基于ARM单片机的步进电机控制系统设计.pdf

1、机 电 工 程 技 术 2 0 0 7 年 第 3 6 卷 第 0 6 期机 电 工 程 技 术 !“# 年 第 $% 卷 第 “% 期基 于 A R M 单 片 机 的 步 进 电 机 控 制 系 统 设 计孙 祥 国( 四 川 理 工 学 院 , 四 川 自 贡 6 4 3 0 0 0 )收 稿 日 期 : 2 0 0 7 0 4 1 7摘 要 : 基 于 单 片 机 的 控 制 系 统 已 经 广 泛 地 应 用 在 人 们 生 活 的 方 方 面 面 , 其 功 能 也 越 来 越 强 大 。 本 文 介 绍 一 种 以 A R M 单 片 机 为 核心 的 步 进 电 机 控 制 系

2、 统 , 该 系 统 可 在 提 高 精 度 的 同 时 降 低 生 产 成 本 , 是 步 进 电 机 控 制 系 统 改 善 和 提 高 的 一 条 有 效 途 径 。关 键 词 : 控 制 系 统 ; 单 片 机 ; A R M ; 步 进 电 机中 图 分 类 号 : T P 2 7 3 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ( 2 0 0 7 ) 0 6 - 0 0 7 1 - 0 31 引 言步 进 电 机 是 数 字 控 制 系 统 中 的 一 种 重 要 执 行 元 件 , 广泛 应 用 在 各 种 自 动 化 控 制 系 统 和

3、机 电 一 体 化 设 备 中 。 目 前打 印 机 、 绘 图 仪 、 机 器 人 、 数 控 机 床 等 设 备 都 以 步 进 电 机为 动 力 核 心 。 随 着 步 进 电 机 在 工 业 控 制 系 统 中 的 应 用 不 断增 加 , 对 步 进 电 机 的 控 制 系 统 提 出 越 来 越 高 的 要 求 。目 前 国 内 工 业 控 制 场 合 中 用 的 嵌 入 式 工 控 设 备 大 多 采用 的 是 以 8 位 单 片 机 ( 如 M C S - 5 1 ) 为 内 核 , 有 价 格 低 廉 、设 计 较 容 易 、 能 达 到 一 般 要 求 的 优 点 , 但

4、也 存 在 着 存 储 容量 小 , 独 立 工 作 时 功 能 较 弱 , 较 强 功 能 要 与 P C 机 联 机 才能 实 现 , 实 时 性 能 不 强 , 人 机 交 互 复 杂 , 操 作 不 方 便 等 问题 。 如 选 用 功 能 强 大 的 3 2 位 嵌 入 式 微 处 理 器 A R M 来 代 替8 位 单 片 机 , 再 把 控 制 板 与 电 源 、 步 进 电 机 和 被 控 设 备 集成 于 一 体 , 将 形 成 嵌 入 式 一 体 化 工 业 控 制 机 。 A R M 对 步 进电 机 控 制 有 高 的 实 时 性 、 可 靠 性 ; 能 满 足 人

5、机 界 面 友 好 ,开 发 环 境 友 善 , 可 操 作 性 高 , 成 本 低 等 特 别 要 求 。 在 步 进电 机 控 制 系 统 中 , 在 工 件 需 做 往 返 运 动 或 需 要 精 确 定 位 等场 合 , 将 会 使 这 种 嵌 入 式 系 统 得 到 广 泛 应 用 。 如 可 用 作 为气 动 加 工 、 激 光 加 工 、 自 动 焊 接 设 备 的 控 制 系 统 等 。文 章 采 用 基 于 A R M 7 T D M I 内 核 的 S 3 C 4 4 B 0 X 处 理 器 为中 央 处 理 器 , 实 现 对 步 进 电 机 驱 动 位 移 和 速 度

6、的 高 精 度 显示 和 控 制 。2 A R M 7 T D M I S 3 C 4 4 B 0 X 单 片 机 概 述基 于 系 统 的 实 际 要 求 、 成 本 和 将 来 产 品 升 级 的 考 虑 ,系 统 采 用 S a m s u n g 公 司 的 A R M 7 T D M I 系 列 芯 片 的S 3 C 4 4 B 0 X , 它 包 含 A R M 7 T D M I 处 理 器 。 A R M 7 T D M I 处理 器 是 A R M 公 司 通 用 的 3 2 位 微 处 理 器 家 族 的 成 员 之 一 ,是 一 种 高 性 能 、 廉 价 、 低 功 耗

