步进电机驱动机械手的控制系统设计

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1、测控技术机机电工程技术电工程技术2011年第40卷第06期步进电机驱动机械手的控制系统设计*郭常有，魏鸿磊，陈浩（大连海洋大学辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁大连116023）摘要：设计了由步进电机驱动机械手的控制系统。提出一种上位机与单片机之间的通信协议，可灵活方便地对机械手进行实时控制；利用可编程计数器自动生成脉冲，实现了多个步进电机的同步控制。整个控制系统结构简单、可靠。关键词：单片机；步进电机；可编程计数器中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009－9492(2011)06－0018－031引言信号发生器的功能，从而可实现多个步进电机的同步控机

2、械手是近几十年来出现的一种工业装备，由于其具制。有高度的灵活性和高效性，在很多领域得到了广泛的应2控制方案用。目前工业上对于机械手运动的控制方式主要采用本文为如图1所示的教学用机械手设计控制系统。机PLC，如丁筱玲［1］等人利用三菱F1/F2系列PLC控制机械臂的旋转运动由直流电机驱动，水平方向和垂直方向运械手实现左/右、上/下、夹/松等运动；陈光明等人［2］采动分别由两个步进电机驱动。控制任务是上位机根据预定用PLC控制伺服电机完成气缸执行器对物体的吸放等功任务对机械手末端执行器的运动路径进行规划，并将机械能；张智杰［3］采用PLC控制步进电机实现机械手的升降、前后

3、等运动。采用PLC控制虽然简单方便，但存在成本高，灵活性差的缺点，因此利用更廉价的单片机组成机械手控制系统的方案得到了广泛关注。例如，耶晓东［4］通过单片机控制舵机，实现机械臂运动以及手指的张合。由于在一些简单的机械手应用或教育机械手设备中，经常采用步进电机进行开环控制，以降低控制难度，节约成本，因此通过单片机控制步进电机驱动机械手的研究也较多，例如，黄海松［5］通过单片机控制步进电机实现机械手上下升降、左右90°旋转、前后伸缩、夹紧松开等功能。虽然由单片机控制步进电机的方案较多，但大都存在两个问题：第一，步进电机控制的灵活性较差，只能根据单片机中的程序沿预设路径运动

4、，不能由上位机在线实时进行控制；第二，由单片机担任脉冲发生器的任务，造成单片图1机械手实物图机无法实现对多个步进电机的同步控制，在同一时刻只能控制一台步进电机。本文主要研究了机械手的实时在线控制问题以及多个手末端执行器的运动分解成一个直流电机和两个步进电机步进电机的同步控制问题。提出了一种上位机与单片机之的运动。由于直流电机的控制较简单，本文主要研究两个间串口通信方案，根据机械手的运动情况实时修改控制指步进电机的控制问题，总体控制方案如图2所示。首先由令，改变机械手的运动路径；利用可编程计数器实现脉冲上位PC机向单片机发送控制指令代码，通过单片机对代*辽宁省博士启动基

5、金项目（编号：20071066）；辽宁省教育厅基金项目（编号：L2010072）收稿日期：2010－12－2518机机电工程技术电工程技术2011年第40卷第06期测控技术码的分析，还原出对步进电机转动方向、速度、角度等参取值范围为1～99，不能为0，其数值越大步进速度越慢，数的控制要求，然后由单片机向可编程计数器82C53T发越小越快。送控制字，以改变82C53T产生脉冲的启停或频率，从而例如，控制指令为：01100004009，表示该指令用于控制步进电机控制芯片L297产生的步进电机驱动脉冲信转速控制，电机顺时针旋转、并处于锁存状态、驱动器脉号，进而控制电机的启停

6、和速度，或者单片机直接控制冲频率400Hz。而如果控制指令为：21100400999，则表示L297，以完成电机转向、锁定等任务。该指令用于步进控制，控制电机顺时针步进4009步，步进完成后电机轴处于锁定状态，脉冲周期为99。通过输入指令的改变可以很好地实现上位机与单片机之间的实时通信，进而成功实现单片机对步进电机的驱动控制。4单片机控制过程的实现目前关于单片机控制步进电机的研究大部分都是直接用单片机与驱动电路相连接，如蚩小霞［6］等人的基于单片机的步进电机控制驱动器，这种方法是由单片机通过编图2系统设计框图程生成脉冲，实现单片机对步进电机的控制，但缺点是无法在同一时

7、刻生成多路脉冲，从而不能同时控制多个步进3上位机与单片机通信的协议电机。上位机与单片机之间的通讯由控件MSCOMM实现。为了解决单片机同时控制多个步进电机的问题，本文该控件经过设置后可以用来发送和接收ASCII码数据，也采用在单片机与驱动芯片之间加载可编程计数器82C53T，可以对串行通信口状态及串行通信的信息格式进行设置以通过该计数器产生可控的多路脉冲，从而实现多个步进电实现对下位机地址与数据的接收和发送，从而达到上位机机的同步控制。整个控制电路由1块AT89C51、1块与下位机进行通信的目的。82C53T、2块L297、2块L298N及相关电路组