步進電動機控制系統(tǒng)上位機程序設計

1、步進電動機控制系統(tǒng)上位機程序設計 摘要：從整體上簡要介紹了步進電動機控制系統(tǒng)的結構及功能特點；詳細介紹了上位機軟的功能及實現(xiàn)方法。所設計的控制程序具有友好的人機交互特性，可設定多種運行模式，可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，且可應用于需要復雜控制算法及控制功能的使用場合。關鍵詞：混合式步進電動機；微型計算機；MCS一51單片機；Visual Basic；MSComm控件Abstract：The structure and functional characteristics of the stepper control system were introduced integrally，and the

2、functions and implementation methods of the microcomputer programme were also introducedThis method had a friendly user interfaceThe several operation modes were set，the operation states of the system were displayed in real timeKey words：hybrid stepper motor；microcomputer；MCS一5 1 single chip；Visual

3、Basic；MSComm widget0前言 隨著工業(yè)生產(chǎn)和計算機技術的日新月異，微型計算機在工業(yè)控制領域的應用越來越廣泛。利用微型計算機可以存儲更多的數(shù)據(jù)，進行復雜的運算，還可以通過多種形式對信息進行顯示。另外，還可以設計高效、友好的用戶界面，對系統(tǒng)進行控制。本系統(tǒng)以單片機作為下位機而微機作為上位機，兩者通過RS一232串行接口進行通信。上位機設計了友好的用戶界面，以便對系統(tǒng)進行控制，下位機在得到控制命令之后，具體實施控制，并將系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息傳給上位機進行顯示處單片機采用8051，而上位機是在Windows XP操作系統(tǒng)下，用Visual Basic 60開發(fā)的監(jiān)控軟件。在Windows

4、監(jiān)控軟件開發(fā)中，如何實現(xiàn)微機與單片機之間的串行通信是一個較大的障礙，而且是設計的關鍵之一。系統(tǒng)利用了VB提供的特別便于串行口操作的電話機控件-MSComm，通過編寫較簡單的程序，完成了微機與單片機之間的串行通信。本文主要介紹了該系統(tǒng)上微位及軟件的實現(xiàn)過程。1系統(tǒng)特點簡述系統(tǒng)的控制對象是混合式步進電動機，通過上位機軟件和下位機軟硬件的良好配合，系統(tǒng)具有以下特點(1) 可以通過上位機控制界面進行控制，操作直觀、方便；(2) 可以驅動包括兩相、三相和五相混合式步進電動機在內的多種步進電動機，增強了系統(tǒng)的適用性；(3) 具有包括細分、升降頻、正反轉、預置頻率以及預置步等多種控制功能，拓寬了被控步進電動

5、機的適用場合。使用者可以通過上位機控制界面實時地觀測運行中的驅動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時還可以通過上機控制界面對系統(tǒng)進行控制，為了實現(xiàn)微機和單片機之間的數(shù)據(jù)交換，該系統(tǒng)使用了串行通訊方式。整個步進電動機控制系統(tǒng)如圖1所示。2上位機程序總體流程在上位機軟件編程語言的選擇上，著重考慮的是便于界面的編寫及可進行方便的串行通訊。為此，系統(tǒng)上位機使用了Visual Basic高級語言編程環(huán)境，這種語言特別便于界面編寫，更重要的是，它具有一個特別方便的通信控件MSComm。MSComm控件的目的是為了讓用戶設計一個系統(tǒng)可以和串行端口進行溝通及傳送數(shù)據(jù)。如上所述，上位機主要完成用戶的交互控制以及電機運行狀態(tài)的實

6、時顯示，所以，上位機軟件首先要能夠根據(jù)用戶輸入的運行模式設定相應的變量及標志量；其次，還需要將下位機反饋的實時運行狀態(tài)以圖形化的方式顯示出來。圖2為其程序總體框架。下面，將以窗口的設計為順序對上位機軟件的總體流程進行較詳細的闡述：用戶設定輸入窗口同時也是主界面窗口，其窗口設置如圖3所示。它包括了程序運行的所有控制功能，具體表現(xiàn)為：(1)在電機運行方式設定區(qū)，用戶可以通過選擇各個列表框中列出的選項設定被控電機的運行方式。其中，電機類型選擇包括：兩相、三相及五相混合式步進電動機；細分模式選擇包括：整步、二細分及四細分；正反轉選擇包括：正轉及反轉；預置模式選擇包括：預置頻率及預置步。(2)在電機預置

