基于VC++的步进电机控制系统研究

　　步进电机是一种将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机，但步进电机的控制通常都采用汇编语言或C语言进行软件开发，本文结合SC3步进电机控制器及平移台的控制开发为例，介绍了一种如何在Windows平台下利用Visual C++6.0提供的串行通信控件MSComm来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法，并详细介绍了编写串行通信程序的基本步骤和方法。调试结果表明：设计的控制程序简单、易懂，工作可靠，且具有友好的人机交互界面。
  
     　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电式数模转换器，在控制系统中具有十分广泛的用途，但传统的步进电机的控制通常都采用汇编语言或C语言进行软件开发，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm实现PC机与步进电机控制器之间的串行通信。与 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡应用程序直接控制硬件，而是通过Windows操作系统提供的设备驱动程序来进行数据传送。串行口在Win32中是作为文件来进行处理的，而不是直接对端口进行操作，对于串行通信，Win32提供了相应的文件I/O函数与通信函数，通过了解这些函数的使用，可以编制出符合不同需要的通信程序。
       　实现串行通信一般有3种方法：使用VC++提供的串行通信控件MSComm；在单线程中实现自定义的串口通信类；多线程下实现串行通信。结合实际情况，本系统采用VC++提供的串行通信控件MSComm来进行软件编程，可以很方便地管理与控制计算机串口。
       　 1、系统组成
       　由PC机控制步进电动机的系统如图1所示。
   
   图1 PC机控制步进电机系统框图
       　本系统的电机控制采用通用的RS 232串口的异步通信。由于RS 232早期是为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5～+15 V之间，逻辑1电平规定为-5～-15 V之间，因此，RS 232驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换。
    　   2、控制软硬件的技术参数
      　 本系统采用卓立汉光仪器有限公司生产的SC3步进电机控制器及平移台，实现平移台的三维控制（x，y，z）。利用RS 232串口异步通信完成对步进电机的单步和连续移动控制，并且把电机的实际位置数据反馈给PC机处理。
   　　电控平移台的机械指标如下：
      　 （1） 精密电控旋转台：型号RSA200用于x轴。转动范围>±40°；传动比180∶1；小步距0.000 312 5°；台面直径Φ200；分辨率0.001 25°；重复定位精度<0.005°；最大速度25/s；中心最大负载60 kg。
     　  （2） 重载型电控平移台：型号TSA300B，用于z轴。最小步距0.003 15 mm；重复定位精度<0.005 mm；加固定平移台有效行程为150 mm。
      　 （3） 超薄型电控平移台：型号TSA30C，用于y轴。最小步距为0.002 mm；重复定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步进电机控制器设有手动和联动方式，手动能设置的操作有：速度设定、归零操作、方向设定、位移量设定等，联机方式可以使电机的运动直接受应用软件控制。由于是进行二次开发，因此应用程序必须嵌入原控制器的控制指令及协议。
   　　步进电机是一种将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机，但步进电机的控制通常都采用汇编语言或C语言进行软件开发，本文结合SC3步进电机控制器及平移台的控制开发为例，介绍了一种如何在Windows平台下利用Visual C++6.0提供的串行通信控件MSComm来实现PC机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由PC机直接控制步进电机的方法，并详细介绍了编写串行通信程序的基本步骤和方法。调试结果表明：设计的控制程序简单、易懂，工作可靠，且具有友好的人机交互界面。
  
     　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的机电式数模转换器，在控制系统中具有十分广泛的用途，但传统的步进电机的控制通常都采用汇编语言或C语言进行软件开发，本文利用VC++提供的串行通信控件MSComm实现PC机与步进电机控制器之间的串行通信。与 DOS下串行通信程序不同的是，Windows不提倡应用程序直接控制硬件，而是通过Windows操作系统提供的设备驱动程序来进行数据传送。串行口在Win32中是作为文件来进行处理的，而不是直接对端口进行操作，对于串行通信，Win32提供了相应的文件I/O函数与通信函数，通过了解这些函数的使用，可以编制出符合不同需要的通信程序。
       　实现串行通信一般有3种方法：使用VC++提供的串行通信控件MSComm；在单线程中实现自定义的串口通信类；多线程下实现串行通信。结合实际情况，本系统采用VC++提供的串行通信控件MSComm来进行软件编程，可以很方便地管理与控制计算机串口。
       　 1、系统组成
       　由PC机控制步进电动机的系统如图1所示。
   
