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1、精品论文基于混合式步进电动机的无线随动系统设计原庆兵，刘如意，王宝超 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（150001） E-mail：摘要：针对传统随动系统采用有线连接方式进行的传输的不足本文设计了基于混合式步进 电动机的无线随动系统。比较了步进电动机的几种驱动方案优缺点，对控制精度较高的细分驱动方案进行了分析研究。采用 dsPIC30F2010 单片机正交编码模块对 OIH35-500P8 增量式 光电编码器输出的信号进行了处理，得到了增量式光电编码器转动的角位移信号。采用PT2262 编码芯片对增量式光电编码器输出的角位移信号进行编码，采用相应的发射模块采 用 315MHz 高频
2、信号把数据发射出去；利用 PT2272 把接收模块接收到的数据进行解码还原为适合控制步进电动机转动的位置信号应用 JM12232F 液晶显示模块，采用串口数据传输的 方式对增量式光电编码器的角位移信号和步进电动机的角位移信号进行显示。关键词：混合式步进电动机；细分驱动；增量式光电编码器；无线传输 中图分类号：TM3931. 引 言传统的随动系统一般采用有线连接方式，传输的距离比较近。考虑到远距离的无线传输 控制的需要，本课题设计了基于混合式步进电动机的无线随动系统。步进电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机电执行元件，每当输 入一个电脉冲时，它便转过一个固定的机械角度，脉冲一个
3、一个的输入，电动机便一步一步 地转动。步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成正比，其转速与脉冲频率和步距角有关， 控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序，可以得到各种所需要的运行特性。尤 其与数字系统配套使用时，体现出更大的优越性。它具有快速启停、精确步进、误差没有长 期积累以及能够直接接收数字信号等特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。从发展趋 势来讲，应该说步进电动机与直流电动机、异步电动机以及同步电动机并列而成为电动机的 几种基本类型1,2。步进电动机区别于其它控制用途电动机的最大特点是它接收数字控制信号(电脉冲信 号)，并转换成与之相对应的角位移或直线位移。它本身就是一个完成数
4、字/模拟转换的执行 元件，而且它可以进行位置开环控制，输入一个脉冲信号就得到个规定的位置增量，这样的 所谓增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调 整。2. 步进电动机的驱动系统设计步进电动机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电动机驱动 器。步进电动机驱动器一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用 于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。步进电动机常用的驱动方式有升频升压驱动、恒流斩波驱动和细分驱动等。细分驱动是 针对步进电机的分辨率及精度不高，精度与快速性相矛盾，动态中有失步及振动、噪声大等 缺点而产生的一种比较特
5、殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时， 只改变相应绕组中的电流的一部分，即对相电流实施微量控制，利用各相电流的阶梯变化产 生一系列的假想的磁极对，则转子对应的每步运动也相应只是原步距角的一部分，即达到细 分的目的。利用细分控制能够使步进电机的分辨率大大提高，同时也能够有效地降低步进电- 6 -机低频运转时的振动和噪音。细分技术的产生得益于现代电力电子技术的深入发展，也使步进电机控制进入了一个新的空间。当今步进电机控制器的高端产品基本上都采用了该技术3,4。本系统采用 L297/L298 组成混合式步进电动机的驱动器，采用的驱动方式为细分驱动， 具体的电路实现如图 1 所示：
6、36VCLKDIRU1A1274F04PC U1B34U218 C L K20 RST17 CW/CCW 19 HALF/FULL11 CTL L297A 15 VREF14 SEN1+5VS 12A 4B 6C 7D 9SYNC 1 SYSNU45 IN17 IN210 IN312 IN4VSS 9VS 4 OUT1 2OUT2 3D1 D2 D3D4OUT1OUT274F04PC13 SEN2INH1 56 EN A OUT3 13OUT3U1C10 ENINH2 8HOME 311 EN BOUT4 14ISEN A 1 OUT4HALFRST5674F04PC2 GND L297OSC
7、 16 R1C133nF22K8 GND ISEN B 15L298ND5 D6 D7 D8U318 CL K20 RST17 CW/CCW 19 HALF/FULLVS 12A 4B 6R20.5R3ENABLEL298B11 CTL15 VREF14 SEN113 SEN210 EN2 GNDC 7D 9SYNC 1 SYSNINH1 5INH2 8HOME 3 OSC 16 R4+522K 0.5L297 C233nF外部输入信号*2VCCCLK*11 P1.02 P1.13 P1.24 P1.35 P1.46 P1.57 P1.68 P1.710 P3.0VCC VCC 40 P0.0
8、 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33EA 31 送给WUC08521 1 8 8 2 2 7 7 U1D11 P3.112 P3.2 ALE 30 PSEN 29 3 34 46N1376 6 13125 5C333pFY113 P3.314 P3.416 P3.617 P3.718 XTAL219 XTAL120 VSSP2.7 28 DACAP2.6 27 DACBP2.4 25 P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21R5 R6 R7 R85K 5K 5K 5KS15 46 37 28 12 1C4 XTAL8751S