7、 的 R I S C 处 理 器 , 同 时 又 具有 非 常 丰 富 的 片 上 资 源 , 非 常 适 合 嵌 入 式 产 品 的 开 发 1 。其 特 点 如 下 : 采 用 A R M 7 T D M I 内 核 , I / O 电 压 3 . 3 V , 内核 电 压 2 . 5 V ; 内 置 锁 相 环 ( P L L ) , 系 统 主 频 高 达6 6 M H z ; 4 种 工 作 模 式 , 可 以 实 现 电 源 管 理 以 降 低 工 作 功耗 ; 8 K B 的 系 统 高 速 缓 存 ( c a c h e ) , 极 大 地 提 高 了 系 统运 行 速 度 。

8、 它 还 支 持 8 个 M E M O R Y B A N K , 最 大 外 部 存储 空 间 达 2 5 6 M , 并 且 支 持 S D R A M ; 内 置 彩 色 L C D 控 制器 , 2 路 异 步 串 口 ( U A R T ) ; 7 1 个 通 用 I / O 口 ; 8 路 模 /数 转 换 器 ( A D C ) ; 实 时 时 钟 ( R T C ) 和 看 门 狗 电 路( W A T C H D O G ) 。 S 3 C 4 4 B 0 X 的 存 储 系 统 地 址 空 间 分 为 8个 存 储 体 , 每 个 存 储 体 可 达 3 2 M 总 共

9、可 达 2 5 6 M ; 每B A N K 数 据 总 线 位 数 可 设 置 为 8 / 1 6 / 3 2 ; 7 个 存 储 体 的 初始 位 置 确 定 , 空 间 大 小 可 设 置 ; 1 个 B A N K 的 初 始 位 置 和空 间 大 小 都 可 设 置 , B A N K 0 分 配 给 自 举 R O M , B A N K 6和 B A N K 7 通 常 分 配 给 S D R M , 普 通 设 备 放 在 其 他 B A N K上 2 。 S 3 C 4 4 B 0 X 能 实 现 比 较 复 杂 的 控 制 , 非 常 适 用 于工 业 控 制 和 过 程

10、控 制 。3 步 进 电 动 机 的 工 作 原 理步 进 电 动 机 是 一 种 将 电 脉 冲 信 号 变 换 成 相 应 的 角 位 移或 直 线 位 移 的 执 行 机 构 。 在 不 超 载 的 情 况 下 , 电 机 的 转速 、 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 , 而 不受 负 载 变 化 的 影 响 ; 即 给 电 机 加 一 个 脉 冲 信 号 , 电 机 则 转过 一 个 步 距 角 , 同 时 通 过 改 变 通 电 顺 序 , 可 以 改 变 电 机 旋转 方 向 。 步 进 电 机 的 种 类 很 多 , 按 结 构 可

11、 分 为 反 应 式 和 激励 式 两 种 , 按 相 数 分 则 可 分 为 单 相 , 两 相 和 多 相 三 种 。步 进 电 机 的 主 要 特 性 如 下 。( 1 ) 步 进 电 机 步 距 角 与 脉 冲 数 成 严 格 的 正 比 线 性 关系 , 而 不 受 负 载 变 化 的 影 响 。( 2 ) 步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 误 差 , 步 进 电 机 运 转 一 周后 没 有 累 积 误 差 。测 控 技 术7 1机 电 工 程 技 术 2 0 0 7 年 第 3 6 卷 第 0 6 期机 电 工 程 技 术 !“# 年 第 $% 卷 第 “% 期图 2 L

12、2 9 8 步 进 电 机 驱 动 电 路 原 理 图图 1 典 型 控 制 方 案 系 统 结 构( 3 ) 步 进 电 机 的 动 态 响 应 快 , 易 于 起 动 , 停 止 , 正 反转 及 速 度 响 应 性 好 。( 4 ) 改 变 脉 冲 的 顺 序 , 可 以 方 便 的 改 变 转 动 的 方 向 。( 5 ) 步 进 电 机 停 止 时 具 有 自 锁 能 力 。( 6 ) 一 般 步 进 电 机 需 要 专 门 的 伺 服 控 制 器 进 行 控 制 ,不 能 够 直 接 使 用 普 通 的 交 流 或 直 流 电 源 驱 动 。 步 进 电 机 必须 由 双 环 形

