Research on the Driver and Control System of the Step Motor
摘要: 本文研究開發(fā)了一種步進電機驅動器及其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC機作為上位機，以單片機作為下位機，可使上位機能夠可靠地將經(jīng)過處理的控制指令和參數(shù)發(fā)送到下位機，保證下位機能夠準確、及時地發(fā)出控制信號，通過驅動器驅動步進電機工作。同時，上位機檢測下位機的各種狀態(tài)信號，進行診斷和處理。
關鍵字: 步進電機；控制系統(tǒng)；驅動器；通信電路
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
步進電機又稱脈沖電動機，是數(shù)字控制的一種執(zhí)行元件。它是隨著計算機控制系統(tǒng)發(fā)展而發(fā)展起來，利用電脈沖信號進行控制，將電脈沖信號轉換成相應的角位移或者線位移的電動機。對于步進電機控制系統(tǒng)，運動控制器就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個動作。本文以步進電機為控制對象，繼承傳統(tǒng)步進電機控制的優(yōu)點，研制高性能步進電機驅動器及控制系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設計
圖1 控制器總體結構圖
步進電機控制器是步進電機控制系統(tǒng)重要部分，控制器接收上位機發(fā)送的指令，并根據(jù)指令向各步進電機發(fā)出控制信號，各個電機的驅動器則將控制信號轉變成直接驅動步進電機的電信號，實現(xiàn)步進電機的控制。采用PC機的控制系統(tǒng)，其軟硬件資源豐富，柔性極強。圖1為控制器總體結構圖。
單片機的種類是很多的，有PIC系列、Motorola系列、Intel系列8051類單片機等。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能齊全、價格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇提供了很大的余地。Intel公司生產的51系列單片機具有功能強大、價格低廉、體積小、開發(fā)工具易操作等特點，在市場中占有很大的份額，是一種比較通用且經(jīng)濟實惠的產品。因而本系統(tǒng)中選用了40管腳的51單片機ATMEL89C51作為主控芯片。
3 硬件詳細設計
3.1 通信電路設計
通過EPP并行口可以簡單方便地設計出各種接口應用電路，其設計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)的傳送分為兩個周期。
EPP口的數(shù)據(jù)與地址分時復用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，在設計中采用了對數(shù)據(jù)選通線、地址選通線、寫信號線進行組合譯碼的方法，其接口電路如圖2所示。
圖2 通信接口電路
3.2 驅動與光電隔離電路設計
盡管所有的打印機口均有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描述了兩個級別的打印機性能標準:一級和二級。二級標準可以提供比原始打印口或一級標準大的多的電流。EPP和ECP模式均可以提供二級標準。電路設計中采用8D雙向總線發(fā)送/接收器74LS245作為驅動電路，74LS245在電路中起緩沖、隔離作用，還有一定的保護和控制作用。當E有效時，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�，并與E相結合控制數(shù)據(jù)傳輸方向。
光隔離器具有體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸入輸出之間絕緣、單向傳輸信號等優(yōu)點。利用光隔離器將控制器與外部的驅動電路隔離開來，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，增強抗干擾能力。光隔離器最重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，應注意通常其值為0.2~0.9。輸入數(shù)字信號提供一定的電流(5~10mA)時，光隔離器才會把放大的數(shù)字電平輸出。
光隔離器聯(lián)結時注意信號正負邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，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 復位電路設計
所謂復位，就是要讓單片機以及單片機系統(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，隨后的工作才可控制，系統(tǒng)才能夠可靠性的工作。上電和復位電路如圖3所示:
