基于VC++的步進(jìn)電機控制系統(tǒng)研究

時間：2018-12-24 14:00:01

關(guān)鍵字： vc 嵌入式開發(fā) 控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機

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[導(dǎo)讀]　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機，但步進(jìn)電機的控制通常都采用匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，本文結(jié)合SC3步進(jìn)電機控制器及平移臺的控制開發(fā)為例

　　步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機，但步進(jìn)電機的控制通常都采用匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，本文結(jié)合SC3步進(jìn)電機控制器及平移臺的控制開發(fā)為例，介紹了一種如何在Windows平臺下利用Visual C++6.0提供的串行通信控件MSComm來實現(xiàn)PC機與步進(jìn)電機控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實現(xiàn)由PC機直接控制步進(jìn)電機的方法，并詳細(xì)介紹了編寫串行通信程序的基本步驟和方法。調(diào)試結(jié)果表明：設(shè)計的控制程序簡單、易懂，工作可靠，且具有友好的人機交互界面。

　步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在控制系統(tǒng)中具有十分廣泛的用途，但傳統(tǒng)的步進(jìn)電機的控制通常都采用匯編語言或C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm實現(xiàn)PC機與步進(jìn)電機控制器之間的串行通信。與 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡應(yīng)用程序直接控制硬件，而是通過Windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動程序來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。串行口在Win32中是作為文件來進(jìn)行處理的，而不是直接對端口進(jìn)行操作，對于串行通信，Win32提供了相應(yīng)的文件I/O函數(shù)與通信函數(shù)，通過了解這些函數(shù)的使用，可以編制出符合不同需要的通信程序。

　實現(xiàn)串行通信一般有3種方法：使用VC++提供的串行通信控件MSComm；在單線程中實現(xiàn)自定義的串口通信類；多線程下實現(xiàn)串行通信。結(jié)合實際情況，本系統(tǒng)采用VC++提供的串行通信控件MSComm來進(jìn)行軟件編程，可以很方便地管理與控制計算機串口。

　 1、系統(tǒng)組成

　由PC機控制步進(jìn)電動機的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PC機控制步進(jìn)電機系統(tǒng)框圖

　本系統(tǒng)的電機控制采用通用的RS 232串口的異步通信。由于RS 232早期是為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平對地是對稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5～+15 V之間，邏輯1電平規(guī)定為-5～-15 V之間，因此，RS 232驅(qū)動器與TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。

　 2、控制軟硬件的技術(shù)參數(shù)

　本系統(tǒng)采用卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC3步進(jìn)電機控制器及平移臺，實現(xiàn)平移臺的三維控制（x，y，z）。利用RS 232串口異步通信完成對步進(jìn)電機的單步和連續(xù)移動控制，并且把電機的實際位置數(shù)據(jù)反饋給PC機處理。

　　電控平移臺的機械指標(biāo)如下：

　（1）精密電控旋轉(zhuǎn)臺：型號RSA200用于x軸。轉(zhuǎn)動范圍>±40°；傳動比180∶1；小步距0.000 312 5°；臺面直徑Φ200；分辨率0.001 25°；重復(fù)定位精度<0.005°；最大速度25/s；中心最大負(fù)載60 kg。

　（2）重載型電控平移臺：型號TSA300B，用于z軸。最小步距0.003 15 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；加固定平移臺有效行程為150 mm。

　（3）超薄型電控平移臺：型號TSA30C，用于y軸。最小步距為0.002 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步進(jìn)電機控制器設(shè)有手動和聯(lián)動方式，手動能設(shè)置的操作有：速度設(shè)定、歸零操作、方向設(shè)定、位移量設(shè)定等，聯(lián)機方式可以使電機的運動直接受應(yīng)用軟件控制。由于是進(jìn)行二次開發(fā)，因此應(yīng)用程序必須嵌入原控制器的控制指令及協(xié)議。

　 1、系統(tǒng)組成

　由PC機控制步進(jìn)電動機的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PC機控制步進(jìn)電機系統(tǒng)框圖

　 2、控制軟硬件的技術(shù)參數(shù)