13、脉 冲 信 号 、 功 率 驱 动 电 路 等 组 成 驱 动 控 制 系 统方 可 使 用 3 4 。4 控 制 系 统 组 成 及 原 理基 于 A R M 的 步 进 电 机 典 型 控 制 方 案 系 统 结 构 如 图 1所 示 。系 统 由 控 制 面 板 、 A R M 单 片 机 、 驱 动 电 路 、 步 进 电 机等 组 成 。 控 制 面 板 作 为 人 机 交 互 界 面 , 通 过 与 A R M 的 通信 , 实 现 对 操 作 的 监 控 功 能 ; A R M 单 片 机 发 出 脉 冲 信 号 ,由 信 号 分 配 , 功 率 放 大 驱 动 步 进 电 机

14、带 动 负 载 。( 1 ) 脉 冲 信 号 的 产 生脉 冲 信 号 由 S 3 C 4 4 B 0 X 产 生 , 一 般 脉 冲 信 号 的 占 空 比为 0 . 3 0 . 4 左 右 , 电 机 转 速 越 高 , 占 空 比 则 越 大 。( 2 ) 信 号 分 配通 过 C P L D ( 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 ) 控 制 器 进 行 脉 冲分 配 , 被 控 对 象 选 择 的 是 四 相 式 步 进 电 机 。 四 相 电 机 工 作方 式 有 二 种 , 四 相 四 拍 为 A B - B C - C D - D A - A B , 步 距 角 为1 8 度

15、; 四 相 八 拍 为 A B - B - B C - C - C D - D - D A - A - A B , ( 步距 角 为 9 度 ) 。( 3 ) 功 率 放 大功 率 放 大 是 驱 动 系 统 最 为 重 要 的 部 分 。 步 进 电 机 在一 定 转 速 下 的 转 矩 取 决 于 它 的 动 态 平 均 电 流 而 非 静 态 电流 ( 而 样 本 上 的 电 流 均 为 静 态 电 流 ) 。 平 均 电 流 越 大 电 机力 矩 越 大 , 要 达 到 平 均 电 流 大 这 就 需 要 驱 动 系 统 尽 量 克服 电 机 的 反 电 势 。 因 而 不 同 的 场

16、 合 采 取 不 同的 驱 动 方 式 , 到 目 前 为 止 , 驱 动 方 式 一 般 有以 下 几 种 : 恒 压 、 恒 压 串 电 阻 、 高 低 压 驱 动 、恒 流 、 细 分 数 等 。 为 尽 量 提 高 电 机 的 动 态 性能 , 将 信 号 分 配 、 功 率 放 大 组 成 步 进 电 机 的驱 动 电 源 。( 4 ) 细 分 驱 动 器在 步 进 电 机 步 距 角 不 能 满 足 使 用 的 条 件下 , 可 采 用 细 分 驱 动 器 来 驱 动 步 进 电 机 , 细 分驱 动 器 的 原 理 是 通 过 改 变 相 邻 ( A , B ) 电 流的 大 小

17、 , 以 改 变 合 成 磁 场 的 夹 角 来 控 制 步 进 电 机 运 转 的 。5 步 进 电 动 机 控 制 系 统 软 件 及 驱 动 电 路 设 计系 统 的 软 件 开 发 平 台 选 用 A D S 1 . 2 作 为 开 发 工 具 。A D S 1 . 2 编 译 器 除 提 供 C 语 言 的 标 准 特 性 , 还 增 加 了 许 多为 利 用 A R M S 3 C 4 4 B 0 X 专 用 工 具 而 设 计 的 扩 展 功 能 , 提 供了 友 好 的 用 户 界 面 和 强 大 的 调 试 系 统 , 十 分 便 于 开 发 A R M系 列 单 片 机 的

18、 应 用 程 序 。测 控 技 术7 2机 电 工 程 技 术 2 0 0 7 年 第 3 6 卷 第 0 6 期机 电 工 程 技 术 !“# 年 第 $% 卷 第 “% 期化 操 作 数 。 目 标 代 码 按 照 表 格 存 储 各 条 指 令 操 作 码 等 对 应表 格 中 的 索 引 号 。( 3 ) 所 要 用 到 的 表 格 有 以 下 几 种 查 询 表 : 是 预 先 建 好 的 静 态 数 据 文 件 , 供 编 译 程 序查 询 数 据 , 其 目 的 是 将 程 序 与 数 据 文 件 分 离 , 便 于 系 统 扩展 , 包 括 指 令 格 式 表 和 中 间 代

