摘 要: 本文研究開發了一種步進電機驅動器及其控制系統。該系統以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過處理的控制指令和參數發送到下位機，保證下位機能夠準確、及時地發出控制信號，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信號，進行診斷和處理。 關鍵字: 步進電機;控制系統;驅動器;通信電路 1 引言 　　步進電機又稱脈沖電動機，是數字控制的一種執行元件。它是隨著計算機控制系統發展而發展起來，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，運動控制器就像是它的中樞神經系統，指揮著它的每個動作。本文以步進電機為控制對象，繼承傳統步進電機控制的優點，研制高性能步進電機驅動器及控制系統。 2 系統總體設計 　　步進電機控制器是步進電機控制系統重要部分，控制器接收上位機發送的指令，并根據指令向各步進電機發出控制信號，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，實現步進電機的控制。采用PC機的控制系統，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、穩定性、I/O能力、功耗、功能齊全、價格等方面各有優劣。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濟實惠的產品。因而本系統中選用了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，必須把數據的傳送分為兩個周期。 　　EPP口的數據與地址分時復用8位數據/地址總線，其資源相對較少，并且在EPP口中只有WRITE, DATASTB, ADDSTB這三條用于數據和地址傳輸的控制線，所以整個系統的讀寫控制信號即讀數據、讀地址、寫數據、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據選通線、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。 　　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，使其根據需要變為高電平或低電平，并與E相結合控制數據傳輸方向。 　　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，從而提高系統的可靠性，增強抗干擾能力。光隔離器最重要的參數是電流傳輸比CTR，應注意通常其值為0.2～0.9。輸入數字信號提供一定的電流（5～10mA）時，光隔離器才會把放大的數字電平輸出。 　　光隔離器聯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在正式工作前處于一種特定狀態，只有以該狀態為起點，隨后的工作才可控制，系統才能夠可靠性的工作。上電和復位電路如圖3所示: 　　復位信號的產生有3種方式:外部復位電路上電或手動復位、監督定時器溢出復位、執行指令RST。監督定時器溢出產生復位信號和執行RST指令產生復位信號屬于89C51內部復位控制邏輯，其前提是單片機已開始運行程序。比較實用的復位方式是上電復位。此種方法是從RESET腳連接一個合適的電容到地，每lμs時間需電容約1～2μF。電路上電時，電容C迫使RESET引腳處于電平，然后由內部上拉器件將RESET引腳拉向高電平。此電路僅適用與VCC上升較快的情況。當系統掉電時，二極管為電容C提供了迅速放電的通路，從而保護系統在反復通電時均能可靠復位。 　　3.4 存儲模塊與振蕩電路設計 　　單片機應用系統比較小巧，一般存儲量也不會很大，因此，大都采用靜態RAM ,使用方便，不需要刷新。常用的芯片有6116（2K）, 6264（8K）, 62256（32K）。由于89C51片內只有128個字節的RAM，而本系統中需要存儲的數據比較多，需要擴展外部RAM ,系統采用1片6264。 　　AT89C51單片機芯片內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，輸入端與輸出端為XTAL1和XTAL2，與作為反饋元件的片外晶體振蕩器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路種，這時內部振蕩器便自激振蕩，對C1和C2的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩定性、起振的快速性等。外接晶體時，C1和C2值常選擇為30pF左右，本系統選C1和C2值為30pF。 　　3.5 電源模塊設計 　　控制系統能否穩定、可靠的工作，電源的設計是非常重要的。在本系統中，需要三種電源:+5V, +12V和-12V。為此設計了由集成穩壓塊7805, 7812, 7912組成的集成電壓電路。 在電路中使用的7805, 7812, 7912穩壓塊不僅有輸入端、輸出端和公共端，在芯片內部設有過流、過熱保護以及調整管安全保護電路，使用簡便，具有保護功能好，安全可靠、輸出穩定度高等特點。這個電路給系統提供穩定的直流供電電壓、為電路提供精密基準電壓源，在進行光電隔離時，為隔離電路提供獨立的供電電源。集成穩壓塊的作用為把非穩定的直流電壓變換成穩定的直流電壓。 　　電源電路如圖4所示。該電路由變壓器、橋式整流器B1、濾波電容和集成穩壓塊7805, 7812, 7912組成。其工作原理為220V交流電經變壓器降壓后由次級線圈輸出后電壓降為24V的交流電，然后經過橋式電路整流后成為波動的直流電源，經過高低通濾波后，輸入集成電壓穩壓器7805, 7812和7912，輸出+5V±5%, +12V±5%、-12V±5%直流電壓，提供給單片機應用系統。該電路經實驗證明，具有結構簡單、經濟、實用等特點。 4 系統軟件設計 　　為了使控制系統各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。系統軟件設計包括單片機應用軟件和PC機應用軟件。單片機軟件采用MCS-51匯編語言編寫，PC機軟件采用Delphi7.0編寫。單片機程序主要實現了位置控制、過程控制、信號處理、插補、通信處理等功能;PC機軟件主要是對數據的進一步處理，實現了人機界面、實時位置動態顯示、曲線顯示等功能。 　　本軟件系統是在Windows98平臺上，利用Delphi7.0開發成功的，系統軟件由許多功能模塊組成。系統軟件界面友好，使用方便，實現了電機運動控制功能。該軟件共有三個窗體:簡單運動窗體、插補運動窗體、E即接口測試窗體。其軟件分層框圖如圖5所示。 　　本文作者創新點: 本文借助計算機技術、數控技術、電子技術、接口技術、單片機控制技術設計開發了一個步進電機開環控制系統。控制器采用單片機作為主體，與PC機構成上下位機控制結構。該控制器可以輸出頻率可調的方波信號，可以滿足步進電機運行的頻率范圍。系統無論是在硬件還是軟件系統中都采用模塊化的設計方法。這使得系統擴展起來比較方便，系統可移植性高，增加了系統的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應性。 參考文獻: 　　[1] 張旭輝.管道對接焊縫自動超聲檢測系統的研制[D].西安:西安科技大學機械工程系，2002 　　[2] 吳瓊水,曾立波,雷俊鋒.MAX7000S在步進電機微機控制系統中的應用[J].電子技術.No.12, 2001.47-48 　　[3] 高軍禮, 盧卓權. 步進電機一體化控制系統的設計[J]. 微計算機信息, 2007, 4-1: 69-70