　　電控平移臺的機械指標(biāo)如下：

　（2）重載型電控平移臺：型號TSA300B，用于z軸。最小步距0.003 15 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；加固定平移臺有效行程為150 mm。

　該指令系統(tǒng)主要有以下幾條：

　　聯(lián)絡(luò)指令指令格式：“？R" & CHR$（13）

　該指令發(fā)出200 ms以內(nèi)SC3回送：“OK”& CHR$（10），表示聯(lián)絡(luò)成功。

　　查詢指令指令格式：“？V”& CHR$（13）

SC3接到該指令后回送：“V number” & CHR$（10）。其中number為ASC碼表示的SC3當(dāng)前速度值。范圍0～255。

　　坐標(biāo)查詢指令指令格式：“？X”& CHR$（13）或“？Y”& CHR$（13）或“？Z”& CHR$（13）

SC3接到該指令后回送：“X+number” & CHR$（10），或“Xnumber” & CHR$（10），其他軸類似。其中number為以ASC碼表示的SC3當(dāng)前坐標(biāo)值，正負(fù)號代表當(dāng)前位置在開機位置（0位）的正負(fù)方向的位置。

　　速度設(shè)置指令指令格式：“V”& number & CHR$（13）

其中number為以ASC碼表示的速度設(shè)置值。范圍0～255。

　　歸零指令指令格式：“HX”& CHR$（13）或“HY”& CHR$（13）或“HZ”& CHR$（13）

　SC3接到此類指令后進(jìn)行歸零操作。完成歸零操作后回送：“OK”& CHR$（10），表示SC3歸零完畢。

　　零狀態(tài)查詢指令指令格式：“？H”& CHR$（13）

　 SC3接到此類指令后回送：“H000” & CHR$（10）

　其中000的含義：

　第一位數(shù)值：1表示z軸歸零成功，0表示z軸未歸零。

　第二位數(shù)值：1表示y軸歸零成功，0表示y軸未歸零。

　第三位數(shù)值：1表示x軸歸零成功，0表示x軸未歸零。

　　運行指令指令格式：“Xdirectionnumber”& CHR$（13）或“Y directionnumber”& CHR$（13）或“Z directionnumber”& CHR$（13）

　　3、軟件實現(xiàn)

　 3.1 利用VC++提供的串行通信控件MSComm實現(xiàn)串行通信

　首先，在VC++的對話框中創(chuàng)建通信控件，若Control工具欄中缺少該控件，可通過菜單Project→Add to?Project→Components and Control插入即可，再將該控件從工具箱拉到對話框中。此時，你只需要關(guān)心控件提供的對Windows通信驅(qū)動程序的API函數(shù)的接口，即只需要設(shè)置和監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件。

　在ClassWizard中為新建的通信控件定義成員對象（CMSComm m_Serial），通過該對象便可以對串口屬性進(jìn)行設(shè)置，MSComm控件共有27個屬性，其中主要包括：

　 Commport：設(shè)置并返回通信端口號，缺省為COM1。
　 Settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位。
　 PortOpen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打開和關(guān)閉端口。
　 Input：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。
　 Output：向發(fā)送緩沖區(qū)寫入字符串。
　 InputLen：每次設(shè)置Input讀入的字符個數(shù)，缺省值為0，表明讀取接收緩沖區(qū)中的全部內(nèi)容。
　 InBufferCount：返回接收緩沖區(qū)中已接收到的字符數(shù)，將其置0可以清除接收緩沖區(qū)。
　InputMode：定義Input屬性獲取數(shù)據(jù)的方式（為0：文本方式；為1：二進(jìn)制方式）。
　 RThreshold和SThreshold屬性，表示在OnComm事件發(fā)生之前，接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)中可接收的字符數(shù)。

　以下是通過設(shè)置控件屬性對串口進(jìn)行初始化的實例：

　打開所需串口后，需要考慮串口通信的時機。在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能需要監(jiān)視并響應(yīng)一些事件和錯誤，所以事件驅(qū)動是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通信事件和錯誤的值。發(fā)生通信事件或錯誤時，將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值將被改變，應(yīng)用程序檢查CommEvent屬性值并作出相應(yīng)的反應(yīng)。在程序中用ClassWizard為CMSComm控件添加OnComm消息處理函數(shù)：