   图1 PC机控制步进电机系统框图
       　本系统的电机控制采用通用的RS 232串口的异步通信。由于RS 232早期是为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平对地是对称的，与TTL、MOS逻辑电平完全不同。逻辑0电平规定为+5～+15 V之间，逻辑1电平规定为-5～-15 V之间，因此，RS 232驱动器与TTL电平连接必须经过电平转换。
    　   2、控制软硬件的技术参数
      　 本系统采用卓立汉光仪器有限公司生产的SC3步进电机控制器及平移台，实现平移台的三维控制（x，y，z）。利用RS 232串口异步通信完成对步进电机的单步和连续移动控制，并且把电机的实际位置数据反馈给PC机处理。
   　　电控平移台的机械指标如下：
      　 （1） 精密电控旋转台：型号RSA200用于x轴。转动范围>&plusmn;40&deg;；传动比180∶1；小步距0.000 312 5&deg;；台面直径&Phi;200；分辨率0.001 25&deg;；重复定位精度<0.005&deg;；最大速度25/s；中心最大负载60 kg。
     　  （2） 重载型电控平移台：型号TSA300B，用于z轴。最小步距0.003 15 mm；重复定位精度<0.005 mm；加固定平移台有效行程为150 mm。
      　 （3） 超薄型电控平移台：型号TSA30C，用于y轴。最小步距为0.002 mm；重复定位精度<0.005 mm；有效行程30 mm。SC3步进电机控制器设有手动和联动方式，手动能设置的操作有：速度设定、归零操作、方向设定、位移量设定等，联机方式可以使电机的运动直接受应用软件控制。由于是进行二次开发，因此应用程序必须嵌入原控制器的控制指令及协议。
      　 该指令系统主要有以下几条：
   　　联络指令指令格式：“？R" &amp; CHR$（13）
      　 该指令发出200 ms以内SC3回送：“OK”& CHR$（10），表示联络成功。
   　　查询指令指令格式：“？V”& CHR$（13）
       SC3接到该指令后回送：“V number” & CHR$（10）。其中number为ASC码表示的SC3当前速度值。范围0～255。
   　　坐标查询指令指令格式：“？X”& CHR$（13） 或“？Y”& CHR$（13）或“？Z”& CHR$（13）
       SC3接到该指令后回送：“X+number” & CHR$（10），或“Xnumber” & CHR$（10），其他轴类似。其中number为以ASC码表示的SC3当前坐标值，正负号代表当前位置在开机位置（0位）的正负方向的位置。
   　　速度设置指令指令格式：“V”& number & CHR$（13）
       其中number为以ASC码表示的速度设置值。范围0～255。
   　　归零指令指令格式：“HX”& CHR$（13） 或“HY”& CHR$（13） 或“HZ”& CHR$（13）
       　SC3接到此类指令后进行归零操作。完成归零操作后回送：“OK”& CHR$（10），表示SC3归零完毕。
   　　零状态查询指令指令格式：“？H”& CHR$（13）
     　  SC3接到此类指令后回送：“H000” & CHR$（10）
       　其中000的含义：
    　   第一位数值：1表示z轴归零成功，0表示z轴未归零。
       　第二位数值：1表示y轴归零成功，0表示y轴未归零。
      　 第三位数值：1表示x轴归零成功，0表示x轴未归零。
   　　运行指令指令格式：“Xdirectionnumber”& CHR$（13）或“Y directionnumber”& CHR$（13）或“Z directionnumber”& CHR$（13）
   　　3、软件实现
     　  3.1 利用VC++提供的串行通信控件MSComm实现串行通信
       　首先，在VC++的对话框中创建通信控件，若Control工具栏中缺少该控件，可通过菜单Project→Add to?Project→Components and Control插入即可，再将该控件从工具箱拉到对话框中。此时，你只需要关心控件提供的对Windows通信驱动程序的API函数的接口，即只需要设置和监视MSComm控件的属性和事件。
       　在ClassWizard中为新建的通信控件定义成员对象（CMSComm m_Serial），通过该对象便可以对串口属性进行设置，MSComm控件共有27个属性，其中主要包括：
      　 Commport：设置并返回通信端口号，缺省为COM1。
    　 Settings：以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。
    　 PortOpen：设置并返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口。
    　 Input：从接收缓冲区返回和删除字符。
    　 Output：向发送缓冲区写入字符串。
   　  InputLen：每次设置Input读入的字符个数，缺省值为0，表明读取接收缓冲区中的全部内容。
   　  InBufferCount：返回接收缓冲区中已接收到的字符数，将其置0可以清除接收缓冲区。
     　InputMode：定义Input属性获取数据的方式（为0：文本方式；为1：二进制方式）。
    　 RThreshold和SThreshold属性，表示在OnComm事件发生之前，接收缓冲区或发送缓冲区中可接收的字符数。
       　以下是通过设置控件属性对串口进行初始化的实例：
   
