步进电机驱动机械手的控制系统设计

测

控技术

机电工程技术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

116023）

*

（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

。提出一种上位机与单片机之间的通信协议，，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。；可编程计数器文献标识码：A

文章编号：1009－9492(2011)06－0018－03

1引言

机械手是近几十年来出现的一种工业装备，由于其具有高度的灵活性和高效性，在很多领域得到了广泛的应用。目前工业上对于机械手运动的控制方式主要采用

信号发生器的功能，从而可实现多个步进电机的同步控制。

2控制方案

本文为如图1所示的教学用机械手设计控制系统。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动分别由两个步进电机驱动。控制任务是上位机根据预定任务对机械手末端执行器的运动路径进行规划，并将机械

PLC ，如丁筱玲

［1］

等人利用三菱F1/F2系列PLC 控制机

［2］

械手实现左/右、上/下、夹/松等运动；陈光明等人能；张智杰

［3］

采

用PLC 控制伺服电机完成气缸执行器对物体的吸放等功

采用PLC 控制步进电机实现机械手的升

降、前后等运动。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，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步进电机的同步控制问题。提出了一种上位机与单片机之间串口通信方案，根据机械手的运动情况实时修改控制指令，改变机械手的运动路径；利用可编程计数器实现脉冲

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的运动。由于直流电机的控制较简单，本文主要研究两个步进电机的控制问题，总体控制方案如图2所示。首先由上位PC 机向单片机发送控制指令代码，通过单片机对代

图1

机械手实物图

*辽宁省博士启动基金项目（编号：20071066）；辽宁省教育厅基金项目（编号：L2010072）

机电工程技术2011年第40卷第06期

码的分析，还原出对步进电机转动方向、速度、角度等参数的控制要求，然后由单片机向可编程计数器82C53T 发送控制字，以改变82C53T 产生脉冲的启停或频率，从而控制步进电机控制芯片L297产生的步进电机驱动脉冲信号，进而控制电机的启停和速度，或者单片机直接控制

取值范围为1～99，不能为0，其数值越大步进速度越慢，越小越快。

例如，控制指令为：[1**********]，表示该指令用于转速控制，电机顺时针旋转、并处于锁存状态、驱动器脉冲频率400Hz 。而如果控制指令为：[1**********]，则表示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。

L297，以完成电机转向、锁定等任务。

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

图2

系统设计框图

［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刻生成多路脉冲，从而不能同时控制多个步进电机。

为了解决单片机同时控制多个步进电机的问题，本文采用在单片机与驱动芯片之间加载可编程计数器82C53T ，通过该计数器产生可控的多路脉冲，从而实现多个步进电机的同步控制。整个控制电路由1块AT89C51、1块

3上位机与单片机通信的协议

上位机与单片机之间的通讯由控件MSCOMM 实现。该控件经过设置后可以用来发送和接收ASCII 码数据，也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实现对下位机地址与数据的接收和发送，从而达到上位机与下位机进行通信的目的。

由于计算机串口通信速度较慢，如果传输数据较大，可能会引起控制过程滞后等问题，因此需要尽可能减少上位PC 机与单片机之间的通信数据量。本文设计了一种简明的通信协议来实现控制指令的传达，方案如下。

控制指令是由11位ASCII 代码数字组成，每一位都代表不同的控制要求。共有两种控制代码，分别实现转速控制和步进控制，如表1和表2所示。

表1

第1位功能号

第2位方向

第3位自由位

转速控制代码第4位保留位

第5～10位频率值

第11位保留位

82C53T 、2块L297、2块L298N 及相关电路组成，其中可

编程计数器82C53T 工作在工作方式3，通过单片机控制字的写入产生连续的方波脉冲，再由该芯片的两个输出端

OUT1和OUT2分别提供给两组L297的端口。其

中单片机与82C53T 电路连接如图3所示。

表2

第1位功能号

第2位方向

步进控制代码

图3

第3位自由位

第4～9位步进量

第10～11位脉冲周期

脉冲生成电路

通过驱动器L297和L298N 的引入解决了单片机引脚电流不足的问题，其中L297芯片是具有20个引脚的的双列直插式塑胶封装的步进电机控制器，可以产生四相驱动信号，能用半步（八拍）和全步（四拍）等方式驱动单片机控制两相双极或四相单极步进电机。该芯片内部的

