兩相步進(jìn)電機(jī)的控制及微驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)_圖文

1、 第44卷2011年第2期2月M ICR OM OTOR SV ol 44.N o 2F eb 2011 收稿日期:2009 05 08基金項(xiàng)目:江西省科技廳基金-微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信息采集和控制系統(tǒng)的研究(S00336作者簡(jiǎn)介:李亮波(1981,男,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器人與無線通信控制。E m a i:lliangboncu 163.co m兩相步進(jìn)電機(jī)的控制及微驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)李亮波,劉繼忠,張 華(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031摘 要:介紹一種通過串口通信來控制微型步進(jìn)電機(jī)的方法,控制指令由在PC 機(jī)的控制界面發(fā)送,單片機(jī)M SP430F149通過串口接收控制指令繼而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電

2、動(dòng)機(jī)。串口通信采用U SB 轉(zhuǎn)UART 橋接器芯片CP2102和驅(qū)動(dòng)電路中的A 3901芯片,都只需要很少的外圍元器件,從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)及控制電路,使其可應(yīng)用于一些微控制的場(chǎng)合。關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);串口通信;CP2102;A3901中圖分類號(hào):TM 383 6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001 6848(201102 0105 03D esign ofM cro driver for Two phase StepM otorLI L iangbo ,L I U Jizhong ,ZHANG H ua(School of M echatronics Engineeri n g,Nanchang U

3、niversit y ,N anchang 330031,China Abst ract :A k i n d o f contro lm ethod for step m otor is designed ,con tro l o r ders are sent to M SP430F149via serial por,t and t h en dri v e step m o tor .The chip CP2102used in the seri a l co mm un ications and the ch i p A3901can both w or k only a fe w c

4、o m ponents are needed ,thus si m plifying the dr i v e and contro l circu its .K ey w ords :step m o tor ;serial co mm un icati o ns ;CP2102;A39010 引 言步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移,其轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖的頻率成正比,因此可以在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中1。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制電路由分立元件向集成電路發(fā)展,其體積不斷縮小,在各種微系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制中能得到

5、廣泛應(yīng)用。本文在PC 機(jī)上利用VC +6 0編寫控制界面對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制指令,采用M SP430低功耗芯片作為控制芯片,利用微型驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī),從而大大縮小了驅(qū)動(dòng)器的外形尺寸,使其可以利用到微系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制當(dāng)中。1 控制原理整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)、控制驅(qū)動(dòng)電路及步進(jìn)電機(jī)組成。具體的原理功能框圖如圖1,PC 機(jī)通過USB 口經(jīng)芯片CP2102(USB 轉(zhuǎn)UART 的單芯片橋接器轉(zhuǎn)接與控制芯片M SP430F149相連,然后微控制器通過普通I/O 端口與步進(jìn)電機(jī)微驅(qū)動(dòng)芯片A3901相接,其輸出OUT1OUT4可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。PC 機(jī)與微控制器之間的通信,利用VC +6 0的MSCo mm

6、 控件編程實(shí)現(xiàn)兩者之間的串行異步通信,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序由電腦下載到M SP430F149中對(duì)其實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制。圖1 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖2 硬件電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,控制芯片M SP430F149通過通用I /O 口P1 0P1 3與驅(qū)動(dòng)芯片的四相輸入引腳I N 1I N2相接,驅(qū)動(dòng)芯片A3901再通過輸出引腳OUT1OUT4輸出四路脈沖信號(hào),可直接驅(qū)動(dòng)一兩相四線的步進(jìn)電機(jī)。A3901是一款內(nèi)置雙全橋的低電壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,操作電壓范圍為2 5V 5 5V 。四種輸入能夠控制全步進(jìn)與半步進(jìn)模式下的雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī),芯片內(nèi)部的保護(hù)電路擁有過熱關(guān)機(jī)(TSD 和交叉(擊穿保護(hù)功能,整個(gè)驅(qū)動(dòng)器電

7、路板尺寸直徑為11mm 。44卷 圖2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖3 軟件設(shè)計(jì)3 1 上位機(jī)與控制器的通信步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令由在電腦上編寫的控制界面發(fā)送給微處理器M SP430F149,再對(duì)電機(jī)的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。上位機(jī)的程序主要是對(duì)電腦和控制器之間的UART 的串口通信的編程,程序的具體流程如下2:(1在VC +6 0中建立工程項(xiàng)目;(2將V isua l C +的控件M icr osoft Co mm un ica ti o ns Contro,l Versi o n 6 0添加進(jìn)工程;(3利用C lass W izar d 定義C M SCo mm 類控制變量;(4在對(duì)話框中添加控

