线和AVR单片机的步进电机控制模块设计.pdf
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1、基于C A N 总线和A V R 单片机的步进电机控制模块设计7 l 基于C A N 总线和A V R 单片机的步进电机控制模块设计周朵,何木根,杨福兴(北京邮电大学自动化学院,北京1 0 0 8 7 6)摘要:提出了一种以C A N 总线和A V R 单片机为基础的步进电机控制模块的设计方案,介绍了该模块的功能、硬件及软件设计方法。实验证明该模块具有结构简单、使用方便、精确度高、性价比高等特点。此模块可适用于任何需要步进电机运动控制的C A N 总线现场。关键词:C A N 总线;A V R 单片机;步进电机中图分类号:T P 3 9 3 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 0 8 8 2
2、 9(2 0 0 9)0 2-0 0 7 1 一0 4D e s i g no fS t e p p e rM o t o r-C o n t r o l l e rM o d u l eB a s e do nC A Na n dA V RZ H O UD u o,H EM u-g e n,Y A N GF u-x i n g(S c h o o lo fA u t o m a t i o n,8 e i j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t&T e l e c o m m u n i c a t i o n,B e i j i n g1 0 0 8 7
3、6,C h i n a)A b s t r a c t:Ad e s i g no ft h es t e p p e rm o t o r c o n t r o l l e rm o d u l eb a s e do nC A Ni sp u tf o r w a r d,a n dt h er e a l i z a t i o nf r o mf u n c t i o n,h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei si n t r o d u c e d T h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt
4、 h a tt h em o d u l ei ss i m p l ea n da d v a n c e dp e r f o r m a n c ep r i c er a t i o T h em o d u l es h o u l db eu s e di na n yc a s ew h i c hi so nC A Na n dr e q u i r e df o rt h es t e p p e rm o t o r K e yw o r d s:C A N;A V Rm i c r o c o n t r o l l e r;s t e p p e rm o t o r
5、c o n t r o l l e rC A N 总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络,具有实时性强、传输距离远、抗干扰能力强、成本低的特点,在各个领域中都有着广泛的应用。在一些要求精确控制运动量的场合中,往往需要配有步进电机。以往步进电机控制经常采用成品化的控制器和驱动器,价格昂贵,且缺乏灵活性,尤其是在需要对多个步进电机进行控制时尤其不便。笔者介绍了一种网络化的高精度的步进电机控制方案。该方案基于C A N 控制模块+M C U(A V R 单片机)+步进电机控制芯片(1 2 9 7)+步进电机驱动芯片(1 2 9 8)结构。该方案实际使用时步进电机运行稳定,具有良好的升降速曲线,且
6、具有步距角小、转矩恒定、功耗低、性价比高等优点。并且通过C A N 控制模块,可以构成对多个步进电机进行精确控制的控制网络。1C A N 网络结构及通信协议在C A N 网络中,主控制器通过C A N 总线与各个收稿日期:2 0 0 8 0 9 2 3作者简介:周朵(1 9 8 3 一),男,硕士研究生,主要研究方向为机电一体化;何木根,男,工程师;杨福兴,男,博士生导师,主要研究方向为机电一体化。智能节点通信,读取各个节点的状态信息并向各节点发送控制信息。图1 为一个需步进电机控制的C A N网络结构,主控C P U 通过C A N 网络监控各节点的状态,根据一定的参数标准接收各个节点返回的