19、码 格 式 表 6 ; 指 令 格 式 表 : 是 按 P L C 指 令 的 语 法 特 点 分 别 存 储 指令 操 作 码 、 操 作 数 代 码 和 操 作 数 范 围 , 并 建 立 它 们 间 的 索引 关 系 ; 生 成 表 : 是 编 译 过 程 中 产 生 的 动 态 数 据 文 件 包 括 逻辑 出 错 表 和 中 间 文 件 数 据 表 ; 逻 辑 出 错 表 : 随 源 程 序 错 误 类 型 的 不 同 而 变 化 , 编译 完 成 后 要 将 逻 辑 出 错 表 生 成 系 统 错 误 文 件 。4 结 束 语综 上 所 述 , 本 软 件 为 用 户 编 制 可

20、编 程 逻 辑 控 制 器 程 序提 供 了 开 放 的 功 能 和 灵 活 的 方 法 , 也 带 来 方 便 的 操 作 和 效率 上 的 提 高 。 软 件 更 重 要 的 优 势 就 是 易 学 易 用 , 使 用 者 完全 不 需 要 记 忆 任 何 功 能 指 令 , 就 能 完 成 程 序 设 计 。 以 往 很多 软 件 只 有 编 辑 完 梯 形 图 后 才 能 语 法 检 查 , 这 就 给 编 程 人员 增 加 了 校 正 语 法 错 误 的 工 作 量 。 本 软 件 采 用 编 辑 、 语 法检 查 、 编 译 一 体 化 的 设 计 思 路 来 实 现 该 软 件

21、系 统 , 有 效 地避 免 了 这 些 不 便 , 特 别 是 初 学 人 员 该 软 件 系 统 对 学 习 编 程有 很 好 的 指 导 效 果 , 同 样 对 提 高 编 程 效 率 有 积 极 作 用 , 具有 极 高 的 应 用 价 值 。参 考 文 献 : 1 莫 易 敏 , 章 德 平 , 周 哲 . P L C 梯 形 图 转 化 为 指 令 表 算 法 及 实现 J . 控 制 工 程 , 2 0 0 6 , 1 3 ( 6 ) : 5 7 3 - 5 7 6 . 2 高 金 刚 , 陈 建 春 , 刘 雄 伟 . 数 控 系 统 的 软 P L C 系 统 开 发 J .

22、 计 算 机 测 量 与 控 制 , 2 0 0 4 , 1 2 ( 3 ) : 2 5 4 - 2 5 6 . 3 黄 延 延 , 林 跃 , 于 海 彬 . 软 P L C 技 术 研 究 及 实 现 J . 计 算机 工 程 , 2 0 0 4 , 3 0 ( 1 ) : 1 6 5 - 1 6 7 . 4 张 礼 兵 , 杨 文 通 , 李 杨 , 等 . 基 于 V i s u a l C + + 6 . 0 环 境 的软 件 P L C 的 研 究 与 开 发 . 机 床 与 液 压 , 2 0 0 4 ( 1 1 ) : 1 5 8 - 1 6 6 . 5 蒲 志 新 , 熊 永

23、 超 , 熊 晓 红 . P L C 梯 形 图 语 言 编 辑 功 能 的 软 件实 现 J . 机 械 2 0 0 3 , ( 3 ) : 5 4 - 5 5 . 6 周 峰 , 王 新 华 , 李 剑 峰 , 等 . 软 P L C 编 辑 系 统 的 设 计 与 实 现 J . 计 算 机 工 程 与 应 用 , 2 0 0 5 ( 7 ) : 1 1 1 - 1 1 3 .第 一 作 者 简 介 : 韩 俊 平 , 男 , 1 9 5 7 年 生 , 辽 宁 鞍 山 人 , 大 学 本科 , 讲 师 。 研 究 领 域 : 机 电 一 体 化 。 已 发 表 论 文 1 篇 。( 编

24、 辑 : 吴 智 恒 )控 制 系 统 是 由 A R M S 3 C 4 4 B 0 X 发 出 控 制 脉 冲 信 号 , 再由 可 编 程 逻 辑 器 件 C P L D 进 行 脉 冲 分 配 , C P L D 是 一 种 具 有丰 富 的 可 编 程 I / O 引 脚 的 可 编 程 逻 辑 器 件 , 具 有 在 系 统 可编 程 , 使 用 方 便 灵 活 的 特 点 , 不 但 可 实 现 常 规 的 逻 辑 器 件功 能 , 还 可 实 现 复 杂 的 时 序 逻 辑 功 能 , 同 单 片 机 接 口 可 以作 为 单 片 机 的 一 个 外 设 实 现 单 片 机 所