7、參數(shù)設定區(qū)，如果選擇的是預置頻率運行方式，用戶便可以在第一個文本框中輸入電機的運行頻率，這樣在啟動運行時，系統(tǒng)便會控制電機從突跳頻率逐漸加速到運行頻率。在停止運行時，系統(tǒng)會控制電機逐漸減速直到停機為止；如果選擇的是預置步運行方式，用戶便可以在第二個文本框中輸入電機運行的總步數(shù)，這樣在啟動運行后，每走一步系統(tǒng)便會在總步數(shù)上減去一步，直到減為零時停機。在該上位機軟件中，為了便于用戶及時了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，電機的剩余步數(shù)以及實時運行頻率均有圖形化的顯示，這些將在介紹相關窗口時一并介紹。(3)為能對程序隨時發(fā)出各種命令，從而實現(xiàn)對電動機的實時控制，在操作區(qū)設置了包括啟動運行、暫停運行等六個按鈕，這六個

8、按鈕基本上能夠滿足對程序流程的控制，從而達到對電動機的控制操作。為了能夠保證下位機得到正確的運行參數(shù)，下位機需要進行必要的檢測，如果接收錯誤，下位機會通知上位機重新發(fā)送數(shù)據(jù)，相應的，上位機也會用對話框的形式通知用戶重新發(fā)送數(shù)據(jù)，出錯對話框如圖4a所示。反之，如果接收正確，下位機便會通知上位機可以開始運行了，相應的，上位機也會用對話框的形式通知用戶可以開始啟動運行了，接收正常對話框如圖4b所示。當用戶啟動運行之后，便進入了OnComm子程序，此子程序的功能是得到電機的運行狀態(tài)，并對其進行實時顯示。據(jù)此，程序還包含了兩個用于實時顯示的窗口：剩余步數(shù)顯示窗口，如圖5所示；以及頻率實時顯示窗口如圖6所

9、示。其中，頻率實時顯示窗口可以顯示電機的升降頻過程。3上位機各子程序功能實現(xiàn)過程在介紹各子程序實現(xiàn)方法之前，這里先要介紹一下對MSComm控件屬性的初始化過程：(1)端口初始化。將端口初始化為COMI，即MsCommlCommPort=1 o(2)串行口參數(shù)初始化。設置初始化參數(shù)Settings的格式為“BBBB，P，D，S”，為了與下位機進行匹配，程序中初始化Settings=“9 600，N，8，1”，其意為“所使用的通訊端口是以每秒9 600 bit的速度作傳輸，不作字符校驗，每幀數(shù)據(jù)為8 bit，而停止位為1 bit”。 (3)事件響應方式選擇。MSComm提供了兩種處理通信問題的方法

10、，一是事件驅動方法，一是查詢法，本程序采用了事件驅動法來響應串行口事件。(4)設置引發(fā)接收事件的字節(jié)數(shù)。本程序初始化其值為1，即一旦寄存器中有數(shù)據(jù)則立刻引發(fā)OnComm中的接收事件。(5)串行通訊格式選擇。進行串行通信時有兩種傳輸方式：字符形式和二進制形式本程序采用了二進制方式，即MsCommlIputMode=1。最后，在初始化好上述各項屬性之后，我們需要將串口打開，即MSCommlPortOpen=True。31界面初始化子程序在本子程序的主要工作包括以下幾部分： (1)對電機運行方式及預置參數(shù)設定窗口中的各控件進行初始化。初始化運行方式設定區(qū)的四個列表框，主要是利用方法Addltem為各

