM，而本系统中需要存储的数据比较多，需要扩展外部RAM ,系统采用1片6264。
AT89C51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，输入端与输出端为XTAL1和XTAL2，与作为反馈元件的片外晶体振荡器一起构成一个自激振荡器。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路种，这时内部振荡器便自激振荡，对C1和C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性等。外接晶体时，C1和C2值常选择为30pF左右，本系统选C1和C2值为30pF。
3.5 电源模块设计
控制系统能否稳定、可靠的工作，电源的设计是非常重要的。在本系统中，需要三种电源:+5V, +12V和-12V。为此设计了由集成稳压块7805, 7812, 7912组成的集成电压电路。    在电路中使用的7805, 7812, 7912稳压块不仅有输入端、输出端和公共端，在芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路，使用简便，具有保护功能好，安全可靠、输出稳定度高等特点。这个电路给系统提供稳定的直流供电电压、为电路提供精密基准电压源，在进行光电隔离时，为隔离电路提供独立的供电电源。集成稳压块的作用为把非稳定的直流电压变换成稳定的直流电压。
电源电路如图4所示。该电路由变压器、桥式整流器B1、滤波电容和集成稳压块7805, 7812, 7912组成。其工作原理为220V交流电经变压器降压后由次级线圈输出后电压降为24V的交流电，然后经过桥式电路整流后成为波动的直流电源，经过高低通滤波后，输入集成电压稳压器7805, 7812和7912，输出+5V±5%, +12V±5%、-12V±5%直流电压，提供给单片机应用系统。该电路经实验证明，具有结构简单、经济、实用等特点。


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图4 电源电路原理图
4 系统软件设计
为了使控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效地实现实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有高质量的软件支持。系统软件设计包括单片机应用软件和PC机应用软件。单片机软件采用MCS-51汇编语言编写，PC机软件采用Delphi7.0编写。单片机程序主要实现了位置控制、过程控制、信号处理、插补、通信处理等功能C机软件主要是对数据的进一步处理，实现了人机界面、实时位置动态显示、曲线显示等功能。


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图5 系统应用软件分层图
本软件系统是在Windows98平台上，利用Delphi7.0开发成功的，系统软件由许多功能模块组成。系统软件界面友好，使用方便，实现了电机运动控制功能。该软件共有三个窗体:简单运动窗体、插补运动窗体、E即接口测试窗体。其软件分层框图如图5所示。
本文作者创新点: 本文借助计算机技术、数控技术、电子技术、接口技术、单片机控制技术设计开发了一个步进电机开环控制系统。控制器采用单片机作为主体，与PC机构成上下位机控制结构。该控制器可以输出频率可调的方波信号，可以满足步进电机运行的频率范围。系统无论是在硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。
参考文献:
[1] 张旭辉.管道对接焊缝自动超声检测系统的研制[D].西安:西安科技大学机械工程系，2002
[2] 吴琼水,曾立波,雷俊锋.MAX7000S在步进电机微机控制系统中的应用[J].电子技术.No.12, 2001.47-48
[3] 高军礼, 卢卓权. 步进电机一体化控制系统的设计[J]. 微计算机信息, 2007, 4-1: 69-70
作者简介: 李存志(1971.12-), 男(汉族), 河南省舞阳县人, 河南经贸职业学院讲师, 郑州大学硕士研究生, 主要从事嵌入式系统、自动控制研究。
张松炜（1971.09-）,男, 汉, 河南省义马市人, 郑州航空工业管理学院机电工程系, 研究方向:通信网信令系统。
详细通讯地址：河南省郑州市农业路36号河南经贸职业学院  单位邮编: 450053
收件人: 李存志     
         
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ffey8810

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robter

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