8253在步进电动机运动控制系统中的应用

作者：李永义 窦满锋 刘卫国 马瑞卿

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 摘　要：介绍了通用定时／计数器8253在步进电机运动控制系统中的一种应用策略。针对步进电机的控制方案，简介了Intel8253的基本特性，并结合工程实际，提出了一种将Intel8253应用于步进电机伺服系统的控制技术，具体论述了如何对Intel8253进行编程，控制步进电机按控制规律运行。 关键词：步进电机；位置伺服系统；高精度 1　电机控制方案 　　步进电动机是数字控制系统中的执行电动机，步进电动机由专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电脉冲的驱动器驱动。 　　改变加在驱动器上的数字脉冲信号的频率，可以改变驱动器产生的时序脉冲的频率，从而调节电机的转速［1］。步进电机的转速n正比于脉冲信号的频率f、比例系数k与驱动器参数，与步进电机的相数及通电方式有关。 　　在工程开发过程中，当步进电机驱动器设计完成后，系统开环控制部分可采用图1所示方案。 　　驱动器工作状态与步进电机转子旋转方向由单片机、数字信号处理器［2］或微型计算机［3］（或其外围设备）的数字输出（D0）端直接控制，可以将方向控制U／D和使能控制EA定义为单片机或微型计算机的数字输出（D0）通道。 　　系统中Intel8253作为单片机或微机系统的外设，对555电路产生的数字脉冲信号f0进行分频，可以提供频率大范围可调的数字脉冲信号，实现步进电机宽广范围的速度调节。 整个开环控制系统电路简洁明了；由于Intel8253作为单片机或微机系统的外设，可编程性强，可以通过软件编程实现步进电机的动态、实时调速，适用于不同的应用环境。 2　Intel8253在步进电机运动控制系统中的应用 2．1　Intel 8253芯片特点 　　Intel 8253是可编程定时／计数量，片内包含3个独立通道，每个通道均为16位计数器，计数速率可达2．6MHz。 　　Intel8253具有3个功能相同的16位递减计数器，每个计数器的工作方式和计数长度分别由软件片机连接。 　　Intel8253的定时／计数器有6种工作方式：（1）计数结束中断方式。（2）可编程单稳态。（3）频率发生器。（4）方波频率发生器。（5）软件触发方式。（6）硬件触发方式。 　　其中方式（4）为方波频率发生器方式，是我们对步进电机驱动、调速所采用的方式。工作方式（4）对输入方波频率f0进行N分频，输出频率为f的方波数字脉冲信号。 　　f＝f0／N 式中，N为写入计数器的计数值，当N的范围为2～65535，其输出变化范围达f0／65535～f0／2，尤其适用对步进电机中、低速运行时的速度调节。 2．2　一种基于步进电机的新型运动控制系统 　　航天“星星指向跟踪控制系统”中的运动控制部分，为基于稀土永磁步进电机的双自由度（俯仰、方位）位置伺服系统。系统总体设计思想使用计算机控制2台步进电机，每台步进电机代表天线运动的一个自由度，使天线指向任意给定位置，指向位置由旋转变压器测量。 　　系统控制原理图［4］如图2所示。 系统单个自由度由2路模拟电压给定目标位置，经微型计算机采样、A／D转换，再按一定控制规律控制稀土永磁步进电机，实现高精度的位置伺服精度。 　　系统硬件组成（单个自由度）如图3所示。 控制软件用VD＋＋6．0编写，通过软件操作，改变Intel 8253计数器工作状态，实现步进电机调速及位置伺服控制，具体实现方法： （1）步进电机起动 　　步进电机驱动器使能端加载合适的控制信号后，起动步进电机只需对Intel8253所选用的计数器写入方式3控制字，然后写入所需计数值。计数器便会连续输出频率f＝f0／N的脉冲信号，驱动器就能驱动步进电机按一定转速运行。 　　设nBase为Intel8253基址，LSB和MSB分别为要写入的计数值的低8位和高8位数据，C＋＋操作程序如下： 　　outp（nBase＋3，0x36）；／／0＃计数器工作于方式3 　　outp（nBase，LSB）；／／0＃计数器写入计数值低8位 　　outp（nBase，MSB）；／／0＃计数器写入计数值高8位 （2）步进电机转速调节 　　只需对8253的计数器写入新的计数值，计数器输出频率就会发生相应变化，进而改变驱动器产生的时序脉冲的频率，实现了步进电机转速的调节。 由前面算式可以知道，电机转速为： 　　n＝kf＝kf0／N 　　注意在步进电机运行过程中要始终保持8253计数器门控端GATE为高电平。C＋＋操作程序为： 　　outp（nBase，newLSB）；／／0＃计数器写入新计数值低8位 　　outp（nBase，newMSB）；／／0＃计数器写入新计数值高8位 （3）步进电机转动停止 　　以步进电机为执行机构的位置伺服系统，当执行机构运行到目标位置后，步进电机需停止转动并保持在该位置，这时切断提供给步进电机驱动器的脉冲信号f0，步进电机停止转动，同时仍有一定保持转矩。有两种方法： 　　一是将8253计数器的门控端GATE置为低电平，这时GATE端需定义为计算机系统的一个数字输出（DO）通道；二是将8253计数器工作方式改变为其他方式，而不写入新的计数值，这时8253计数器因等待新计数值的写入而停止工作，这种情况下，GATE门控端只需接高电平。 　　图3所示运动控制系统中，采用了第二种方法，通过改变计数器工作方式使Intel 8253停止输出数字脉冲信号。程序为： 　　outp（nBase＋3，0x36）；／／0＃计数器设为方式0，等待写入计数值，停止输出。 3　结　论 　　所述控制方法在“星星指向跟踪控制系统”中得到了成功应用。该系统采用步进电机直接驱动方案，跟踪速度达到0—4°／s，位置伺服误差不大于0．06°（双自由度），是一个低速、高精度的伺服跟踪系统。 　　实验结果证明，Intel 8253应用于步进电机运动控制系统，系统软件编程简单易行，对稀土永磁步进电机进行起动、停止和调速控制，步进电机运行良好，调速平稳。系统采用了高精度旋转变压器、高分辨率RDC转换器作为反馈通道，配合以指数控制规律，满足了超低速、高精度的位置伺服控制指标要求。 参考文献： ［1］　李丰华，弓丹志．微型计算机接口技术在步进电机控制中的应用［J］．软件世界，2001（1）． ［2］　李　竣，李学全，胡德金．基于数字信号处理器的步进电机运动控制［J］．微电机，1999（5）． ［3］　Ian Harries．Stepper Motor Autonomous Control Kit，Ian Harries Student Project Proposals［EB／OL］http：／／www．doc．ic．ac．uk／～ih／teaching／projprop．html，2001－05．20． ［4］　李为民，邢晓正，胡红专，等．基于DSP的步进电机控制系统设计［J］．微特电机，2001（3）．(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/25/2005)