摘 要: 本文研究開發(fā)了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，以單片機(jī)作為下位機(jī)，可使上位機(jī)能夠可靠地將經(jīng)過處理的控制指令和參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)，保證下位機(jī)能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)出控制信號，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。同時(shí)，上位機(jī)檢測下位機(jī)的各種狀態(tài)信號，進(jìn)行診斷和處理。
關(guān)鍵字: 步進(jìn)電機(jī);控制系統(tǒng);驅(qū)動(dòng)器;通信電路
1 引言
步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件。它是隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展而發(fā)展起來，利用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移的電動(dòng)機(jī)。對于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制器就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個(gè)動(dòng)作。本文以步進(jìn)電機(jī)為控制對象，繼承傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn)，研制高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1 控制器總體結(jié)構(gòu)圖
步進(jìn)電機(jī)控制器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)重要部分，控制器接收上位機(jī)發(fā)送的指令，并根據(jù)指令向各步進(jìn)電機(jī)發(fā)出控制信號，各個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器則將控制信號轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電信號，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。采用PC機(jī)的控制系統(tǒng)，其軟硬件資源豐富，柔性極強(qiáng)。圖1為控制器總體結(jié)構(gòu)圖。
單片機(jī)的種類是很多的，有PIC系列、Motorola系列、Intel系列8051類單片機(jī)等。各個(gè)系列的單片機(jī)各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能齊全、價(jià)格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機(jī)家族，給我們單片機(jī)的選擇提供了很大的余地。Intel公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、體積小、開發(fā)工具易操作等特點(diǎn)，在市場中占有很大的份額，是一種比較通用且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的產(chǎn)品。因而本系統(tǒng)中選用了40管腳的51單片機(jī)ATMEL89C51作為主控芯片。
3 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
3.1 通信電路設(shè)計(jì)
通過EPP并行口可以簡單方便地設(shè)計(jì)出各種接口應(yīng)用電路，其設(shè)計(jì)方法與
總線方式更為接近，由于它所用的信號線十分有限，必須把數(shù)據(jù)的傳送分為兩個(gè)周期。
EPP口的數(shù)據(jù)與地址分時(shí)復(fù)用8位數(shù)據(jù)/地址總線，其資源相對較少，并且在EPP口中只有WRITE, DATASTB, ADDSTB這三條用于數(shù)據(jù)和地址傳輸?shù)目刂凭€，所以整個(gè)系統(tǒng)的讀寫控制信號即讀數(shù)據(jù)、讀地址、寫數(shù)據(jù)、寫地址信號不能直接從EPP口上得到。為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)中采用了對數(shù)據(jù)選通線、地址選通線、寫信號線進(jìn)行組合譯碼的方法，其接口電路如圖2所示。
圖2 通信接口電路
3.2 驅(qū)動(dòng)與光電隔離電路設(shè)計(jì)
盡管所有的打印機(jī)口均有17根信號傳輸線，然而這些信號線的性能確存在著差別，例如輸出電阻、抗干擾能力等都有所不同。IEEE488描述了兩個(gè)級別的打印機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn):一級和二級。二級標(biāo)準(zhǔn)可以提供比原始打印口或一級標(biāo)準(zhǔn)大的多的電流。EPP和ECP模式均可以提供二級標(biāo)準(zhǔn)。電路設(shè)計(jì)中采用8D雙向總線發(fā)送/接收器74LS245作為驅(qū)動(dòng)電路，74LS245在電路中起緩沖、隔離作用，還有一定的保護(hù)和控制作用。當(dāng)E有效時(shí)，74LS245的輸入/輸出方向由DIR控制。因此，若將DIR接固定TTL電平，則74LS245為單向緩沖器。一般都是使用它的雙向傳輸功能。為此，DIR必須可控，使其根據(jù)需要變?yōu)楦唠娖交虻碗娖剑⑴cE相結(jié)合控制數(shù)據(jù)傳輸方向。
光隔離器具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸入輸出之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn)。利用光隔離器將控制器與外部的驅(qū)動(dòng)電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，應(yīng)注意通常其值為0.2～0.9。輸入數(shù)字信號提供一定的電流（5～10mA）時(shí)，光隔離器才會(huì)把放大的數(shù)字電平輸出。
光隔離器聯(lián)結(jié)時(shí)注意信號正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個(gè)電源必須單獨(dú)供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號可能通過電源串到系統(tǒng)中來。
3.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)
所謂復(fù)位，就是要讓單片機(jī)以及單片機(jī)系統(tǒng)在正式工作前處于一種特定狀態(tài)，只有以該狀態(tài)為起點(diǎn)，隨后的工作才可控制，系統(tǒng)才能夠可靠性的工作。上電和復(fù)位電路如圖3所示：
