摘? 要: 介紹了一種計(jì)算機(jī)串行口經(jīng)二次開(kāi)發(fā),用作步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)控制器的新方法。計(jì)算機(jī)通過(guò)向串行口發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制脈沖,實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。?

　　關(guān)鍵詞: 串行口? 二次開(kāi)發(fā)? 控制脈沖? 步進(jìn)電機(jī)控制器" title="步進(jìn)電機(jī)控制器">步進(jìn)電機(jī)控制器?

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　　步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、儀器儀表等自動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的通常作法是采用步進(jìn)控制卡" title="控制卡">控制卡,系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示^[1][2]。其中Pulse、Dir分別為控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào);CWL(Clock Wise Limit)、CCWL(Counter Clock Wise Limit)分別為電機(jī)順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的限位信號(hào);ORG為定位信號(hào)。

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　　這種方法不僅成本較高,而且不便于操作。在計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽上安裝控制卡,必需打開(kāi)機(jī)箱才能操作,而且在小型平板電腦和嵌入式電腦中根本沒(méi)有安裝控制卡的空間和擴(kuò)展槽。將計(jì)算機(jī)串行口二次開(kāi)發(fā),用于控制步進(jìn)電機(jī),代替控制卡的作用,具有成本低、操作簡(jiǎn)單、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。?

1 RS232串行口及編程?

　　計(jì)算機(jī)串行接口采用RS232標(biāo)準(zhǔn):規(guī)定邏輯1的電平為-3～-15V,邏輯0的電平為+3～+15V,常用的信號(hào)有8個(gè)(接口為DB9M插座時(shí),引腳號(hào)如表1所示),其中RXD、TXD為收、發(fā)數(shù)據(jù),可與RS232串行口設(shè)備直接進(jìn)行通訊,RTS、DTR、CD、DSR、CTS、BELL為控制與檢測(cè)MODEM的信號(hào),在通訊過(guò)程中起聯(lián)絡(luò)與控制作用。數(shù)據(jù)格式有5、6、7、8位幾種,1位起始位(邏輯0),1、1.5、或2位停止位(邏輯1),可以選擇奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)和無(wú)校驗(yàn),常用波特率為2400、4800、7200、9600bps等。串行口編程方法主要有三種:硬件編程法、文件操作法、串口" title="串口">串口控件法。?

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1.1 硬件編程法?

　　直接使用端口的輸入、輸出(I/O)函數(shù)對(duì)串行口的控制電路進(jìn)行編程。適用于DOS及Windows平臺(tái)(Windows Me以前的各版本),但在基于NT技術(shù)構(gòu)建的操作系統(tǒng)(Windows NT、Windows 2000、Windows XP等)中因不允許用戶程序直接操作硬件而不適用。常用的端口輸入、輸出函數(shù)(指令)有:匯編語(yǔ)言的IN、OUT指令及軟中斷調(diào)用,C語(yǔ)言的inport(? )、outport(? )、inportb(? )、outportb(? ),C++的_inp(? )、_outp(? )等。計(jì)算機(jī)串行口采用Intel 8250異步串行通訊組件構(gòu)成,COM1、COM2、COM3、COM4的基地址分別為16#3F8(16進(jìn)制數(shù)3F8,表示法下同)、16#2F8、16#3E8、16#2E8,波特率因子(DR)計(jì)算方法為:DR=1.8432×1000000/16B，8250編程請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)^[3]。?

1.2 文件操作法^[4]?

　　文件操作法是將串行口作為系統(tǒng)的一個(gè)文件來(lái)處理,通過(guò)對(duì)這個(gè)文件的讀、寫操作引發(fā)串口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收、發(fā)動(dòng)作。這種方法在DOS、Windows、Windows NT、Windows2000及Windows XP等平臺(tái)下都能正常工作。例如在BASIC語(yǔ)言中可用語(yǔ)句:OPEN “COM1，1200，n，8，1，rs，cs，ds，cd”AS #1將串行口COM1作為文件#1進(jìn)行讀寫操作。在VC++中,可用CreateFile()、BuildCommDCB()、Read()、Write()、EscapeCOMMFunction()等函數(shù)將串行口作為文件進(jìn)行操作。?

