VC++控制步進電機方法探討

ID:107593 · 發表于 2016-3-10 23:49

步進電機是一種將電脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機，但步進電機的控制通常都采用匯編語言或C語言進行軟件開發，本文結合SC3步進電機控制器及平移臺的控制開發為例，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PC機與步進電機控制器之間的數據通訊，最終實現由PC機直接控制步進電機的方法，并詳細介紹了編寫串行通信程序的基本步驟和方法。調試結果表明：設計的控制程序簡單、易懂，工作可靠，且具有友好的人機交互界面。
步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的機電式數模轉換器，在控制系統中具有十分廣泛的用途，但傳統的步進電機的控制通常都采用匯編語言或C語言進行軟件開發，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm實現PC機與步進電機控制器之間的串行通信［1］。與 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡應用程序直接控制硬件，而是通過Windows操作系統提供的設備驅動程序來進行數據傳送。串行口在Win32中是作為文件來進行處理的，而不是直接對端口進行操作，對于串行通信，Win32提供了相應的文件I/O函數與通信函數，通過了解這些函數的使用，可以編制出符合不同需要的通信程序。
實現串行通信［2］一般有3種方法［3］：使用VC++提供的串行通信控件MSComm［4］；在單線程中實現自定義的串口通信類；多線程下實現串行通信。結合實際情況，本系統采用VC++提供的串行通信控件MSComm來進行軟件編程，可以很方便地管理與控制計算機串口。

1、系統組成
由PC機控制步進電動機的系統如圖1所示。
圖1 PC機控制步進電機系統框圖

本系統的電機控制采用通用的RS 232［5］串口的異步通信。由于RS 232早期是為促進公用電話網絡進行數據通信而制定的標準，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電平規定為+5～+15 V之間，邏輯1電平規定為-5～-15 V之間，因此，RS 232驅動器與TTL電平連接必須經過電平轉換。
2、控制軟硬件的技術參數
本系統采用卓立漢光儀器有限公司生產的SC3步進電機控制器及平移臺，實現平移臺的三維控制（x，y，z）。利用RS 232串口異步通信完成對步進電機的單步和連續移動控制，并且把電機的實際位置數據反饋給PC機處理。
電控平移臺的機械指標如下：
（1）精密電控旋轉臺：型號RSA200用于x軸。轉動范圍>±40°；傳動比180∶1；小步距0.000 312 5°；臺面直徑Φ200；分辨率0.001 25°；重復定位精度<0.005°；最大速度25/s；中心最大負載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；重復定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步進電機控制器設有手動和聯動方式，手動能設置的操作有：速度設定、歸零操作、方向設定、位移量設定等，聯機方式可以使電機的運動直接受應用軟件控制。由于是進行二次開發，因此應用程序必須嵌入原控制器的控制指令及協議。
該指令系統主要有以下幾條：
聯絡指令指令格式：“？R" & CHR$（13）
該指令發出200 ms以內SC3回送：“OK”& CHR$（10），表示聯絡成功。
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當前速度值。范圍0～255。
坐標查詢指令指令格式：“？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$（10），其他軸類似。其中number為以ASC碼表示的SC3當前坐標值，正負號代表當前位置在開機位置（0位）的正負方向的位置。
速度設置指令指令格式：“V”& number & CHR$（13）
其中number為以ASC碼表示的速度設置值。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：
第一位數值：1表示z軸歸零成功，0表示z軸未歸零。
第二位數值：1表示y軸歸零成功，0表示y軸未歸零。
第三位數值：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
3.1 利用VC++提供的串行通信控件MSComm實現串行通信
首先，在VC++［5］的對話框中創建通信控件，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，你只需要關心控件提供的對Windows通信驅動程序的API函數的接口，即只需要設置和監視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行設置，MSComm控件共有27個屬性，其中主要包括：
Commport：設置并返回通信端口號，缺省為COM1。
Settings：以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。
PortOpen：設置并返回通信端口的狀態，也可以打開和關閉端口。
Input：從接收緩沖區返回和刪除字符。
Output：向發送緩沖區寫入字符串。
InputLen：每次設置Input讀入的字符個數，缺省值為0，表明讀取接收緩沖區中的全部內容。
InBufferCount：返回接收緩沖區中已接收到的字符數，將其置0可以清除接收緩沖區。
InputMode：定義Input屬性獲取數據的方式（為0：文本方式；為1：二進制方式）。
RThreshold和SThreshold屬性，表示在OnComm事件發生之前，接收緩沖區或發送緩沖區中可接收的字符數。
以下是通過設置控件屬性對串口進行初始化的實例：

打開所需串口后，需要考慮串口通信的時機。在接收或發送數據過程中，可能需要監視并響應一些事件和錯誤，所以事件驅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。發生通信事件或錯誤時，將觸發OnComm事件，CommEvent屬性的值將被改變，應用程序檢查CommEvent屬性值并作出相應的反應。在程序中用ClassWizard為CMSComm控件添加OnComm消息處理函數：

3.2 系統初始化
在執行應用程序時首先必須進行初始化，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，視圖執行初始化操作函數OnInitialUpdate（），該函數內要先打開串口1，通過設置對象m_ContrCom各成員函數，設置好各通信參數：

然后經過一個位置選擇對話框，通常選“保持原來的位置”，然后就發出詢問各軸的坐標值的指令。流程如圖2所示。除x軸是直接發送坐標詢問指令獲得坐標數據外，其他2個軸都是通過連續的2個定時器來詢問坐標的，定時器響應后執行圖3的程序。此后就進入待操作畫面。
3.3 運行操作的編程
在電機運動操作區的各文本框內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化為字符型的實際要運行的步數，通過串口送到SC3步進電機控制器，控制對應的軸的電機運行相應的步數。運行結束后，SC3會返回一個“OK”字符至串口，PC機接受到這個字符后，就知道電機運行結束，然后向串口發送坐標詢問指令，SC3會回送有關坐標數據，PC機接到這些數據后進行處理運算并在文本框中顯示出來。這樣就結束了一個完整的運行操作。
所有主要的PC機和SC3控制器的有關數據通信程序都在MSComm控件內。包括所有的接受、識別返回字符，各軸向坐標的運算和顯示。
當步進運動完畢后，返回到PC機的數據為步進電機已經運行的步數，根據這個步數要計算相應的坐標，必須知道各軸的脈沖當量。步進電機每走一步，電移臺的位移等于脈沖當量，即分辨率。
坐標值=初始坐標+運行步數＊脈沖當量
平移臺脈沖當量=絲杠導程mm＊步距角/（360＊細分數）
旋轉臺（x軸）的脈沖當量（度）=步進電機步距角/（傳動比＊細分數）
其中細分數是由控制器后面板撥碼開關設置的。
步進電機的步距角都為1.8°，縱軸的絲杠導程為1 mm，橫軸為4 mm，旋轉軸傳動比為180∶1，細分數為2，則根據以上公式可得出：
縱軸（z）脈沖當量=1/100
橫軸（y）脈沖當量=1/400
旋轉軸（x）脈沖當量=1/200
4、結語
在PC機和單片機之間實現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機對步進電機直接控制的應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還可運用于相應的工業控制場合。

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