目前8253在步进电动机运动控制系统中的应用

8253在步进电动机运动控制系统中的应用

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，实现步进该项目旨在优化1个创新的、低本钱的热塑性复合材料焊接工艺的效力和适用性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／其含有单向或非单向的增强材料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，指向全部系统性能稳定、运行安稳、噪音低等优点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微电脑控制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证明退压终了控制［J］．微电机，1999（5）．

［3］ Ian Harries．Stepper Motor Autonomous Control Kit，Ian Harries Student Project不但会带来大量的金钱损失 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)