　 3.2 系統(tǒng)初始化

　在執(zhí)行應(yīng)用程序時首先必須進(jìn)行初始化，其初始化程序框圖如圖2所示。

圖2 初始化程序框圖

　運行程序時，視圖執(zhí)行初始化操作函數(shù)OnInitialUpdate（），該函數(shù)內(nèi)要先打開串口1，通過設(shè)置對象m_ContrCom各成員函數(shù)，設(shè)置好各通信參數(shù)：

　然后經(jīng)過一個位置選擇對話框，通常選“保持原來的位置”，然后就發(fā)出詢問各軸的坐標(biāo)值的指令。流程如圖2所示。除x軸是直接發(fā)送坐標(biāo)詢問指令獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)外，其他2個軸都是通過連續(xù)的2個定時器來詢問坐標(biāo)的，定時器響應(yīng)后執(zhí)行圖3的程序。此后就進(jìn)入待操作畫面。

　3.3 運行操作的編程

　在電機運動操作區(qū)的各文本框內(nèi)輸入某一軸向的位移值、速度值，按下“運行”按鈕，則程序會把位移值轉(zhuǎn)化為字符型的實際要運行的步數(shù)，通過串口送到SC3步進(jìn)電機控制器，控制對應(yīng)的軸的電機運行相應(yīng)的步數(shù)。運行結(jié)束后，SC3會返回一個“OK”字符至串口，PC機接受到這個字符后，就知道電機運行結(jié)束，然后向串口發(fā)送坐標(biāo)詢問指令，SC3會回送有關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，PC機接到這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理運算并在文本框中顯示出來。這樣就結(jié)束了一個完整的運行操作。

　所有主要的PC機和SC3控制器的有關(guān)數(shù)據(jù)通信程序都在MSComm控件內(nèi)。包括所有的接受、識別返回字符，各軸向坐標(biāo)的運算和顯示。

　當(dāng)步進(jìn)運動完畢后，返回到PC機的數(shù)據(jù)為步進(jìn)電機已經(jīng)運行的步數(shù)，根據(jù)這個步數(shù)要計算相應(yīng)的坐標(biāo)，必須知道各軸的脈沖當(dāng)量。步進(jìn)電機每走一步，電移臺的位移等于脈沖當(dāng)量，即分辨率。

　坐標(biāo)值=初始坐標(biāo)+運行步數(shù)＊脈沖當(dāng)量
　平移臺脈沖當(dāng)量=絲杠導(dǎo)程mm＊步距角/（360＊細(xì)分?jǐn)?shù)）
　旋轉(zhuǎn)臺（x軸）的脈沖當(dāng)量（度）=步進(jìn)電機步距角/（傳動比＊細(xì)分?jǐn)?shù)）

　其中細(xì)分?jǐn)?shù)是由控制器后面板撥碼開關(guān)設(shè)置的。

　步進(jìn)電機的步距角都為1.8°，縱軸的絲杠導(dǎo)程為1 mm，橫軸為4 mm，旋轉(zhuǎn)軸傳動比為180∶1，細(xì)分?jǐn)?shù)為2，則根據(jù)以上公式可得出：

　縱軸（z）脈沖當(dāng)量=1/100
　橫軸（y）脈沖當(dāng)量=1/400
　旋轉(zhuǎn)軸（x）脈沖當(dāng)量=1/200

　 4、結(jié)語

　在PC機和單片機之間實現(xiàn)串行通信控制是近幾年很受歡迎、較為流行的方法。本文介紹的運用MSComm控件來編制的由PC機對步進(jìn)電機直接控制的應(yīng)用軟件具有友好的人機交互界面，且編程簡便、工作可靠，是一種切實有效的方法。同時，這種串行控制方法和技術(shù)還可運用于相應(yīng)的工業(yè)控制場合。