基于PTR2000的步進(jìn)電機(jī)無線控制系統(tǒng)

李立明 ，柴曉冬 ，方 宇

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海201620)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移或直線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于如機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)等各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備中。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程無線控制受到廣泛關(guān)注。本文介紹了一種基于PTR2000的步進(jìn)電機(jī)無線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電路板級(jí)通信，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的無線控制，系統(tǒng)采用模型車輛作為步進(jìn)電機(jī)的載體。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由上位PC機(jī)、AT89C51單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路模塊、PTR2000無線通信模塊和步進(jìn)電機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，上位機(jī)是PC機(jī)，采用C++實(shí)現(xiàn)用戶界面，并利用串口通過PTR2000實(shí)現(xiàn)用戶與步進(jìn)電機(jī)控制模塊的指令傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程無接觸控制。

PTR2000[1-2]工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)據(jù)傳輸頻率段433 MHz，采用抗干擾能力較強(qiáng)的頻移鍵控（FSK）調(diào)制/解調(diào)方式，擴(kuò)展能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；使用DDS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；低工作電壓2.7 V，功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8 μA，具有兩個(gè)頻道，特別適合需要多信道工作的特殊場(chǎng)合；工作速率最高可達(dá)到20 kb/s(也可在如4 800 b/s、9 600 b/s低速率下工作)；可直接連接 CPU串口，也可以接計(jì)算機(jī)PS232接口，軟件編程方便；由于采用低發(fā)射功率(+10 dBm)，高接收靈敏度（-105 dBm）的設(shè)計(jì)，無需申請(qǐng)使用許可證；標(biāo)準(zhǔn)DIP引腳間距，更適合嵌入式設(shè)備。在空曠地帶有效范圍可達(dá)300 m。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

PC機(jī)與PTR2000之間連接，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，將TTL電平利用MAX232轉(zhuǎn)換成RS-232C電平。PTR2000與PC機(jī)串口連接電路如圖2所示。

PTR2000直接與單片機(jī)的串口TxD、RxD相連接。PTR2000無線Modem的DI接單片機(jī)的串口發(fā)送，PTR2000無線Modem的DO接單片機(jī)串口的接收。

步進(jìn)電機(jī)的控制電路硬件框圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制框圖

采用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器8253實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的通電換向即脈沖分配，由于單片機(jī)的本身驅(qū)動(dòng)能力有限，系統(tǒng)采用L297[3]與UM2003組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。L297為步進(jìn)電機(jī)控制集成芯片適用與雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或單極性四相步進(jìn)電機(jī)的控制。ULN2003為高電壓大電流的達(dá)林頓管。

2.2 軟件部分

通過PTR2000建立PC機(jī)與單片機(jī)之間無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的異步通信。PC機(jī)與單片機(jī)采用查詢方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)制定了PC機(jī)與單片機(jī)的通信協(xié)議。制定無線通信協(xié)議的第一任務(wù)是要能識(shí)別數(shù)據(jù)傳送過程中的干擾噪聲和有效數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，通信協(xié)議如下：

(1)PC機(jī)與AT89C51單片機(jī)都可以發(fā)送和接收；

(2)PC機(jī)與AT89C51單片機(jī)的通信波特率為9 600 b/s。其中單片機(jī)采用的晶振為11.059 2 MHz，采用串口方式1，設(shè)定單片機(jī)工作模式為：TMOD=0X20，TH1=0XFD，TL1=0XFD，SCON=0X50；

(3)握手信號(hào)：長(zhǎng)度為3個(gè)字節(jié)，格式為：0XFF+0X00+0XFF。其中的第2個(gè)字節(jié)“0X00”代表步進(jìn)電機(jī)的序號(hào)，實(shí)際工作中用 01、02、03和 04代表本系統(tǒng)中的 4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，確保每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)接收指令的準(zhǔn)確性；

(4)PC機(jī)的指令為：握手信號(hào)+指令+奇偶效驗(yàn)位；

(5)AT89C51單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)格式為：握手信號(hào)+車號(hào)+數(shù)據(jù)+奇偶校驗(yàn)位。其中數(shù)據(jù)為3個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，在系統(tǒng)中代表地址碼。