8、件及串口事件消息處理函數(shù);(5打開和設(shè)置串口的初始化參數(shù),初始化的關(guān)鍵代碼如下: m m scom.Se tI nputMode(1;/輸入方式為二進(jìn)制方式m m scom.Se tI nBu fferS ize (1024;/設(shè)置輸入緩沖區(qū)大小m m scom.Se t O utBu ffe r S ize(512;/設(shè)置輸出緩沖區(qū)大小m m scom.Se tSe tting s( 9600,n ,8,1 ;/波特率9600,無校驗(yàn),8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位m m scom.Se tRT hresho ld(1;m m scom.Se tI nputLen (0;m m scom.Ge tI

9、 nput(;(6發(fā)送數(shù)據(jù),關(guān)鍵代碼如下:m m sco m.Set O utput(CO le Variant(C ;/發(fā)送變量C 中的數(shù)據(jù)到串口3 2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序兩相步進(jìn)電機(jī)的控制方式一般有3:兩相勵(lì)磁四拍和兩相勵(lì)磁八拍兩種方式,分別為步進(jìn)電機(jī)的整步和半步工作方式,整步和半步的工作方式都可由A 3901給定的時(shí)序方便的實(shí)現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的半步狀態(tài)能得到更小的步距角,且轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)更小,細(xì)分后能得到更小的步距角。對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時(shí),以1-2相勵(lì)磁方式驅(qū)動(dòng)電機(jī),這樣可以獲得較好的定位能力4。這里以半步工作方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程,控制器的I/O 口P1 0P1 3輸出到I N 1I N

10、4的對(duì)應(yīng)的通電時(shí)序狀態(tài)值如表1。表1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)表半步狀態(tài)P1 3P1 2P1 1P1 0狀態(tài)字Step101010x05Step201000x04Step301100x06Step400100x02Step510100x0A Step610000x08Step710010x09Step810x01步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序中,系統(tǒng)初始化時(shí)包括M SP430F149的I /O 口的配置,定時(shí)器的初始配置及串口的初始化5。P1 0P1 3設(shè)置為輸出,串口的波特率設(shè)定位9600b it/s ,保持與上位機(jī)的串口波特率設(shè)置一致。在串口中斷服務(wù)程序中,把從PC 機(jī)接收的控制指令存儲(chǔ)在全局變量state_

11、flag 中,使得整個(gè)程序在任意的中斷子程序中都能通過變量標(biāo)志state_flag 來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中,按狀態(tài)表1的值順序輸出給步進(jìn)電機(jī)的四路引線,當(dāng)完成第八步后,又從第一步開始順序執(zhí)行,直到接收到停止命令為止,流程圖如圖4。圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖1062期李亮波等:兩相步進(jìn)電機(jī)的控制及微驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)4 實(shí)驗(yàn)研究在實(shí)驗(yàn)中選用的步進(jìn)電機(jī)外形尺寸為8mm 9mm ,直流3V 5V 供電,步進(jìn)角為36 。實(shí)際供電電壓為3 3V,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為兩部分,一方面是驗(yàn)證從上位機(jī)控制界面發(fā)送控制指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各種狀態(tài)的準(zhǔn)確性;另一方面是驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)微型驅(qū)動(dòng)器的工作穩(wěn)定性。(1從上位機(jī)

12、發(fā)送控制指令(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止到步進(jìn)電機(jī),分別發(fā)送100次,同時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)驗(yàn)結(jié)果:步進(jìn)電機(jī)接收控制指令后的運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)確無誤,并無一次誤識(shí)控制指令。表2 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)控制指令次數(shù)誤識(shí)次數(shù)正轉(zhuǎn) 停止1000反轉(zhuǎn) 停止100(2為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性,使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行1h ,圖5為實(shí)測(cè)從驅(qū)動(dòng)器引腳OUT4輸出到步進(jìn)電機(jī)的單相電壓波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行正常,驅(qū)動(dòng)器工作穩(wěn)定,但是如圖5,驅(qū)動(dòng)器在輸出低電平電壓時(shí)有兩個(gè)明顯的干擾點(diǎn),有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提高電壓波形的穩(wěn)定性。 圖5 步進(jìn)電機(jī)單相電壓波形5 結(jié) 論在實(shí)驗(yàn)中步進(jìn)電機(jī)的各種狀態(tài)可以方便的由上位機(jī)編寫的控制界面來控制,驗(yàn)證了此種方法的可行性。本文的串口通信電路,采用了USB 轉(zhuǎn)UART 的橋接器芯片,簡(jiǎn)化了串口通訊的電路;同時(shí),選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片只需要很少的外圍器件就可以工作,使電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器體積進(jìn)一步得到縮小,有利于在一些空間尺寸要求較嚴(yán)的微控制場(chǎng)合中的應(yīng)用。但是,另一方面,因?yàn)轵?qū)動(dòng)芯片沒有自帶細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路,從而降低了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)精度及穩(wěn)定性,加大了軟件編程的工作量。