基于VC++的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)的控制通常都采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，本文結(jié)合SC3步進(jìn)電機(jī)控制器及平移臺(tái)的控制開(kāi)發(fā)為例，介紹了一種如何在Windows平臺(tái)下利用Visual C++6.0提供的串行通信控件MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法，并詳細(xì)介紹了編寫(xiě)串行通信程序的基本步驟和方法。調(diào)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制程序簡(jiǎn)單、易懂，工作可靠，且具有友好的人機(jī)交互界面。

　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在控制系統(tǒng)中具有十分廣泛的用途，但傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的控制通常都采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的串行通信。與 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡應(yīng)用程序直接控制硬件，而是通過(guò)Windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。串行口在Win32中是作為文件來(lái)進(jìn)行處理的，而不是直接對(duì)端口進(jìn)行操作，對(duì)于串行通信，Win32提供了相應(yīng)的文件I/O函數(shù)與通信函數(shù)，通過(guò)了解這些函數(shù)的使用，可以編制出符合不同需要的通信程序。

　實(shí)現(xiàn)串行通信一般有3種方法：使用VC++提供的串行通信控件MSComm；在單線程中實(shí)現(xiàn)自定義的串口通信類；多線程下實(shí)現(xiàn)串行通信。結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用VC++提供的串行通信控件MSComm來(lái)進(jìn)行軟件編程，可以很方便地管理與控制計(jì)算機(jī)串口。

　 1、系統(tǒng)組成

　由PC機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖

　本系統(tǒng)的電機(jī)控制采用通用的RS 232串口的異步通信。由于RS 232早期是為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5～+15 V之間，邏輯1電平規(guī)定為-5～-15 V之間，因此，RS 232驅(qū)動(dòng)器與TTL電平連接必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。

　 2、控制軟硬件的技術(shù)參數(shù)

　 本系統(tǒng)采用卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC3步進(jìn)電機(jī)控制器及平移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平移臺(tái)的三維控制（x，y，z）。利用RS 232串口異步通信完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單步和連續(xù)移動(dòng)控制，并且把電機(jī)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)反饋給PC機(jī)處理。

　　電控平移臺(tái)的機(jī)械指標(biāo)如下：

　 （1） 精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)：型號(hào)RSA200用于x軸。轉(zhuǎn)動(dòng)范圍>±40°；傳動(dòng)比180∶1；小步距0.000 312 5°；臺(tái)面直徑Φ200；分辨率0.001 25°；重復(fù)定位精度<0.005°；最大速度25/s；中心最大負(fù)載60 kg。

　 （2） 重載型電控平移臺(tái)：型號(hào)TSA300B，用于z軸。最小步距0.003 15 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；加固定平移臺(tái)有效行程為150 mm。

　 （3） 超薄型電控平移臺(tái)：型號(hào)TSA30C，用于y軸。最小步距為0.002 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)有手動(dòng)和聯(lián)動(dòng)方式，手動(dòng)能設(shè)置的操作有：速度設(shè)定、歸零操作、方向設(shè)定、位移量設(shè)定等，聯(lián)機(jī)方式可以使電機(jī)的運(yùn)動(dòng)直接受應(yīng)用軟件控制。由于是進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因此應(yīng)用程序必須嵌入原控制器的控制指令及協(xié)議。

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)的控制通常都采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，本文結(jié)合SC3步進(jìn)電機(jī)控制器及平移臺(tái)的控制開(kāi)發(fā)為例，介紹了一種如何在Windows平臺(tái)下利用Visual C++6.0提供的串行通信控件MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)的方法，并詳細(xì)介紹了編寫(xiě)串行通信程序的基本步驟和方法。調(diào)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制程序簡(jiǎn)單、易懂，工作可靠，且具有友好的人機(jī)交互界面。