9、W DIP-433pF图 1 步进电机驱动电路Fig.1 Drive circuit of step motor3. 步进电动机无线随动系统设计本系统电路主要分为两个部分：发射部分和接收部分。整个系统的控制思路是：发射部 分，由光电码盘转动发出位置信号，控制器将此位置信号送到编码部分编码，然后通过天线 发射出去。同时，控制器把位置信号送到显示部分，显示当前光电码盘转过的角度。接收部 分，由接收天线接收发射部分发出的信号，然后经解码部分解码，变成控制器可以处理的信 号。控制器根据接收到的信号发出控制信号给驱动器驱动步进电机运转。同时，步进电机转 动的位置信号返回给控制器，控制器把步进电机返回的位
10、置信号送给显示部分，显示当前步 进电机转过的角度。随动系统的实物图如图 2 所示：图 2 随动系统Fig.2 Follow-up system考虑到发射部分和接收部分电路结构的相似性，两部分采用了相同的原理图。如图 3 所示：本系统为实现无线传输所采用的 PT2262/2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺 制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272 最多可有 12 位(A0-A11)三态地址端管 脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供 531441 地址码,PT2262 最多可有 6 位(D0-D5) 数据端管脚,设定的地址码和数据码从 17 脚串行输出，可
11、用于无线遥控发射电路。编码芯片 PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字， 解码芯片 PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与 此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。 +R110K U1JP1VT 1 42 53 6 +12JP321 +C1 105 R22KMCLR 1Z/SCLK5A/SID 6MCLRRB3/INDX RB4/QEAAVDD 28VDD 20VDD 13 +Header 3X2AJP51 5 +B/CS 7RB5/QEB 2 627TE DIR/SCLK 21C
12、2RET/SID 3RB0AVSSVSS 819U2 +5 3 71 18 4 8JP4 +33pFCLK/CS 4RB1RB2VSSA02 A1VCCDOUT 17Header 4X2A2Y119 OSC1PGD/TX 18 PGC PGC/RX 17 PGDR3 2K RX3 A24 A3OSC1 16OSC2 15R4 1.2M2C333pFXTALEN10 OSC211RE0 26RE1 2524R5 2K TXD0D1D5D2D45 A46 A57 A6814TE 13 D0D0 12 D1D1 11 D2JP6HA/FU 12RC13RE2 23D39 A7D2 10 D36PGD
13、5PGC432MCLR1VT14TE1516+5U3RD1RD0RE8 dsPIC30f2010RE4RE5 21D5PT2262DIR/SCLK RET/SID CLK/CS12345EN HA/FUJP7JP2 1 C1+VDD 2 C4 +21Header 2+12C5 104C6 104TX3 C1-4 C2+5 C2-11 T1IN10 T2INVCC 16 +5T1OUT 14T2OUT 7104 +JP81234 +R710KHeader 5 JP121+523R610K+5Z/SCLK A/SID JP1112345RX 12915R1OUT R2OUTGNDR1IN 13R2
14、IN 8 VEE 6 5Header 5DIR/SCLK4RET/SIDCLK/CS 56+57 B/CS6+578MAX232CSEC7 104图 3 接收部分电路Fig.3 Circuit of receive8Header 8Header 82262 每次发射时至少发射 4 组字码，2272 只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动 VT 端同步为高电平。因为 无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃 处理。设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址 码加以区分
15、。地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”； 一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。PT2262 和 PT2272 除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会 变近甚至无法接收。理论计算和实践得知，无线发射模块发射时间不小于 120 毫秒，就可以保证有一组完整 的波形输出，接收器就能收到正确的数据5,6。系统中所用的编码及发射电路如图 4 所示:+12VE1L1C2L21122pFR2C115pFQ12N3904+5VU11 A02 A13 A24 A3+5V VCC 18 DOUT 17OSC1 16OSC2 15
16、R3Q22N39045 A46 A57 D58 D49 VSSTE 14 1.2M D0 13 D1 12 D2 11 D3 10 PT2262+5V图 4 编码及发射电路Fig.4 Circuit of encode and send系统中所用的接收及解码电路如图 5 所示：+5VC4103R5R6R7C3103R3620R4200K+5V8241U2A LM358NC51 1K150KL4 27K 3E2 R104.7KR11150C733pFInductor Adj10mH C84pFC9102C6472R8120K105 R94.7MC10C11Q3C12+5V U3+5VC147pF
17、C133pF L3Q4 2pF2N39044.7KR17330pFR164.7K2N3904 3pFL5Inductor Iron10mHR135.9K1 A02 A13 A24 A35 A46 A57 D58 D49 VSSPT2272VCC 18VT 17OSC1 16OSC2 15DIN 14D0 13 D1 12 D2 11 D3 10 R12200K872+5V4LM358N5 U2B R14200K6+5VR1510KR1810K图 5 接收及解码电路Fig.5 Circuit of receive and decode实验中观察到的实际的发射信号波形如 6 所示：图 6 无线传输
