基于单片机与TA8435h的步进电机控制系统

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【摘 要】介绍了一种云台控制装置,阐明了驱动芯片TA8435h细分控制的原理,描述了系统硬件构成,并给出了电路原理图;着重介绍了利用单片机控制驱动芯片工作的硬件设计方法以及硬件的设计过程,给出了驱动程序的设计过程,对Peclo协议做了详细的阐述,包括peclo协议的格式和编译流程。该设计有效地应用在负载转动装置系统中。

【关键词】单片机,细分控制,步进电机, TA8435h, Pelco协议中图分类号: TP23文献标识码: AABSTRACT A PTZ controlling devices is introduced, TA8435h’s breakdown of control theory is detailed explained, the systemhardwares are described,and the circuit schematic diagram is also offered.Focuses on the use of MCU to control the work methodsof hardware design and hardware design process, gives the design process of the driver procedures.Peclo protocol on a detailedexposition,including the format and peclo protocol conpile process.The design effectively applied in the load totation device system.

KEYWORDS micro-controller unit (MCU), subdivision control, stepper-motor, TA8435h, Pecol protocol 随着社会的不断发展,科技的不断进步,人们的安全防范意识也在日益增强,不仅包括人身安全,还包括对财产家居环境的安全都将有新的要求,因此安防产品越来越受到人们的关注,其应用前景也越来越广泛。

而在安防产品中,云台的控制是非常重要的组成部分。

云台主要带动监控设施的转动,云台控制设计的好坏直接涉及到整个工程的成败。

由于现有的云台多是由直流电机控制,但是在直流电机控制过程中大多存在着诸如噪声大、失步、系统不稳定等众多缺陷。而步进电机是纯粹的数字控制电动机,即步进电机是由脉冲信号来控制其转动的,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步进角)。并且可以通过控制步进电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的,步进电机的这些特点非常适合单片机控制[1]。在云台控制系统中,使用东芝公司生产的TA8435h作为步进电机的驱动芯片,而单片机是整个系统的主控芯片。目前该系统正处于试验阶段。

1 系统的整体描述

云台控制系统的终端负载是红外摄像机或者是云台摄像机,或者是根据二者的结合来对所在的目标区域进行监控,在正常的情况下摄像机会按照一定的速度和方向有规则地进行转动当有异常的情况进入该区域,就会把所检测到的异常目标的具体位置传送给控制中心,安防人员就可以根据所获得的信息快速锁定方位。系统拓扑图如图1所示。

控制中心还可以根据具体的情况发出相应的命令,经过串口向主控芯片发送指令,主控芯片按照peclo协议接收信息,并进行一定的分析,发出相应的脉冲,控制两个驱动芯片,这两个芯片分别控制水平和竖直方向的两个步进电机,并且两个芯片根据不同的信号对步进电机做出相应的动作,包括转向控制,转速控制等,从而带动摄像机等负载的转动。

2 关键技术

2.1 细分控制原理步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求,而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关,如果绕组中电流不再是方波,而是一个分成n个台阶的近似阶梯波,电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动n小步时,实际上相当于转过一个步距角,这就是所谓的细分。[2]从阶梯电流形成的角度分,有采用叠加法的,有采用PWM控制的,也有采用脉频调制的,而TA8435H细分的原理正是利用PWM来代替放大状态的功放电路,已实现灵活的电流波形控制,为提高系统的稳定性和可靠性,一般采用数字脉宽调制电路。其基本思想是:细分驱动电流的变化受控于PWM脉冲的脉宽变化,只要给驱动功率管的基极上施加一定脉宽和频率的脉冲序列,就可以在相应电机绕组上得到相应的阶梯变化的电流波形。采用PWM技术对步进电机进行细分控制,具有控制线路简单,系统稳定可靠等优点[3]。

2.2 Pelco协议译码

步进电机转速及方向是由Peclo-P协议来控制的,Peclo的监控器材在我国有很广泛的应用,它有自己的传输控制协议,当它的产品配套使用时,可以相互兼容,但是由于工程的需要,要与其他设备来控制,如步进电机。因此要充分了解Pelco的传输协议,并且熟悉它们之间的译码流程。

表1 PELCO-P命令

字节1字节2字节3字节4字节5字节6字节7字节8同步字节地址码指令1指令2数据1数据2 ETX校验码 该协议中所有数值都为十六进制数,同步字节总是A0H,地址码是正被控制的接收器/驱动器的逻辑地址。命令1和命令2可以根据协议所给的表查询。字节5包括云台的速度,云台的速度是从＄00(停止)到＄3F(高度迅速)之间浮动,字节6表示倾斜速度,同样该速度也是从＄00(停止)到＄3F (高度迅速)之间浮动,EXT始终为AFH,字节8是校验总和,校验码=字节2^字节3^字节4^字节5^字节6。Pelco协议的译码过程如图2所示。

图2 Pelco协议的译码流程图

3 系统的详细设计3.1 系统的硬件电路设计系统由采样单元,主控单元,驱动单元,步进电机以及负载组成。其具体选择如下:采样单元主要是红外探测仪。可以根据探测仪取得的数据,经过模数转换获得的数字信号通过RS485,按照peclo协议,与主控芯片通信,主控芯片则根据采样信息,作出分析,并把分析结果传送给转速和转动方向等信息给控制芯片,控制芯片接受主控芯片的命令,来驱动步进电机的转动。