　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在控制系統(tǒng)中具有十分廣泛的用途，但傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)的控制通常都采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與步進(jìn)電機(jī)控制器之間的串行通信。與 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡應(yīng)用程序直接控制硬件，而是通過(guò)Windows操作系統(tǒng)提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。串行口在Win32中是作為文件來(lái)進(jìn)行處理的，而不是直接對(duì)端口進(jìn)行操作，對(duì)于串行通信，Win32提供了相應(yīng)的文件I/O函數(shù)與通信函數(shù)，通過(guò)了解這些函數(shù)的使用，可以編制出符合不同需要的通信程序。

　實(shí)現(xiàn)串行通信一般有3種方法：使用VC++提供的串行通信控件MSComm；在單線程中實(shí)現(xiàn)自定義的串口通信類；多線程下實(shí)現(xiàn)串行通信。結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用VC++提供的串行通信控件MSComm來(lái)進(jìn)行軟件編程，可以很方便地管理與控制計(jì)算機(jī)串口。

　 1、系統(tǒng)組成

　由PC機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 PC機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)框圖

　本系統(tǒng)的電機(jī)控制采用通用的RS 232串口的異步通信。由于RS 232早期是為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，與TTL、MOS邏輯電平完全不同。邏輯0電平規(guī)定為+5～+15 V之間，邏輯1電平規(guī)定為-5～-15 V之間，因此，RS 232驅(qū)動(dòng)器與TTL電平連接必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。

　 2、控制軟硬件的技術(shù)參數(shù)

　 本系統(tǒng)采用卓立漢光儀器有限公司生產(chǎn)的SC3步進(jìn)電機(jī)控制器及平移臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平移臺(tái)的三維控制（x，y，z）。利用RS 232串口異步通信完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的單步和連續(xù)移動(dòng)控制，并且把電機(jī)的實(shí)際位置數(shù)據(jù)反饋給PC機(jī)處理。

　　電控平移臺(tái)的機(jī)械指標(biāo)如下：

　 （1） 精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)：型號(hào)RSA200用于x軸。轉(zhuǎn)動(dòng)范圍>±40°；傳動(dòng)比180∶1；小步距0.000 312 5°；臺(tái)面直徑Φ200；分辨率0.001 25°；重復(fù)定位精度<0.005°；最大速度25/s；中心最大負(fù)載60 kg。

　 （2） 重載型電控平移臺(tái)：型號(hào)TSA300B，用于z軸。最小步距0.003 15 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；加固定平移臺(tái)有效行程為150 mm。

　 （3） 超薄型電控平移臺(tái)：型號(hào)TSA30C，用于y軸。最小步距為0.002 mm；重復(fù)定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)有手動(dòng)和聯(lián)動(dòng)方式，手動(dòng)能設(shè)置的操作有：速度設(shè)定、歸零操作、方向設(shè)定、位移量設(shè)定等，聯(lián)機(jī)方式可以使電機(jī)的運(yùn)動(dòng)直接受應(yīng)用軟件控制。由于是進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因此應(yīng)用程序必須嵌入原控制器的控制指令及協(xié)議。

　 該指令系統(tǒng)主要有以下幾條：

　　聯(lián)絡(luò)指令指令格式：“？R" & CHR$（13）

　 該指令發(fā)出200 ms以內(nèi)SC3回送：“OK”& CHR$（10），表示聯(lián)絡(luò)成功。

　　查詢指令指令格式：“？V”& CHR$（13）

SC3接到該指令后回送：“V number” & CHR$（10）。其中number為ASC碼表示的SC3當(dāng)前速度值。范圍0～255。

　　坐標(biāo)查詢指令指令格式：“？X”& CHR$（13） 或“？Y”& CHR$（13）或“？Z”& CHR$（13）

SC3接到該指令后回送：“X+number” & CHR$（10），或“Xnumber” & CHR$（10），其他軸類似。其中number為以ASC碼表示的SC3當(dāng)前坐標(biāo)值，正負(fù)號(hào)代表當(dāng)前位置在開(kāi)機(jī)位置（0位）的正負(fù)方向的位置。