11、列表框添加內容，另外，還要將預置參數(shù)設定區(qū)的兩個文本框的內容清空。(2)初始化程序中用到的變量或標志量比如，初始化畫頻率曲線時要用到的x軸起始點X為0等。(3)最后，要將串口打開，即MSCommlPortOpen=True。32運行模式初始化子程序本子程序主要是根據(jù)用戶對運行方式的選擇對數(shù)組State的相關位進行初始化，由于列表框中的每一個成員都唯一對應著一個數(shù)字，比如：圖3列表框中，成員“兩相混合式步進電動機”對應0，成員“三相混合式步進電動機”對應1，以此類推，所以我們根據(jù)各列表框反饋的數(shù)字便可以知道用戶的選擇，知道了用戶的選擇，接下來便是初始化State數(shù)組的對應位，比如，State(1

12、)的值代表著用戶所選的電機類型，如果用戶選擇兩相混合式步進電動機，則將該位置為0。這樣，下位機在得到數(shù)組State后便可以通過元素State(1)來得到電機類型信息，從而進行更進一步的處理。33預置處理子程序本子程序主要是在用戶確定預置輸入之后，根據(jù)預置參數(shù)設定區(qū)中兩個文本框的內容得到用戶的預置。并將其個位、十位及百位分別存入State(7)、State(6)及State(5)中，這樣，下位機在得到State數(shù)組后對其上述三位進行簡單的處理便可以得到用戶通過上位機輸入的預置數(shù)。34 MSCommlOnComm子程序當寄存器中有數(shù)據(jù)的時候便會進入此子程序，所以，此子程序的功能便是接收下位機通過串

13、口傳上來的數(shù)據(jù)，對其進行簡單的處理后根據(jù)預置模式對其進行實時顯示，預置步模式時便顯示剩余步數(shù)；預置頻率模式時便在初始化圖形化顯示界面的基礎之上顯示實時運行頻率。其流程圖如圖7所示。圖7 MSCommlOnComm子程序流程圖對該子程序需要解釋以下幾個處理過程的具體含義：接收數(shù)據(jù)并進行處理：主要是得到下位機傳上來的數(shù)據(jù)并進行相應的處理，實現(xiàn)語句如下：Receive=MSCommlInput Y= 2(Receive(3)100+Receive(2)10+Receive(1)即Receive(1)一Receive(3)各代表實時數(shù)據(jù)的個位、十位和百位，經(jīng)以上處理，y便是要顯示的實時數(shù)據(jù)。實時顯示剩

14、余步數(shù)：這一部分的程序較簡單，只有一句：Form3TextlText=“當前剩余步數(shù)為：”+Str(Y)。其中，F(xiàn)orm3指的便是圖5所示的剩余步數(shù)顯示窗口。初始化圖形化顯示界面：這一部分主要包括以下內容：(1)坐標軸的生成；(2)網(wǎng)格的生成。這一部分的程序在有關使用VB畫圖的文獻中有詳細介紹，這里不作詳細的介紹。實時顯示運行頻率：這一部分主要是在初始化好的圖形化顯示界面上以曲線的形式實時顯示運行頻率，如圖6所示。這一部分的編程思想是：如果畫的是第一個頻率點則用命令PSet只畫一個點；如果畫的不是第一個頻率點，則從上一個頻率點，畫線到現(xiàn)在這個頻率點。這樣便可以畫出完整的頻率曲線。該部分的語句如下：If X=0 ThenForm2PSet(X，y)ElseForm2Line一(X，y)End Tf4結語本文所提出的程序設計方法具有較大的通用性，且用戶界面友好。經(jīng)過測試，所設計的上位機監(jiān)控軟件與下位機軟硬件相配合，不但實現(xiàn)了文中提出的所有功能，滿足了控制要求，而且使得控制操作簡單易行。以本文提出的程序設計方法為基礎，再結合步進電動機的具體應用環(huán)境，嵌入合適的控制算法，可完成各種需要復雜運動的步進電動機控制系統(tǒng)設計。3總結與展望將dSPACE實時仿真系統(tǒng)應用于運動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)當中，充分利用該系統(tǒng)提供的強大的數(shù)據(jù)運算能力