25、 要 求 的 功 能 。 C P L D 的芯 片 管 脚 主 要 连 接 几 种 信 号 : I / O 口 、 外 部 时 钟 信 号 、 片选 控 制 信 号 、 电 源 信 号 、 地 信 号 、 J T A G 接 口 信 号 。 系 统 的C P L D 模 块 采 用 8 M H z 的 外 部 有 源 晶 体 振 荡 器 , 全 局 时 钟 接到 了 C P L D 特 定 的 时 钟 输 入 管 脚 。 片 选 信 号 为 S 3 C 4 4 B 0 的B a n k 2 选 通 信 号 , 接 到 C P L D 的 芯 片 使 能 管 脚 。 C P L D 分 配后 的

26、 信 号 输 出 到 L 2 9 8 , 由 L 2 9 8 芯 片 来 驱 动 和 控 制 电 机 ,L 2 9 8 其 实 就 是 一 个 全 桥 驱 动 电 路 。 它 接 收 的 是 P W M 方 波 ,输 出 为 跟 P W M 方 波 占 空 比 相 同 的 外 接 电 压 方 波 。综 上 所 述 , 系 统 对 电 机 驱 动 和 控 制 步 骤 如 下 :( 1 ) 系 统 首 先 由 A D S 1 . 2 作 为 软 件 开 发 工 具 , 在 线 开发 出 对 步 进 电 机 的 控 制 程 序 , 调 试 运 行 成 功 以 后 , 再 把 代码 写 到 S 3 C

27、 4 4 B 0 X 开 发 板 的 F L A S H 上 。( 2 ) A R M S 3 C 4 4 B 0 X 发 出 脉 冲 信 号 后 , 再 由 C P L D 分配 脉 冲 信 号 , C P L D 分 配 后 的 信 号 输 出 到 L 2 9 8 , 由 L 2 9 8芯 片 来 驱 动 和 控 制 电 机 , 其 电 路 原 理 如 图 2 。6 系 统 在 机 器 人 中 的 应 用机 器 人 是 由 计 算 机 控 制 的 通 过 编 排 程 序 具 有 可 以 变 更的 多 功 能 的 自 动 机 械 , 它 在 我 们 的 生 活 中 应 用 越 来 越 广泛

28、。 机 器 人 手 臂 是 机 器 人 的 一 个 重 要 的 关 节 。 本 系 统 在 两自 由 度 结 构 平 面 关 节 机 器 人 中 实 现 了 对 关 节 的 控 制 , 能 达到 很 高 的 精 度 。7 结 束 语该 步 进 电 动 机 控 制 系 统 实 现 了 对 步 进 电 机 转 速 和 转动 距 离 的 精 确 控 制 和 监 测 , 系 统 具 有 数 据 处 理 速 度 快 ,精 度 高 , 产 品 成 本 低 , 系 统 可 靠 性 高 等 优 点 。 整 个 系 统性 价 比 高 , 体 积 小 , 便 携 , 用 户 界 面 友 好 , 操 作 简 单 ,

29、维 护 方 便 。参 考 文 献 : 1 周 立 功 . A R M 微 控 制 器 基 础 与 实 战 M . 北 京 : 北 京 航 空航 天 大 学 出 社 , 2 0 0 3 . 2 王 田 苗 . 嵌 入 式 系 统 设 计 与 实 例 开 发 M . 北 京 : 清 华 大 学出 版 社 , 2 0 0 3 . 3 王 鸿 钰 . 步 进 电 机 控 制 技 术 入 门 M . 上 海 : 同 济 大 学 出 版社 , 1 9 9 0 . 4 宣 财 鑫 . P L C 脉 冲 控 制 步 进 电 机 技 术 J . 机 车 车 辆 工 艺 ,2 0 0 2 , ( 1 ) : 3 1 - 3 2 .作 者 简 介 : 孙 祥 国 , 男 , 1 9 7 3 年 生 , 四 川 绵 阳 人 , 硕 士 研 究 生 ,助 教 。 研 究 领 域 : 机 电 系 统 的 智 能 控 制 。( 编 辑 : 梁 玉 )!( 上 接 第 3 0 页 )测 控 技 术7 3105106