在表1转速控制代码和表2步进控制代码中，转速控制功能号定义为“0”，步进控制时功能号定义为“2”；方向位为“0”时代表逆时针旋转，为“1”时代表顺时针旋转；自由位为“0”代表电机处于自由状态，

“1”代表电

机处于锁存状态；表1转速控制代码中的频率值是步进电机的脉冲频率，以实现速度控制；表2中步进量是指步进电机转动的步数；脉冲周期是给出脉冲信号的周期，常数

PWM 斩波器允许在关模式下控制步进电机绕组电流，由

于相序信号也是由内部产生，因此该芯片只需要时钟、方向和模式输入信号便能控制步进电机，可减轻微处理器和程序设计的负担。L297单片步进电动机控制器集成电路的

测控技术

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时，脉冲分配器回到初状态（HOME ）。

5单片机控制程序

单片机通过中断服务程序从上位机接收控制指令，上位机与单片机采用异步通信，通信格式为8个数据位和一个停止位。单片机主程序流程图如图5所示。

图6为中断服务程序流程框图，该程序通过分析ASCII 代码，判断控制指令各个位的工作属性，实现对步进电机转速以及步进量的精确控制，进一步驱动机械手完成指定的规划路径。

图4

步进电机的驱动控制电路

6总结

本文用单片机作为主控制器、可编程计数器82C53T 作为

脉冲信号发生器、步进电机专用芯片L297作为脉冲环形分配器、L298作为驱动器，设计了机械手的控制系统，具有所需元件少、可靠性高、占空间少、成本低等优点，而且利用可编程计数器82C53T ，可使单片机同时控制多个步进电机。另外，本文提出了一种上位机与单片机之间的通

核心是脉冲分配器，设有两个PWM 斩波器来控制线绕组电流，实现恒流斩波控制，从而获得良好的转矩-频率特性；L298N 芯片是一种高压、大电流双H 桥式驱动器。由

L297与L298N 驱动器组成的步进电机控制电路具有以下

优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机（或单片机）硬件费用大大减少。相关驱动电路如图4所示，其中，单片机输出端口P1中的（P1.0～P1.4）以及P2中的（P2.0、P2.1、P2.3、P2.4、

P2.7）分别与两组驱动芯片L297对应端口相连接，实现单

片机对驱动芯片的控制。其中驱动芯片L297相关端口实现的功能为：CW ／控制电机的转向，取1和取0时的转向相反；为步进脉冲信号输入端，在每一个脉冲的下降沿，电机产生一步步进；HALF ／为半步或基

图5单片机主程序流程图

本步距模式设置，为1时是半步模式，为0时是基本步距；CONTROL 斩波控制，当为0时控制INH1和INH2，当为1时控制ABCD ；ENABLE 使能输入，当为0时，

INH1、INH2、A 、B 、C 和D 都为0；输入，当为0

图6中断服务程序流程图

（下转第48页）

制造业信息化

机电工程技术2011年第40卷第06期

度检验标准，千分表读数最大差值应少于0.056mm ，结果符合检验标准（见表1）。

图4调整前行程差曲线

只对b ，e 调节，取10个点用（10）式求解得

△b ＝－0.52，△e =1.09，故要使滑块平衡，则右边连杆伸长0.52mm ，滑块向右移动1.09/2=0.545mm，调整后UG 仿真

的到的△y i 曲线如图5所示。

7结论

本文对影响伺服双点压力机精度的各要素进行分析，建立分析模型，利用SCILAB 强大的运算功能，通过简单的测量来进行精度分析，这样不仅提高了压力机精度调节的可预见性和可操作性，还提高了调试工作的效率与质量，保证良好的静态精度条件。

参考文献：

［1］何德誉．曲柄压力机［M ］．北京：机械工业出版社，1982.

