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一种步进电机驱动器及其控制系统的研究

一种步进电机驱动器及其控制系统的研究 2011年12月03日 来源： 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

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。

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：

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。

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;PC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。

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(end)

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