二维运动平台的控制系统

程筱军，陈加怀，何 侠

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

运动控制起源于早期的伺服系统。国外运动控制器已经可以提供许多先进的控制算法，如伺服调节、PVT算法、样条插补、反向运动学算法、龙门双驱动算法、空间圆弧插补、速度前瞻和轨迹拟合，以及电子齿轮、电子凸轮、虚拟轴、高速位置锁存、位置比较输出等［1］。在这些方面国内的研究就有了较大的差距。国内运动控制的研究主要集中在硬件方面，相对于国外，国内运动控制所采用的硬件平台和国外产品相比没有太大的差距，有的甚至更加先进。本系统通过采用单片机的软件和硬件结合的方式，实现了良好的人机交互，达到了实时按键控制，实现电机正反转、预置步数、变速等功能，实现了物体从当前坐标移动至目标坐标的精确控制。充分的利用单片机的内部资源以及外围电路。且一旦设计要求有所变化，只需针对不同要求进行相应软件部分的修改即可，系统可操作性强，灵活度高。

1 系统硬件设计思路及特点

本系统由MCU模块、LCD显示模块、按键控制模块、系统供电模块以及步进电机驱动电路模块组成。基于ATMEGA16L单片机作为步进电机控制器的核心运算器件。利用单片机强大的运算能力和可编程的特点，实现较为复杂的步进电机控制功能［2］。该单片机适应能力强，支持程序的在线仿真和实时下载，软件程序易于修改，系统控制灵活简便。而且其外围电路简单、灵活，可以简便得做到人机交换，使控制更加的直观和方便，使操作者随时都能对电机的运行状况进行方便的了解。物体运动控制系统硬件框图如图1所示。

1.1 系统控制核心

本系统采用的ATMEGA16L单片机包含晶振电路、复位电路以及系统的电源和地的基本接法。其中晶振电路使用8M晶振作为系统时钟源，复位电路可通过按键S1为系统提供强制复位电平，使系统在任意运行情况下可以进行强制复位［3］。

图1 二维运动控制硬件系统框图

1.2 按键控制

本设计系统采用4×4矩阵键盘作为系统的输入模块，以实现系统的参数设定、界面切换和实时键控。通过按键的输入实现对电路坐标设定、运动方式、数值显示等参数的设定。

1.3 LCD显示模块

LCD会显示坐标的设定值和当前值、运动时间等功能。本设计的显示部分采用液晶显示器LCD1602作为系统的显示部分核心器件。LCD1602液晶模块的线路接法分为并行模式和串行模式。基于串行模式采用串行数据传输方式，占用口线数少，节约单片机I/O口线资源。故而采用串行模式电路接法实现液晶1602的显示功能。LCD1602液晶模块的电路原理如图2所示。

1.4 GTAG 接口电路

基于ATMEGA16L内含JTAG接口，支持扩展的片内在线调试功能。通过JTAG口对片内FLASH、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实现下载编程。故而，为方便系统的程序编写和在线仿真，系统设计添加了JTAG接口电路作为系统的在线编程、下载和仿真口线。JTAG接口电路如图3所示。

图2 LCD1602电路原理图

图3 JTAG接口电路

1.5 系统供电电路

78xx系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器。为了方便系统供电，本系统采用该系列集成稳压器中的直流稳压芯片L7805及其外围电路作为系统的供电电源。7805直流稳压芯片的供电电路如图4所示。

1.6 步进电机驱动电路

单4拍和双4拍方式的步距角相等，但单4拍的转动力矩小［4］。8拍工作方式其步距角为4拍方式的一半，且其同时转动力矩较大。故而8拍方式即可保证较大的转动力矩又可提高控制精度。综合对比以上特点，本设计步进电机控制方式采用8拍方式进行。

由于本系统选用的四相反应式步进电机所需的驱动电流较大，不能由单片机I/O口线直接驱动，故而需为步进电机设计相应驱动电路方能实现单片机对步进电机的有效控制。

ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。ULN2003D的每一对达林顿都串接一个2.7k的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行［5］。

基于ULN2003的上述优势，系统采用大电流达林顿芯片ULN2003作为步进电机的驱动电路模块核心器件。ULN2003的管脚图如图5所示。

图4 系统供电电路

图5 ULN2003管脚图

图5中1B－7B为控制信号输入口，1C－7C为控制信号输出口，8脚接地，9脚接VCC。ULN2003具有反相器功能，高电平入，低电平出。

2 软件设计

本系统采用C语言作为编程语言。选用Code Vision AVR作为系统的软件编译环境。系统软件流程图如图6所示。

本系统的软件设计主要分为系统初始化、按键、显示处理及控制脉冲输出几部分，事实上每一部分都是紧密相关的，每个功能模块对于整体设计都是非常重要，单片机ATMEGA16L通过软件编程才能使系统真正的运行起来，软件设计的好坏也直接决定了系统的运行质量。

本程序主要由初始化、键盘程序、显示器程序、步进电机驱动程序3部份组成，主程序首先初始化各变量，包括系统上电默认运行参数设定(正向、4相8拍工作方 式、运行模式等)、系统各指针复位、中断设定、定时器设定、变量初始值载入等等［6］。将显示器、指示灯消隐，步进电机驱动的各引脚均输出高电平，便进入待机状态，等待键入相应操作。然后调用键盘程序，并作判断，如N果有键按下，则调用键盘处理程序，继而调用显示器程序、步进电机驱动程序，以达到键盘输入所需要的结果。其中，液晶显示器包括清零、定位显示、单字符显示、Y字符串显示等;步进电机控制程序通过设定数组的方式实现步进电机的正反转、调速、预制步数转动、连续转动等功能［7］。

图6 系统软件流程图

3 结束语

本设计采用原理简单的步进电机及单片机等硬件组成，使用结构化的软件设计。使得本设计实用、简单、可靠和低成本，且具有易维护性，根据用户新的要求，只要对软件系统进行少量的修改，即可使系统功能得到一定程度的提高。即可用于精度要求不是很高，但控制需完备的生产场合，又可很有效的用于实践教学中的步进电机控制系统。

［1］ 吴宏，蒋仕龙.运动控制器的现状和发展、制造技术与机床［J］.太原:太原理工大学学报，2009，15(2):78－82.

［2］ 王爱玲，张吉堂，吴雁.现代数控原理及控制系统(第二版)［M］.北京:国防工业出版社，2007:152－153.

［3］ 高惠芳.单片机原理与应用技术［M］.北京:科学出版社，2010:1－324.

［4］ 冯勇，霍勇进.计现代计算机数控系统［M］.北京:机械工业出版社，1996:52－97.

［5］ 丁淑敏，刘武发.GAL器件在步进电机控制中的应用［J］.郑州:郑州纺织工学院学报，2005，32(6):41－42.

［6］ 富大伟，刘瑞素.数控系统［M］.北京:化学工业出版社，2009:210－214.

［7］ 于涛，范云霄.数字控制技术与数控机床［M］.北京:中国计量出版社，2007:25－27.