图5调整后行程差曲线

［2］同济大学数学教研室．高等数学［M ］．北京：高等教育出版

社，2004.

［3］黎俊斌，苏天骄．如何保证JH25系列压力机的滑块运动精度

［J ］．锻压装备与制造技术，2004（01）：24－26．

［4］Stephen L ，Jean C ，Ramine N 著，秦世引，张永飞，宗令

蓓，等译．Scilab/Scicos在建模与仿真中的应用［M ］．北京：北京邮电大学出版社，2007.

［5］冯敬之．机械制造工程原理［M ］．北京：清华大学出版社，

由于国内暂无双点伺服机械压力机的检验标准，根据文献［6］日本机械压力机精度测试标准1级精度检验标准折算，滑块两球头结点最大行程差应小于0.26mm ，由图

5可见，经优化调整后两球头结点最大行程差完全符合检

验要求，同时验证了全微分近似式（4）满足求解精度要求。

6现场调试

进行现场调试时，记下千分表读数及驱动滑块行程，计算时，要将千分表读数转换成左右球头行程差进行计算。下面分别对我司装配好的两台机器进行了现场调试工作，根据文献［6］日本机械压力机精度测试标准1级精

2006.

［6］JIS B6402（1997）．机械压力机精度测试［S ］．

第一作者简介：林伟庆，男，1983年生，广东高要人，大学本

科，助理工程师。研究领域：锻压设备的设计及研发。

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第20页）

信协议，可以由上位机在线实时控制机械手的运动。该控制方案简单可靠，既降低了控制成本，又保证了控制系统的实时性，有一定的应用价值。

参考文献：

［1］丁筱玲，赵立新. PLC 在机械手控制系统上的应用［J ］. 山东

农业大学学报（自然科学版），2006，37（1）：105-108. ［2］陈光明，赵连玉. 可编程控制器在机械手控制中的应用［J ］.

天津理工大学学报，2005，21（6）：17-19.

［3］张智杰. S7-200在机械手控制的应用［J ］. 自动化与仪表，

第一作者简介：郭常有，男，1984年生，河北邯郸人，硕士研究生。研究领域：机械化生产与过程控制。已发表论文2篇。［4］耶晓东. 基于单片机的简易机械手的设计［J ］. 微计算机信息

（嵌入式与SOC ），2009，25（5-2）：230-231.

(编辑：吴智恒)

［5］黄海松. 基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究［J ］.

机电工程技术，2007，36（11）：21-23.

［6］蚩小霞，赵龙庆，徐国栋. 一种基于单片机的步进电机控制

驱动器［J ］. 西南林学院学报，2005，25（2）：68-69.

2003（3）：44-45.

(编辑：吴智恒)

Abstracts

11-06-13 Technology Development of Lead-Free Reflow Oven

CHEN Zhong, ZHANG Xian-min (School of Mechanical &

Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou510640, China)

Abstract: As electric products develop towards smaller and lead-free, SMT soldering technology is developing. This paper formulates the history and directions of reflow soldering technology, analyzes technique requirements of lead-free reflow soldering, and presents the key techniques of lead-free soldering oven.Key words: lead-free soldering; reflow oven; SMT

Lab. The CC-Link bus and FX2n PLC were used for net of Design of Port of Distribution and Intelligent Supply System for Lab, and it is realized to multi point control in Lab. For power, air conditioning, water supply and drainage and other those are 11 item etc. the safe, energy-saving and high efficient purposes are achieved.Key words: Lab.; port of distribution; brainpower; control

11-06-26 A Design of PLC Based Flushing Control System in Integral Toilet

OUYANG Guo-qiang, YANG De-liang (Xiangtan V ocational &

Technical College, Xiangtan411102, China)

11-06-15 Review of Elevator Grounding Protection

ZHANG Wei (Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection &

Testing, Guangzhou510000, China)

Abstract: This article introduces elevator grounding protection which is one of the most important safety technology. Combining with the National Standard ‘Grounding for AC electrical installations’(DL/T621-1997),it reviews on different ways, from definition, classification and function to methods of inspection, and analyzes the reasons according to the common problems in safety inspection.

