步进电机的并口控制研究

核心提示：　　步进电机广泛应用于数控机床、医疗器械、仪器仪表等各类控制设备中，它的旋转是以固定的角度一步步运行的，其主要特点是没有积累误差，可以做到100%精确控制，所以在各种开环控制系统有着广泛的应用。步进电

　　步进电机广泛应用于数控机床、医疗器械、仪器仪表等各类控制设备中，它的旋转是以固定的角度一步步运行的，其主要特点是没有积累误差，可以做到100%精确控制，所以在各种开环控制系统有着广泛的应用。步进电机的控制方法有许多种，有集成一体化的独立控制器形式，也有依附于计算机扩展槽的各种控制卡形式，但对于以微型计算机为核心的小型系统而言，可直接采用微机已有的端口资源，特别是并行端口，实现步进电机的运行控制。这种控制方法，一则无需另增硬件设备，节省设备成本；二是不占用ISA或PCI扩展槽，节省计算机资源；三是控制灵活，编程方便，不失为一个理想的选择。

　　1步进电机的基本控制原理步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，每输入一个脉冲信号，电机就转过一定的角度（有的步进电动机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。由于反应式步进电机有较高的性能价格比，应用也非常广泛，因此，本文主要介绍反应式步进电机的控制原理和并口控制方法。

　　以单三拍工作方式为例，步进电机的结构原理图如所步进电机的基本转动原理是：给处于错齿处状态的相通电，转子会在电磁力的作用下，向磁导率最大（或磁阻最小）的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。设A相首先通电（B、C两相不通电），产生A-A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻是小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置（a）；接着B相通电（A、C两相不通电），转子顺时针方向转过30；然后C相通电（A、两相不通电），它的齿和C、C'极对齐（c）。

　　如果按A*…的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。

　　步进电动机的转动，即其A相、B相、C相控制绕组按照特定的顺序通电，需要一个与之相匹配的驱动电路（如所示），该电路又要受输入的电脉冲控制，这种电脉冲可以是开关量，也可以是数字量，在我们研制的小型计算机控制系统中，这一数字量由计算机并口给出。由并口输出一个控制电脉冲，步进电机就走过一步，即转过一个/步距角“，直至按控制要求转到相应的设计角度。因此，步进电动机及其驱动电路是一个互相联系的整体，步进电动机的运行性能是电动机和驱动电路两者配合所形成的综合效果，其转过的角度受外部输入的电脉冲数的控制，这就是步进电机的基本控制原理。

　　2并口的端口定义与设置并行端口是一般微机的标准接口，共有25芯，能同时通过8条数据线传输信息，一次传输一个字节，通常用于需八位数据传输的打印机、绘图仪等多种外设。通过并口可以进行数据输出，也可以进行数据输入，非常适合于一般的数字I/O.由于步进电机有极高的转行精度，多工作在开环控制状态，因此，可以利用并口的数据输出功能，取代传统的步进电机控制电路中的脉冲信号发生器，由程序控制并口产生一个数字脉冲序列，送于步进电机的驱动电路，作为电脉冲信号，控制步进电机转动。

　　位（B1/B3/B5）用于电机的转向控制，赋0值电机顺时针转动，赋1值时逆时针转动；低位（B0/B2/B4）用于为电机提供步进驱动脉冲，该数据位以一定的延时间隔，产生一个连续的1、交替交换的数字序列。因此，控制3台步进电机同时顺时针转动的控制字为：0X15（1）/0X00（0）；3台电机同时逆时针转动的控制字为：0X3F（1）/0X2A（原理框图如所示：计算机并口控制系统的脉冲方向电机脉冲方向电机并口的端口设置是由计算机系统设置程序自动配置的，初始化过程把并行端口配置成LPT1（对配有一个并口的通用型微机而言），分配了相应的中断资源和不同的数据地址，状态地址和控制地址：IRQ7、数据地址0378H、状态地址0379H、控制地址037AH，并口的管脚分配如表1所示。

　　表1并口的管脚分配管脚标识数据位端口管脚标识数据位端口管脚标识数据位3步进电机的并口控制方法3.1控制系统原理图本文所探讨的步进电机控制系统，是笔者设计的某工业控制工程的子系统，该子系统的设计要求是：以微型计算机并行端口，控制3台步进电机，同时完成-45+45、-90\+9（1角度转动。设计采用了并口的数据端口，即以0378H为入口地址，给3台步进电机分配了3对数据位用于电机控制，它们分别是：电机A分配B1/B0，电机B分配3.2控制程序设计方法及流程根据步进电机的特点，在采用并口对电机进行控制时，主要需要解决好以下几个问题：步进驱动脉冲要有一定的宽度。在工程中使用的是美国SHAPHON公司的微型步进电机，该电机采用负脉冲工作方式，对驱动脉冲的均匀度有一定程度的要求，同时要求脉冲宽度不小于5LS，为此在程序设计时，运用了延时的方法，使BO/B2/B4输出的负脉冲宽度和均匀度，达到电机要求。

　　电机的方向控制脉冲有特殊的要求，即电机换向时，一定要在电机降速停止后再进行。为此，在程序设计时，使每一次换向的方向控制信号都先于步进驱动信号，从而可以保证换向信号在前一个方向的最后一个脉冲结束后，下一个方向的第一个脉冲到来前发出。

　　步进电机控制升降速曲线的设计。由于时间常数的存在和惯性作用的原因，步进电机从起动到停止，必须要有一个升速、降速过程，升降速的设计非常重要，如果设计不当，会引起步进电机的堵转、失步、升降速过程慢等问题。

　　升速过程由突跳频率加升速曲线组成，降速的过程与之相反，理想的升降速曲线应为指数曲线，但根据电机特性及工程实际测试，本系统采用了分段直线逼近的方式，并在电机升到最高频率时，设计一个保持高速运转的恒速段，以提高电机动行速度。加、减速控制曲线如所示，Fq为起动频率。

　　加、减速控制曲线（4）程序执行流程。控制程序米用了LabWAindows/CVI语言，有简单方便的程序界面。-45\+ 45\-90\+90）角度控制，分别对应于四个按钮控件，并设有界面退出按钮，只需点按相关按钮即可完成全部操作，使步进电机的控制明快、直观。各转动角的程序设计完全通用，主要流程包括：开启操作界面判断本按钮是否被选中若选中则读入端口地址赋予起始突跳频率上升段加速控制中段恒速保持下降段减速控制停止后端口清零返回操作界面。整个控制程序经过了工程测试和实际应用，运转效果良好。相信本文对计算机并行口资源的二次开发应用，可以起到了一定的借鉴作用。