圖3 復(fù)位電路
復(fù)位信號的產(chǎn)生有3種方式:外部復(fù)位電路上電或手動(dòng)復(fù)位、監(jiān)督定時(shí)器溢出復(fù)位、執(zhí)行指令RST。監(jiān)督定時(shí)器溢出產(chǎn)生復(fù)位信號和執(zhí)行RST指令產(chǎn)生復(fù)位信號屬于89C51內(nèi)部復(fù)位控制邏輯，其前提是單片機(jī)已開始運(yùn)行程序。比較實(shí)用的復(fù)位方式是上電復(fù)位。此種方法是從RESET腳連接一個(gè)合適的電容到地，每lμs時(shí)間需電容約1～2μF。電路上電時(shí)，電容C迫使RESET引腳處于電平，然后由內(nèi)部上拉器件將RESET引腳拉向高電平。此電路僅適用與VCC上升較快的情況。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，二極管為電容C提供了迅速放電的通路，從而保護(hù)系統(tǒng)在反復(fù)通電時(shí)均能可靠復(fù)位。
3.4 存儲(chǔ)模塊與振蕩電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)比較小巧，一般存儲(chǔ)量也不會(huì)很大，因此，大都采用靜態(tài)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片內(nèi)只有128個(gè)字節(jié)的RAM，而本系統(tǒng)中需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)比較多，需要擴(kuò)展外部RAM ,系統(tǒng)采用1片6264。
AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，輸入端與輸出端為XTAL1和XTAL2，與作為反饋元件的片外晶體振蕩器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路種，這時(shí)內(nèi)部振蕩器便自激振蕩，對C1和C2的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性等。外接晶體時(shí)，C1和C2值常選擇為30pF左右，本系統(tǒng)選C1和C2值為30pF。
3.5 電源模塊設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定、可靠的工作，電源的設(shè)計(jì)是非常重要的。在本系統(tǒng)中，需要三種電源:+5V, +12V和-12V。為此設(shè)計(jì)了由集成穩(wěn)壓塊7805, 7812, 7912組成的集成電壓電路。 在電路中使用的7805, 7812, 7912穩(wěn)壓塊不僅有輸入端、輸出端和公共端，在芯片內(nèi)部設(shè)有過流、過熱保護(hù)以及調(diào)整管安全保護(hù)電路，使用簡便，具有保護(hù)功能好，安全可靠、輸出穩(wěn)定度高等特點(diǎn)。這個(gè)電路給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流供電電壓、為電路提供精密基準(zhǔn)電壓源，在進(jìn)行光電隔離時(shí)，為隔離電路提供獨(dú)立的供電電源。集成穩(wěn)壓塊的作用為把非穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓。
電源電路如圖4所示。該電路由
變壓器、橋式整流器B1、濾波電容和集成穩(wěn)壓塊7805, 7812, 7912組成。其工作原理為220V交流電經(jīng)變壓器降壓后由次級線圈輸出后電壓降為24V的交流電，然后經(jīng)過橋式電路整流后成為波動(dòng)的直流電源，經(jīng)過高低通濾波后，輸入集成電壓穩(wěn)壓器7805, 7812和7912，輸出+5V±5%, +12V±5%、-12V±5%直流電壓，提供給單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該電路經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等特點(diǎn)。
圖4 電源電路原理圖
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為了使控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)應(yīng)用軟件和PC機(jī)應(yīng)用軟件。單片機(jī)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，PC機(jī)軟件采用Delphi7.0編寫。單片機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)了位置控制、過程控制、信號處理、插補(bǔ)、通信處理等功能;PC機(jī)軟件主要是對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面、實(shí)時(shí)位置動(dòng)態(tài)顯示、曲線顯示等功能。
圖5 系統(tǒng)應(yīng)用軟件分層圖
本軟件系統(tǒng)是在Windows98平臺上，利用Delphi7.0開發(fā)成功的，系統(tǒng)軟件由許多功能模塊組成。系統(tǒng)軟件界面友好，使用方便，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制功能。該軟件共有三個(gè)窗體:簡單運(yùn)動(dòng)窗體、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)窗體、E即接口測試窗體。其軟件分層框圖如圖5所示。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 本文借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子技術(shù)、接口技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)
步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。控制器采用單片機(jī)作為主體，與PC機(jī)構(gòu)成上下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)。該控制器可以輸出頻率可調(diào)的方波信號，可以滿足步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率范圍。系統(tǒng)無論是在硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò)展起來比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。
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