Key words: grounding protection; power-supply system; safety inspection

Abstract: This paper introduced a design and implement of PLC based flushing control system, which was used in integral toilet on electronic locomotive. This design achieved technical requirements such as low cost, environmental protection, water conservation, freezing prevention, reliability service, and improved auto-control operation effectively. This paper brought out the basic components of the control system, the basic workflow of software, hardware design and system. This system met the requirement of design and simplified operation of ergonomics, and was safe and reliable, which was proved out by lots of application.

Key words: integral toilet; PLC (Programmable Logic Controller); flushing control

11-06-18 Design of Robot Control System Driven by Stepper Motors

GUO Chang-you, WEI Hong-lei, CHEN Hao (Dalian Ocean

University, Liaoning Province Fishery Equipment and Engineering Technology Center, Dalian116023, China)

11-06-28 Design and Application of Boiler Monitoring System in Production Station Basing on the Kingview

ZHANG Ran 1, YANG Zhi-li 2(1. Tang Shan Polytechnic College,

Tangshan063020, China;2.Xingda Sanyou Tangshan Chemical Fiber Company Limited, Tangshan063305, China)

Abstract: The control system for manipulators driven by stepper motors is designed in this paper. A communication protocol between PC and the microcontroller, which can ensure the flexible control of robot motion, was proposed. Moreover, the system could control multiple stepper motors synchronously by using programmable counter to generate control pulse automatically. The control system is simple and reliable.

Key words: microcontroller; stepper motors; programmable counter

11-06-21 Development of Automatic Recording System for Synthetic 3D-Sensorimotor Holograms

HUANG Ze-wen, DU Jun-bin, HUANG Yun, LI Yao-tang, ZHANG Shi-chao, FAN Shao-wu (Guangzhou Electronic Technology

Co., Ltd, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou510070, China)

Abstract: In the system Kingview is used as a PC man-machine interface, the next-bit machine is using the S7 Siemens -200 series programming software for programming, production stations to achieve the real-time monitoring of the boiler. At the same time in the boiler room through the installation of cameras in operation of boiler equipment, remote monitoring and control. With mode selection, failure alarm, dynamic animations and so on. After the practical application of the industrial scene, the system is simple and convenient operating system, control functions of a stable and reliable, run well.

Key words:Kingview;Siemens S7-200;monitoring system;boiler

11-06-31 Flexible Production Line Teaching System Based on CC-Link and Gateway Module

HUANG Cheng (Guangdong Technical College of Water Resources and

Electric Engineering, Guangzhou510635, China)

Abstract: A making system of the synthetic 3D-sensorimotor hologram is designed by computer control. The making process is completely auto-controlled by single chip microcomputer. It resolves the problems with hand operation to make Synthetic 3D-sensorimotor hologram. We successes to make the synthetic 3D-sensorimotor hologram using this system. It’s significant to merchandise the synthetic 3D-sensorimotor hologram.

Key words: synthetic hologram; automatic control; single chip microcomputer

Abstract: Flexible production line teaching system based on PLC and gateway module CC - Link fieldbus technology, expounds the system function, the hardware connection and the characteristics of CC-Link and gateway module EX510 - GM, details on data transfer between the stations of FPL teaching system.

Key words: CC-Link; gateway module; PLC; Flexible production line

11-06-24 Design of Port of Distribution and Intelligent Supply System for Lab

ZHONG Geng-jin (Guangdong Communication Polytechnic,

Guangzhou510800, China)

11-06-34 Software Design of Elevator Controller detection system

HE Yong-sheng 1, LUO Zhi-qun 1, DAI Qing-you 1, DAI Jun-xiong 2, YU Ju-ying 2(1.Guangdong Special Type Equipment Detecting

Institute, Guangzhou510010, China; 2. Reliance Digital Technology

(Guangzhou) Co., Ltd, Guangzhou510080, China)

Abstract: in order to increase the horizontal of Supply System for