1.3 串口控件法?

　　用VB及VC++編程時(shí),可用控件對(duì)串行口進(jìn)行編程。這種方法通用性好,在Windows、Windows NT、Windows2000及Windows XP等平臺(tái)下都能正常工作。在VB中,使用MSCOMM控件;在VC++下使用Microsoft Communication Control這一ActiveX類控件。串口控件使用方法請(qǐng)參考MSDN。?

2 串行口步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理" title="工作原理">工作原理?

2.1 串行口發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程研究?

　　在串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中,串行口先發(fā)送起始位(邏輯0)進(jìn)行同步,接著按規(guī)定的波特率(B)從低位到高位依次發(fā)送通訊數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位,最后發(fā)送停止位(邏輯1)。表示每個(gè)二進(jìn)制位的邏輯電平在TXD端的保持時(shí)間為1/B秒。如果按8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)方式發(fā)送數(shù)據(jù),所發(fā)送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位是0、1交替的。例如:數(shù)據(jù)取01010101(即16進(jìn)制的16#55),其發(fā)送過(guò)程如圖2中5所示,每發(fā)送一個(gè)字節(jié),在TXD端發(fā)出5個(gè)脈沖,周期T=2/B,即頻率f=B/2。改變發(fā)送數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位,便可在TXD端得到不同的波形。圖2示出欲產(chǎn)生1～5個(gè)脈沖時(shí)應(yīng)發(fā)出的數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的波形。

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2.2 串行口步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理?

　　通過(guò)分析串行口發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程可知,從TXD端所發(fā)出的脈沖完全滿足控制步進(jìn)電機(jī)的需要:?

　　①改變發(fā)送的字節(jié)數(shù)及所發(fā)送的字節(jié)內(nèi)容,可在TXD端產(chǎn)生任意數(shù)量的脈沖;?

　?、诟淖儾ㄌ芈士蓜?dòng)態(tài)改變發(fā)送脈沖的頻率。?

　　所以,可用TXD作為控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)(Pulse)。?

　　串行口的DTR、RTS、CTS、DSR、CD、RI雖然在串行通訊接口中被定義為不同功能的握手信號(hào),但通過(guò)對(duì)8250的分析可知,它們均可作為一般的I/O量使用,而且不論采用哪種編程方法,都能很方便地對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行讀寫操作。若以DTR(或RTS)作為方向控制信號(hào)(Dir),同時(shí)分別以CD、DSR、CTS、RI作為狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)(CWL、CCWL、ORG等),則僅用一個(gè)串行口就已提供了步進(jìn)電機(jī)控制器需要的所有信號(hào)。正是基于此原理,我們開(kāi)發(fā)了串行口步進(jìn)電機(jī)控制器,并成功應(yīng)用在板材多點(diǎn)成形設(shè)備的控制系統(tǒng)中。由于串行口已直接提供了控制步進(jìn)電機(jī)所需的所有信號(hào),只需將各信號(hào)由RS232電平變成TTL電平即可。常用的電平轉(zhuǎn)換器件有DS1488、DS1489、MAX232等^[5]。用計(jì)算機(jī)串行口開(kāi)發(fā)的步進(jìn)電機(jī)控制器工作原理如圖3所示。?

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3 軟件設(shè)計(jì)及計(jì)算?

　　為避免電機(jī)失步和提高電機(jī)運(yùn)行速度,將步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程分為三個(gè)階段:低速起動(dòng)并加速、高速運(yùn)行、減速并停止;相應(yīng)地控制脈沖也分為:升頻、高頻、降頻三段^[6],如圖4所示。