　　速度設(shè)置指令指令格式：“V”& number & CHR$（13）

其中number為以ASC碼表示的速度設(shè)置值。范圍0～255。

　　歸零指令指令格式：“HX”& CHR$（13） 或“HY”& CHR$（13） 或“HZ”& CHR$（13）

　SC3接到此類指令后進(jìn)行歸零操作。完成歸零操作后回送：“OK”& CHR$（10），表示SC3歸零完畢。

　　零狀態(tài)查詢指令指令格式：“？H”& CHR$（13）

　 SC3接到此類指令后回送：“H000” & CHR$（10）

　其中000的含義：

　 第一位數(shù)值：1表示z軸歸零成功，0表示z軸未歸零。

　第二位數(shù)值：1表示y軸歸零成功，0表示y軸未歸零。

　 第三位數(shù)值：1表示x軸歸零成功，0表示x軸未歸零。

　　運(yùn)行指令指令格式：“Xdirectionnumber”& CHR$（13）或“Y directionnumber”& CHR$（13）或“Z directionnumber”& CHR$（13）

　　3、軟件實(shí)現(xiàn)

　 3.1 利用VC++提供的串行通信控件MSComm實(shí)現(xiàn)串行通信

　首先，在VC++的對(duì)話框中創(chuàng)建通信控件，若Control工具欄中缺少該控件，可通過(guò)菜單Project→Add to?Project→Components and Control插入即可，再將該控件從工具箱拉到對(duì)話框中。此時(shí)，你只需要關(guān)心控件提供的對(duì)Windows通信驅(qū)動(dòng)程序的API函數(shù)的接口，即只需要設(shè)置和監(jiān)視MSComm控件的屬性和事件。

　在ClassWizard中為新建的通信控件定義成員對(duì)象（CMSComm m_Serial），通過(guò)該對(duì)象便可以對(duì)串口屬性進(jìn)行設(shè)置，MSComm控件共有27個(gè)屬性，其中主要包括：

　 Commport：設(shè)置并返回通信端口號(hào)，缺省為COM1。
　 Settings：以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位。
　 PortOpen：設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打開(kāi)和關(guān)閉端口。
　 Input：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。
　 Output：向發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)入字符串。
　 InputLen：每次設(shè)置Input讀入的字符個(gè)數(shù)，缺省值為0，表明讀取接收緩沖區(qū)中的全部?jī)?nèi)容。
　 InBufferCount：返回接收緩沖區(qū)中已接收到的字符數(shù)，將其置0可以清除接收緩沖區(qū)。
　InputMode：定義Input屬性獲取數(shù)據(jù)的方式（為0：文本方式；為1：二進(jìn)制方式）。
　 RThreshold和SThreshold屬性，表示在OnComm事件發(fā)生之前，接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)中可接收的字符數(shù)。

　以下是通過(guò)設(shè)置控件屬性對(duì)串口進(jìn)行初始化的實(shí)例：

　 打開(kāi)所需串口后，需要考慮串口通信的時(shí)機(jī)。在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，可能需要監(jiān)視并響應(yīng)一些事件和錯(cuò)誤，所以事件驅(qū)動(dòng)是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通信事件和錯(cuò)誤的值。發(fā)生通信事件或錯(cuò)誤時(shí)，將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值將被改變，應(yīng)用程序檢查CommEvent屬性值并作出相應(yīng)的反應(yīng)。在程序中用ClassWizard為CMSComm控件添加OnComm消息處理函數(shù)：

　 3.2 系統(tǒng)初始化

　 在執(zhí)行應(yīng)用程序時(shí)首先必須進(jìn)行初始化，其初始化程序框圖如圖2所示。

圖2 初始化程序框圖

　 運(yùn)行程序時(shí)，視圖執(zhí)行初始化操作函數(shù)OnInitialUpdate（），該函數(shù)內(nèi)要先打開(kāi)串口1，通過(guò)設(shè)置對(duì)象m_ContrCom各成員函數(shù)，設(shè)置好各通信參數(shù)：