7、信号并且向各个节点发送控制信号。M C u 单剃1 M C U 单元Il 粼簇爨ll 主控单片机C A N 总线l Ic A N 总线lc A N 总线Ic A N 总线传输模块II 传输模块ll 传输模块1l 传输模块C A N 总线图1 应用该模块的C A N 网络结构在C A N 网络中数据以报文为单位进行传输,节点对总线的访问采用为仲裁方式。报文起始部分为标识符,在C A N 2 0 B 中标识符采用2 9 位格式。步进电机控制模块与整个系统C A N 网络连接,可接收总线上发出的全部数据帧。一个C A N 数据帧包括标识符和8B 数据。根据标识符可判断出该数据帧是哪个部分发送的,再根
8、据系统的通信协议对帧信息进行解析。以步进电机控制模块在全自动生化仪中的万方数据7 2 测控技术)2 0 0 9 年第2 8 卷第2 期应用为例说明数据帧的格式:帧信息+I D 信息+数据。帧信息包括帧类型和数据长度;I D 信息共2 9 位,其中I D 4 0 是接收者地址,I D l l 5 是帧计数,I D l 2是结束标志(1 为结束,0 为不结束),I D 2 0 1 3 为命令号,I D 2 8 2 1 为发送者地址;数据最多8B,全部是参数。2 硬件设计模块硬件结构如图2 所示。主控C P U(A V R 单片机)C A N 总线传输模块S J A l 0 0 0 TI(=)IP
9、C A 8 2 C 2 5 0 T步进电机控制驱动模块面 盯五厮C图2 硬件结构图微处理器采用A t m e l 公司生产的A T m e g a l 2 8,它是增强型内置F l a s h 程序存储器的精简指令集结构的低功耗8 位C M O S 单片机,他废除了机器周期,与5 1单片机相比,A V R 单片机具有很高的执行速度和非常丰富的片内资源。以A T m e g a l 2 8 为例:有1 2 8K B 的系统内可编程F l a s h,擦写寿命:达1 00 0 0 次,可以满足开发人员多次调试、修改程序的需要;4K B 的E 2 P R O M,可长期保存关键数据,避免断电丢失,擦
10、写寿命达1 0 00 0 0 次;4K B 片内S R A M;6 4K B 可选外部存储空间;I O 端口线具有全部带有可设置的上拉电阻,可单独设定I O、可设定(初始)高阻输入、驱动能力强;片内集成8 路1 0 位A D C,能够满足大部分系统的精度和分辨率的要求;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器,正确设置后,可以有效地保护程序的正常运行;可以通过S P I 接口进行系统内编程,省去开发者购买专业仿真编译器的成本;具有多种省电休眠模式,且可宽电压运行:2 75 5V,抗干扰能力强。A V R 单片机博采众长,是8 位机中的佼佼者。因此A V R 单片机是微处理器的理想选择。此模块可利
11、用A V R 单片机自带的E 2 P R O M 作为数据存储部分,可以满足小数据量的存储。2 1C A N 总线传输部分硬件电路设计C A N 总线传输部分硬件电路原理图如图3 所示,C A N 控制器采用P h i l i p s 半导体公司生产的S J A l 0 0 0 T,除了支持B a s i c C A N 模式,而且增加了P e l i C A N 模式,支持C A N 2 0 B 协议。S J A l 0 0 0 T 提供的微处理器接口方式为典型I N T E L 或M o t o r o l a 地址数据多路复用总线模式,主要信号有地址数据信号A D 7 一A D O、地址
12、锁存信号A L E、片选信号C S、读信号R D、写信号W R、模式选择信号M O D E。当M O D E=1 时,为I N T E L 模式;当M O D E=0 时,为M o t o r o l a 模式。图3C A N 总线传输部分电路原理图C A N 总线收发器采用P C A 8 2 C 2 5 0 T,它是C A N 协2 2 步进电机控制基本原理和硬件设计议控制器和物理总线的接口。此器件对总线提供差动步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机发送能力,对C A N 控制器提供差动接收能力。构,即当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步万方数据基于C A N 总线和A V R 单