    　 打开所需串口后，需要考虑串口通信的时机。在接收或发送数据过程中，可能需要监视并响应一些事件和错误，所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通信事件和错误的值。发生通信事件或错误时，将触发OnComm事件，CommEvent属性的值将被改变，应用程序检查CommEvent属性值并作出相应的反应。在程序中用ClassWizard为CMSComm控件添加OnComm消息处理函数：
   
   　  3.2 系统初始化
      　 在执行应用程序时首先必须进行初始化，其初始化程序框图如图2所示。
   
   图2 初始化程序框图
      　 运行程序时，视图执行初始化操作函数OnInitialUpdate（），该函数内要先打开串口1，通过设置对象m_ContrCom各成员函数，设置好各通信参数：
   
     　然后经过一个位置选择对话框，通常选“保持原来的位置”，然后就发出询问各轴的坐标值的指令。流程如图2所示。除x轴是直接发送坐标询问指令获得坐标数据外，其他2个轴都是通过连续的2个定时器来询问坐标的，定时器响应后执行图3的程序。此后就进入待操作画面。
       　3.3 运行操作的编程
     　  在电机运动操作区的各文本框内输入某一轴向的位移值、速度值，按下“运行”按钮，则程序会把位移值转化为字符型的实际要运行的步数，通过串口送到SC3步进电机控制器，控制对应的轴的电机运行相应的步数。运行结束后，SC3会返回一个“OK”字符至串口，PC机接受到这个字符后，就知道电机运行结束，然后向串口发送坐标询问指令，SC3会回送有关坐标数据，PC机接到这些数据后进行处理运算并在文本框中显示出来。这样就结束了一个完整的运行操作。
      　 所有主要的PC机和SC3控制器的有关数据通信程序都在MSComm控件内。包括所有的接受、识别返回字符，各轴向坐标的运算和显示。
       　当步进运动完毕后，返回到PC机的数据为步进电机已经运行的步数，根据这个步数要计算相应的坐标，必须知道各轴的脉冲当量。步进电机每走一步，电移台的位移等于脉冲当量，即分辨率。
   　    坐标值=初始坐标+运行步数＊脉冲当量
　    平移台脉冲当量=丝杠导程mm＊步距角/（360＊细分数）
　    旋转台（x轴）的脉冲当量（度）=步进电机步距角/（传动比＊细分数）
    　   其中细分数是由控制器后面板拨码开关设置的。
      　 步进电机的步距角都为1.8&deg;，纵轴的丝杠导程为1 mm，横轴为4 mm，旋转轴传动比为180∶1，细分数为2，则根据以上公式可得出：
       　纵轴（z）脉冲当量=1/100
     　横轴（y）脉冲当量=1/400
    　 旋转轴（x）脉冲当量=1/200
    　   4、结语
      　 在PC机和单片机之间实现串行通信控制是近几年很受欢迎、较为流行的方法。本文介绍的运用MSComm控件来编制的由PC机对步进电机直接控制的应用软件具有友好的人机交互界面，且编程简便、工作可靠，是一种切实有效的方法。同时，这种串行控制方法和技术还可运用于相应的工业控制场合。