　然后經(jīng)過(guò)一個(gè)位置選擇對(duì)話框，通常選“保持原來(lái)的位置”，然后就發(fā)出詢問(wèn)各軸的坐標(biāo)值的指令。流程如圖2所示。除x軸是直接發(fā)送坐標(biāo)詢問(wèn)指令獲得坐標(biāo)數(shù)據(jù)外，其他2個(gè)軸都是通過(guò)連續(xù)的2個(gè)定時(shí)器來(lái)詢問(wèn)坐標(biāo)的，定時(shí)器響應(yīng)后執(zhí)行圖3的程序。此后就進(jìn)入待操作畫(huà)面。

　3.3 運(yùn)行操作的編程

　 在電機(jī)運(yùn)動(dòng)操作區(qū)的各文本框內(nèi)輸入某一軸向的位移值、速度值，按下“運(yùn)行”按鈕，則程序會(huì)把位移值轉(zhuǎn)化為字符型的實(shí)際要運(yùn)行的步數(shù)，通過(guò)串口送到SC3步進(jìn)電機(jī)控制器，控制對(duì)應(yīng)的軸的電機(jī)運(yùn)行相應(yīng)的步數(shù)。運(yùn)行結(jié)束后，SC3會(huì)返回一個(gè)“OK”字符至串口，PC機(jī)接受到這個(gè)字符后，就知道電機(jī)運(yùn)行結(jié)束，然后向串口發(fā)送坐標(biāo)詢問(wèn)指令，SC3會(huì)回送有關(guān)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，PC機(jī)接到這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理運(yùn)算并在文本框中顯示出來(lái)。這樣就結(jié)束了一個(gè)完整的運(yùn)行操作。

　 所有主要的PC機(jī)和SC3控制器的有關(guān)數(shù)據(jù)通信程序都在MSComm控件內(nèi)。包括所有的接受、識(shí)別返回字符，各軸向坐標(biāo)的運(yùn)算和顯示。

　當(dāng)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)完畢后，返回到PC機(jī)的數(shù)據(jù)為步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)運(yùn)行的步數(shù)，根據(jù)這個(gè)步數(shù)要計(jì)算相應(yīng)的坐標(biāo)，必須知道各軸的脈沖當(dāng)量。步進(jìn)電機(jī)每走一步，電移臺(tái)的位移等于脈沖當(dāng)量，即分辨率。

　 坐標(biāo)值=初始坐標(biāo)+運(yùn)行步數(shù)＊脈沖當(dāng)量
　 平移臺(tái)脈沖當(dāng)量=絲杠導(dǎo)程mm＊步距角/（360＊細(xì)分?jǐn)?shù)）
　 旋轉(zhuǎn)臺(tái)（x軸）的脈沖當(dāng)量（度）=步進(jìn)電機(jī)步距角/（傳動(dòng)比＊細(xì)分?jǐn)?shù)）

　 其中細(xì)分?jǐn)?shù)是由控制器后面板撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的。

　 步進(jìn)電機(jī)的步距角都為1.8°，縱軸的絲杠導(dǎo)程為1 mm，橫軸為4 mm，旋轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)比為180∶1，細(xì)分?jǐn)?shù)為2，則根據(jù)以上公式可得出：

　縱軸（z）脈沖當(dāng)量=1/100
　橫軸（y）脈沖當(dāng)量=1/400
　 旋轉(zhuǎn)軸（x）脈沖當(dāng)量=1/200

　 4、結(jié)語(yǔ)

　 在PC機(jī)和單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串行通信控制是近幾年很受歡迎、較為流行的方法。本文介紹的運(yùn)用MSComm控件來(lái)編制的由PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)直接控制的應(yīng)用軟件具有友好的人機(jī)交互界面，且編程簡(jiǎn)便、工作可靠，是一種切實(shí)有效的方法。同時(shí)，這種串行控制方法和技術(shù)還可運(yùn)用于相應(yīng)的工業(yè)控制場(chǎng)合。