18、实验波形Fig.6 Waveform of wireless transmit由于需要保证发射模块最小的发射时间为 120 毫秒，同时从光电码盘传输过来的数据最 大值为 999，考虑到发射接收模块数据位为 6 位，所以采用分两次传输信号同时对光电码盘 传输的数据信号进行 5 分频的方案。这样，发射的数据的最大值即为 199，使用一个字节 8 位即可完成传输。在编码解码过程中由发射接收模块的 6 位数据位中的最高位决定发射高四位还是低四位数据。接收模块把接收到的数据经过解码后送入单片机，单片机根据高低位判断位对两次传输过来的数据整合成 8 位的字节型数据。为了保证数据传输的时间足够长，在 程序处
19、理中采用延时方案，即保证传输一个完整的 8 位数据的时间为 500 毫秒。与此相对应， 系统其他部分的显示都采用半秒刷新的方式，步进电动机的转动也采用每半秒给定一次脉冲 的方式进行控制。考虑到所用单片机 I/O 不足，为了完成液晶显示的目的，本系统采用串口方式的液晶显 示方式，选用的是 JM12232F 的液晶模块，JM12232F 是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和128 个 16*8 点 ASCII 字符集的图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/ 列驱动器及 12832全点阵液晶显示器组成。4. 结 论1. 本文所设计的步进电动机的驱动电路采用相关的专用控制芯片 L297/L
20、298 并利用单 片机提供的参考电压提供细分电压实现细分驱动，提高了步进电动机的控制精度。2. 本文所设计的步进电动机的控制电路应用 dsPIC30F2010 控制芯片特有的正交编码模 块，对增量式光电编码器的位置信号进行了读取和处理，为步进电动机的转动提供了位置信 号。3. 本文所设计的无线发射部分使用 PT2262 编码芯片对增量式光电编码器输入的位置 信号进行编码，然后利用发射模块用 315MHz 的高频信号把编码后的数据发射出去。接收部 分使用 PT2272 对接收模块接收到的数据进行解码，还原为位置信号，以便对步进电动机实 现控制。4. 本文设计采用液晶显示实现对增量式光电编码器输入
21、的位置信号及步进电动机转动 的转角的显示。考虑到系统所用控制芯片的 I/O 接口的资源不足，本设计使用串口数据传输 的方式实现数据显示。参考文献1 杨渝钦. 控制电机. 机械工业出版社, 2004: 1-22 RobinsonDJ.Dynmie Analysis of Magnetic Stepping Motors, IEEE Transonic Industrial Electronics&ControlInstrument, 1999,16(2):1111253 孙宏刚. 两相混合式步进电机细分驱动控制器的研究. 华中科技大学博士学位论文. 2006:1-24 程树康, 刘宝廷. 步进电
22、动机及其驱动控制系统. 哈尔滨工业大学出版社, 2007: 38-56,147-160 5 陌尘. 编码解码芯片 PT2262/PT2272 工作原理. 电子制作. 2004,8:44-456 彭泽林, 陈健. 一种基于 AT89C51 的 433MHz 无线呼叫系统的设计. 电子科技. 2005,9: 2-57 孟英红, 齐婉玉, 段学峰. 用 L297,L298 组成步进电机驱动电路. 仪器仪表学报. 2003,8: 573-574A Wireless Follow-up System Based on Step MotorYuan Qingbing, Liu Ruyi, Wang Bao
23、chaoSchool of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin(150001)AbstractAimed to the deficiency of traditional follow-up systems connection, a wireless follow-up systembased on hybrid stepper motor is studied in the paper. After comparing with some drive strategies
24、 of stepper motor in the paper, a subdivided driving scheme that can guarantee the control accuracy is analyzed and studied. The schematic diagram of circuit is also designed. The project uses the quadature encoder interface module that dsPIC30F2010 has to change the position signal that incremental
25、 photoelectric encoder OIH35-500P8 creates into the signal which is suitable for subsequent position control and the angular displacement of incremental photoelectric encoder is able to get. The design uses PT2262 to encode the angular displacement of incremental photoelectric encoder and uses send
26、module to send the data with 315MHz high frequency signal. The devise uses PT2272 to decode the data that has get from receive module into positional signal which is suitable for control of stepper motor. The design uses JM12232F which sustain serial transfer to display the angular displacement of incremental photoelectric encoder and the angular displacement of stepper motor.Keywords: Hybrid stepper motor; subdivided driving; incremental photoelectric encoder; wireless transmit