13、片机的步进电机控制模块设计7 3 进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。步进电机通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。CO 1,I H+5VC 1 9+5VR 2 86 2 k Q如图4 所示,控制芯片1 2 9 7 主要用来接收C P U发出的信号脉冲,驱动芯片1 2 9 8 为双H 桥驱动器,可用来驱动电压为4 6V、每相电流为2 5A 以下的步进电机。R E S E L 一C O N T R O LH 2V r 时堕黾岔磊里圣著-蓦蚕。汤r历罚l OU 1 0I N P U T I 鎏筝I
14、 N P U T 2n q P U T 3O U T P U T lI N P U T 4o U T P U T 2E N A B I EAE N A B L E B o U T P U T 3B 5 为O U T P U T 40 5 D 2 WIR 3 00 5 f H 2 W图4 步进电机控制和驱动电路原理图1 2 9 7 的主要功能是译码器,它能产生各种所需的相序,由两种输入模式控制,方向控制(C W C C W)和半步全步模式(H A L F F U L L)以及步进式时钟(C L O C K)。L 2 9 7 另一个重要功能是由两个P W M 斩波器来控制相绕组电流,实现恒流斩波控
15、制以获得良好的矩频特性。L 2 9 8 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器,其设计是为接收标准1 T r L 逻辑电平信号和驱动电感负载,例如步进电动机。它具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三极管的射极是连接在一起的,相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源,使逻辑能在低电压下工作。从图中还可以看到,步进电机每相线圈两端反向接入一个二极管,其作用是对电机线圈产生的感应电动势起到泄放的作用,避免电机过热,保护电机。3软件设计对于C A N 信息帧的处理,可以根据通信协议在A V R 单片机中开辟一个缓存区,用来存放分离出的一帧信息。一般缓存区有一定的长度,当收到的帧信
16、息数大于所设置的最大接收帧信息数时,即从缓存区的开头重新存储。此外,在C A N 总线系统中一般为了测试各个节点的状态,主控制器经常会发送一些广播信息或握手命令。而对于这些情况,可以在C A N 协议解析中直接应答而不将此帧信息存人缓存区,以免浪费缓存空间、影响执行速度。t R L-r N Vc 2 2话一I)6 C K 8 4 DD 7 C K 8 4 DD 8 一C K 8 4 DD 9C K 8 4 DM llM 12i 而M l4一D 1 0。C K 8 4 D-D 1 1。C K 8 4 DI D l 2 C K 8 4 DI D l 3C K 8 4 D软件流程如图5 所示。首先进
17、行硬件初始化,其次复位软件C A N 总线控制器S J A l 0 0 0 并初始化该芯片。接收C A N 信息帧后按照协议进行解析,从数据帧取出发送者地址、命令及所带各个参数等;若收到的信息是电机转动命令号如电机掉电、电机上电、正转、反转等命令以及转动步数等参数,则将分离后的信息存储到缓存区中,然后程序到缓存区中读相应的帧信息,根据命令号执行相应的子程序。当子程序执行完毕后,程序将继续等待其他C A N 信息帧。图5 程序流程阜哪叭卅V豢商M vE 一5舶诬S 既R万方数据7 4 测控技术)2 0 0 9 年第2 8 卷第2 期4 应用实例该步进电机控制模块已经成功应用于全自动生化分析仪中。
18、生化分析仪是临床检验中经常使用的重要分析仪器之一,它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标,如转氨酶、血红蛋白、白蛋白、总蛋白、胆固醇、肌肝、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙等,结合其他临床资料,进行综合分析,可以帮助诊断疾病,对器官功能做出评价,鉴别并发因子,以及决定今后治疗的基准等。所谓全自动生化分析仪,就是把分析过程中的取样、加试剂、混匀、保温反应、检测、结果计算和显示,以及清洗等步骤自动地进行的仪器,它可完全模仿并代替手工操作。全自动生化分析仪不仅提高了工作效率,而且减少了主观误差,提高了检验质量。全自动生化分析仪运动控制系统包括一块主控板和反应盘子系统、样品盘子系统、清洗搅拌子系统
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- AVR 单片机 步进 电机 控制 模块 设计
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