圖4中顯示的上位機(jī)接收到下位機(jī)發(fā)送的信號(hào)，在上位機(jī)監(jiān)控界面中只顯示車號(hào)和地址數(shù)據(jù)碼。如第一行數(shù)據(jù)中的“02 00 00 00”表示 2號(hào)步進(jìn)電機(jī)剛接到啟動(dòng)指令開始運(yùn)動(dòng)；在工作過程中，下位機(jī)實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳輸步進(jìn)電機(jī)的地址碼，從而上位機(jī)地址碼可以判斷出車輛的實(shí)時(shí)位置；當(dāng)下位機(jī)收到停止指令后，步進(jìn)電機(jī)停止工作。圖4中當(dāng)下位機(jī)收到停止指令后，步進(jìn)電機(jī)停止工作，發(fā)送數(shù)據(jù)保持不變，代表車輛停在某一位置。如圖4中的02 15 56 AE。

3 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

步進(jìn)電機(jī)[4]的加減速有嚴(yán)格的控制要求，就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度和最短的時(shí)間移動(dòng)到指定位置。步進(jìn)電機(jī)控制算法有按斜率線控制、指數(shù)曲線控制、拋物線控制[5-6]等。

本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)的指數(shù)曲線控制方式。指數(shù)線控制是指在加速或減速時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的速度呈指數(shù)線變化。給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。設(shè)輸入的脈沖數(shù)為N，輸出轉(zhuǎn)角為θ，則θ=θSN(θS為步距角)。 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力方程為：

式中，T為電機(jī)輸出力矩或產(chǎn)生力矩，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為摩擦系數(shù)，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，θ為轉(zhuǎn)子位置。設(shè)ω為電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度，令，驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率用f表示，則 ω=θSf，而式(1)又可表示為：

如果要求電機(jī)盡可能快地加速，則在所有頻率下都必須產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，則式(2)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)一定滿足如式(3)所示條件：

式中，TM為步進(jìn)電機(jī)輸出力矩，通過電機(jī)的矩頻特性曲線，假設(shè)該曲線是線性下降的，電機(jī)的輸出力矩可表示為：

式中，TMA為最大轉(zhuǎn)矩，k為假定輸出轉(zhuǎn)矩按直線變化時(shí)的斜率。 聯(lián)立式(3)、式(4)，得式(5)為：

在 t=0，f=0時(shí)解得：

將升速過程均勻離散為 n段，整個(gè)上升時(shí)間為t，則相鄰的時(shí)間間隔為：

式中，n為階梯升速的分檔數(shù)，則每一檔頻率為：

通過每檔頻率可以計(jì)算出上升各檔持續(xù)的脈沖數(shù)N(t)和上升檔定時(shí)器初值T(k)。降速可看作升速的逆過程。

系統(tǒng)采用硬件定時(shí)，使用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0或T1。首先根據(jù)定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短設(shè)置定時(shí)器的工作模式，然后輸入定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)，則定時(shí)器就會(huì)定時(shí)溢出，單片機(jī)就會(huì)每溢出一次就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。硬件定時(shí)的方法既需要硬件（定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0或T1），又需要軟件來產(chǎn)生所需頻率的脈沖信號(hào)，是一種軟硬結(jié)合的方法。雖然占用了一個(gè)定時(shí)器，但是提高了CPU的利用率，CPU在定時(shí)器沒產(chǎn)生溢出時(shí)運(yùn)行其他程序。圖5中顯示了4臺(tái)步進(jìn)電機(jī)按上位機(jī)指令分別在不同位置啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的實(shí)時(shí)速度曲線，電機(jī)加減速按指數(shù)曲線控制。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用無線通信方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程無線的控制，在實(shí)際操作環(huán)境中步進(jìn)電機(jī)的加減速并為嚴(yán)格按照指數(shù)曲線控制。另外當(dāng)受到實(shí)際環(huán)境空間電磁波的干擾時(shí)，PTR2000的通信距離達(dá)不到300 m，因而系統(tǒng)抗干擾能力還有待提高。該系統(tǒng)為進(jìn)一步可靠應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)提供了一種參考。

[1]郝小江，張小平.基于PTR2000的單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(6)：83-86.

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