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　　在用串行口發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制脈沖時(shí),雖然通過(guò)改變所發(fā)字節(jié)內(nèi)容的辦法能產(chǎn)生1～5中間任意個(gè)數(shù)的脈沖,但若發(fā)送一個(gè)字節(jié)所產(chǎn)生的脈沖少于5個(gè),后面接著發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的脈沖時(shí),兩個(gè)字節(jié)銜接時(shí)所產(chǎn)生的脈沖頻率和占空比均會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。為使電機(jī)運(yùn)行的三個(gè)階段能平滑過(guò)渡,需要對(duì)每個(gè)階段的脈沖數(shù)量進(jìn)行調(diào)整,使I、II兩個(gè)階段的步數(shù)均為5的整數(shù)倍(分別為n₁×5、n₂×5);將非5整數(shù)倍的步數(shù)安排在減速停車的III階段,發(fā)出脈沖數(shù)為n₃×5+Δp,其中Δp=(1～4)。這可通過(guò)改變III階段所發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的脈沖輸出。產(chǎn)生1～4個(gè)脈沖應(yīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)分別為16#FF、16#FB、16#F5、16#D5。?

　　由圖4所示的電機(jī)運(yùn)行過(guò)程可知,在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,控制脈沖的頻率f應(yīng)隨時(shí)變化以滿足電機(jī)低速起停及高速運(yùn)行的需要。脈沖頻率由發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率(B)決定,每發(fā)出一個(gè)脈沖需用兩個(gè)二進(jìn)制位1和0來(lái)構(gòu)成其高、低電平,所以f=B/2,通過(guò)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率可改變所發(fā)出的控制脈沖的頻率。按常規(guī)波特率系列發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所產(chǎn)生的控制脈沖頻率變化較大,不能滿足電機(jī)正常起停及調(diào)速的要求,為此計(jì)算機(jī)需按非標(biāo)準(zhǔn)的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生任意頻率的控制脈沖。一般在電機(jī)起動(dòng)及停止階段(I、III)每發(fā)送一個(gè)字節(jié)調(diào)整一次波特率,以使電機(jī)起停得盡量平滑。?

　　I、III階段頻率的調(diào)整量Δf₁、Δf₂分別為:?

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　　相應(yīng)的波特率的調(diào)整量ΔB₁、ΔB₂分別為:?

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　　用串行口直接控制步進(jìn)電機(jī)的控制軟件流程圖如圖5所示。?

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4 高級(jí)控制功能?

　　對(duì)步進(jìn)電機(jī)的高級(jí)控制,主要是指自動(dòng)找零及多機(jī)聯(lián)動(dòng)差補(bǔ)。?

　　找零功能是指控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),完成定位的過(guò)程。在找零時(shí),電機(jī)一般以低速運(yùn)行,當(dāng)測(cè)到ORG信號(hào)時(shí)電機(jī)停止。由于運(yùn)行速度低,為簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì),每發(fā)送一個(gè)字節(jié),在TXD端可以只輸出一個(gè)脈沖,測(cè)到ORG信號(hào)則停止發(fā)送。為保證輸出脈沖的占空比為50%,發(fā)送字節(jié)定為16#F0。找零程序的設(shè)計(jì)可參照?qǐng)D5進(jìn)行。?

　　差補(bǔ)是指控制兩臺(tái)或兩臺(tái)以上電機(jī)按規(guī)定的速比運(yùn)行,進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿規(guī)定的軌跡運(yùn)行。由于一般計(jì)算機(jī)只有兩個(gè)串行口,這種方法只適用于二維差補(bǔ)控制。通常兩個(gè)串行口用相同的波特率進(jìn)行發(fā)送,通過(guò)調(diào)整發(fā)送的字節(jié)數(shù)及發(fā)送每個(gè)字節(jié)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)的不同來(lái)調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)行速度和位置。?

　　實(shí)際運(yùn)行證明,用串行口設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器具有使用方便、性能穩(wěn)定、成本低、可移植性好、不需安裝硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等優(yōu)點(diǎn)。?

　　直接采用計(jì)算機(jī)串行口設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制控制器適用于對(duì)全數(shù)字式伺服電機(jī)進(jìn)行控制。?

　　本文對(duì)計(jì)算機(jī)串行口、并行口等資源的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用起到了一定的借鑒作用。?

參考文獻(xiàn)?

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