两相步进电机的控制及微驱动器的设计_图文

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基金项目:江西省科技厅基金-微驱动系统的信息采集和控制系统的研究(S00336作者简介:李亮波(1981,男,硕士研究生,主要研究领域为机器人与无线通信控制。E m a i:lliangboncu 163.co m两相步进电机的控制及微驱动器的设计李亮波,刘继忠,张 华(南昌大学机电工程学院,南昌 330031摘 要:介绍一种通过串口通信来控制微型步进电机的方法,控制指令由在PC 机的控制界面发送,单片机M SP430F149通过串口接收控制指令继而驱动步进电

2、动机。串口通信采用U SB 转UART 桥接器芯片CP2102和驱动电路中的A 3901芯片,都只需要很少的外围元器件,从而简化了驱动及控制电路,使其可应用于一些微控制的场合。关键词:步进电机;串口通信;CP2102;A3901中图分类号:TM 383 6 文献标志码:A 文章编号: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 言步进电动机能直接将数字脉冲信号转换成角位移或线位移,其转速或线速度与脉冲的频率成正比,因此可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调节电机的转速,广泛应用于各种自动化控制系统中1。随着现代电子技术的发展,步进电机的驱动与控制电路由分立元件向集成电路发展,其体积不断缩小,在各种微系统的驱动控制中能得到

5、广泛应用。本文在PC 机上利用VC +6 0编写控制界面对步进电机发送控制指令,采用M SP430低功耗芯片作为控制芯片,利用微型驱动芯片驱动两相步进电机,从而大大缩小了驱动器的外形尺寸,使其可以利用到微系统的驱动控制当中。1 控制原理整个系统由上位机、控制驱动电路及步进电机组成。具体的原理功能框图如图1,PC 机通过USB 口经芯片CP2102(USB 转UART 的单芯片桥接器转接与控制芯片M SP430F149相连,然后微控制器通过普通I/O 端口与步进电机微驱动芯片A3901相接,其输出OUT1OUT4可直接驱动步进电机。PC 机与微控制器之间的通信,利用VC +6 0的MSCo mm

6、 控件编程实现两者之间的串行异步通信,步进电机的驱动程序由电脑下载到M SP430F149中对其实现驱动控制。图1 步进电机控制原理图2 硬件电路步进电机的驱动电路如图2所示,控制芯片M SP430F149通过通用I /O 口P1 0P1 3与驱动芯片的四相输入引脚I N 1I N2相接,驱动芯片A3901再通过输出引脚OUT1OUT4输出四路脉冲信号,可直接驱动一两相四线的步进电机。A3901是一款内置双全桥的低电压电动机驱动器,操作电压范围为2 5V 5 5V 。四种输入能够控制全步进与半步进模式下的双极步进电动机,芯片内部的保护电路拥有过热关机(TSD 和交叉(击穿保护功能,整个驱动器电

7、路板尺寸直径为11mm 。44卷 图2 步进电动机驱动电路原理图3 软件设计3 1 上位机与控制器的通信步进电动机的控制指令由在电脑上编写的控制界面发送给微处理器M SP430F149,再对电机的各个状态进行相应的驱动。上位机的程序主要是对电脑和控制器之间的UART 的串口通信的编程,程序的具体流程如下2:(1在VC +6 0中建立工程项目;(2将V isua l C +的控件M icr osoft Co mm un ica ti o ns Contro,l Versi o n 6 0添加进工程;(3利用C lass W izar d 定义C M SCo mm 类控制变量;(4在对话框中添加控

8、件及串口事件消息处理函数;(5打开和设置串口的初始化参数,初始化的关键代码如下: m m scom.Se tI nputMode(1;/输入方式为二进制方式m m scom.Se tI nBu fferS ize (1024;/设置输入缓冲区大小m m scom.Se t O utBu ffe r S ize(512;/设置输出缓冲区大小m m scom.Se tSe tting s( 9600,n ,8,1 ;/波特率9600,无校验,8个数据位,1个停止位m m scom.Se tRT hresho ld(1;m m scom.Se tI nputLen (0;m m scom.Ge tI

9、 nput(;(6发送数据,关键代码如下:m m sco m.Set O utput(CO le Variant(C ;/发送变量C 中的数据到串口3 2 步进电机驱动程序两相步进电机的控制方式一般有3:两相励磁四拍和两相励磁八拍两种方式,分别为步进电机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给定的时序方便的实现,步进电机的半步状态能得到更小的步距角,且转动时振动更小,细分后能得到更小的步距角。对步进电机进行控制时,以1-2相励磁方式驱动电机,这样可以获得较好的定位能力4。这里以半步工作方式对步进电机的驱动进行编程,控制器的I/O 口P1 0P1 3输出到I N 1I N

10、4的对应的通电时序状态值如表1。表1 步进电机运行状态表半步状态P1 3P1 2P1 1P1 0状态字Step101010x05Step201000x04Step301100x06Step400100x02Step510100x0A Step610000x08Step710010x09Step810x01步进电机的驱动程序中,系统初始化时包括M SP430F149的I /O 口的配置,定时器的初始配置及串口的初始化5。P1 0P1 3设置为输出,串口的波特率设定位9600b it/s ,保持与上位机的串口波特率设置一致。在串口中断服务程序中,把从PC 机接收的控制指令存储在全局变量state_

11、flag 中,使得整个程序在任意的中断子程序中都能通过变量标志state_flag 来判断电机的转向。在定时器中断服务程序中,按状态表1的值顺序输出给步进电机的四路引线,当完成第八步后,又从第一步开始顺序执行,直到接收到停止命令为止,流程图如图4。图4 步进电机驱动程序流程图1062期李亮波等:两相步进电机的控制及微驱动器的设计4 实验研究在实验中选用的步进电机外形尺寸为8mm 9mm ,直流3V 5V 供电,步进角为36 。实际供电电压为3 3V,实验内容分为两部分,一方面是验证从上位机控制界面发送控制指令驱动电机的各种状态的准确性;另一方面是验证步进电机微型驱动器的工作稳定性。(1从上位机

12、发送控制指令(正转、反转、停止到步进电机,分别发送100次,同时监测电机运行状态,实验结果:步进电机接收控制指令后的运行状态准确无误,并无一次误识控制指令。表2 电机运行状态实验数据控制指令次数误识次数正转 停止1000反转 停止100(2为验证驱动器的稳定性,使步进电机连续运行1h ,图5为实测从驱动器引脚OUT4输出到步进电机的单相电压波形。实验结果:步进电机运行正常,驱动器工作稳定,但是如图5,驱动器在输出低电平电压时有两个明显的干扰点,有待实验进一步提高电压波形的稳定性。 图5 步进电机单相电压波形5 结 论在实验中步进电机的各种状态可以方便的由上位机编写的控制界面来控制,验证了此种方法的可行性。本文的串口通信电路,采用了USB 转UART 的桥接器芯片,简化了串口通讯的电路;同时,选用的步进电机驱动芯片只需要很少的外围器件就可以工作,使电机的驱动器体积进一步得到缩小,有利于在一些空间尺寸要求较严的微控制场合中的应用。但是,另一方面,因为驱动芯片没有自带细分驱动电路,从而降低了电机的驱动精度及稳定性,加大了软件编程的工作量。参考文献1 程明.微特电机及系统M .北京:中国电力出版社,2004:72-99.2 李现勇.V i sual