單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)方案

1、單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)控制中應(yīng)用十分廣泛的一種電動(dòng)機(jī)，它能將數(shù)字信 號(hào)直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，驅(qū)動(dòng)速度和指令脈沖能嚴(yán)格同步， 具有較高的定位精度，控制系統(tǒng)成本低廉，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等領(lǐng) 域應(yīng)用廣泛。這里針對(duì)電磁干擾較強(qiáng)以及要求低成本應(yīng)用的場(chǎng)合， 采用超強(qiáng)抗干擾、小巧低功耗的工業(yè)級(jí) STC12C系列單片機(jī)，充分禾U 用單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源，設(shè)計(jì)實(shí)用的步進(jìn)電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 1、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能原理示意圖如圖1所示。 4,4 心位 RS也 電躋 ZLG72SQ 20PIN =V 77 單斤機(jī) STCI2 C4052AD 歩逬 電機(jī) 圖1 系統(tǒng)功能原理示意圖 -

2、i 在該系統(tǒng)中由單片機(jī)直接輸出電機(jī)的各相控制脈沖序列，光耦進(jìn)行 必要的光電隔離，采用分立元件構(gòu)成功率.MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路，帶 動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。鍵盤接口與LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的 ZLG7289實(shí)現(xiàn)。既可使用按鍵輸入的方式精確設(shè)置電機(jī)的工作方式 與轉(zhuǎn)速，也可以通過(guò)調(diào)速旋鈕實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能通過(guò) 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)工作方式的調(diào)整與控制。 2、硬件電路設(shè)計(jì) 2.1控制電路設(shè)計(jì) 控制芯片采用STC12C4052AD它是1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)， 速度比普通的8051單片機(jī)快812倍，有20個(gè)引腳且為小巧封 裝。該單片機(jī)具有超強(qiáng)抗干擾，抗靜電的特點(diǎn)，能輕松通過(guò)4 kV快 速脈沖

3、干擾，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗為2.77 mA芯片自帶硬件看門狗，具有高速 SPI通信端口，8通道8位A/D 轉(zhuǎn)換，2路PW鵬出，4 KB容量的FLASH存儲(chǔ)器，256 B容量的 SRAM 4個(gè)定時(shí)器，1個(gè)全雙工串行通信口。由于單片機(jī)內(nèi)部的資源 豐富，性價(jià)比高，能夠滿足該設(shè)計(jì)的要求，而且減少了硬件電路的 設(shè)計(jì)，提高了工作效率。單片機(jī)的外部引腳定義，及其在該設(shè)計(jì)中 的資源分布如圖2所示。 RST vcc RADPJ 0 P .7/SCLK.-.XDC7 TxD/P3 1 XTAL3 PtIX5 XTALI Pl 2 P1 VAtK? ivnjpi 3 Pl 2/AIX72 FCLTO

4、P34 Fl WADCI PWMI/PCA (T(.P33Pl.lVAlJCtl P.l T.WAaTUMf) 7.G72 M連罠tit 沖;WMt師 屯位 MLG応闕一 料空嘴一 I 護(hù)選倩匚 則怦電囲匸 HL-4I-ET 圖2STC124O52?D單片機(jī)外部引撫分芳 P1.4(ADC4) 口外接4.7 k Q的可調(diào)電位器，利用單片機(jī)內(nèi)部的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進(jìn)而控制輸出脈沖頻率，完成步進(jìn)電機(jī) 速度的“連續(xù)”調(diào)節(jié)。過(guò)流檢測(cè)的結(jié)果直接引入到外部中斷0,實(shí) 現(xiàn)對(duì)電流的快速控制。 2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 功率MOSFE管的部分驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。該電路的設(shè)計(jì)可改進(jìn) 功率MOSFE管的快速開通

5、時(shí)間，提高了驅(qū)動(dòng)電流的前后沿陡度，能 夠改善高頻響應(yīng)。功率 MOSFE管柵源間的阻抗很高，工作于開關(guān)狀 態(tài)下漏源間電壓的突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極，產(chǎn)生相當(dāng)幅度 的VGS脈沖電壓。正方向的 VGS脈沖電壓可能會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo) 通。為此，需要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻 尼電阻或接一個(gè)穩(wěn)壓值小于 20 V，而又接近20 V的齊納二極管， 以防止柵源開路工作。 圖3 由分比元件構(gòu)成的功率MOSFET.管驅(qū)動(dòng)電路 為了抑制功率管內(nèi)的快恢復(fù)，二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)，在電路中 接入4只快恢復(fù)二極管。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)二極管的作用是為電 機(jī)相繞組提供續(xù)流通路，其余 2只是為了使功率 MO

6、SFE管內(nèi)部的 快恢復(fù)二極管不流過(guò)反向電流，以保證功率 MOSFE管在動(dòng)態(tài)工作時(shí) 能起到正常的開關(guān)的作用。 2.3顯示與按鍵處理電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，典型的鍵盤顯示接口電路由基于并行擴(kuò)展技 術(shù)的8155, 8279構(gòu)成控制電路?，F(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行 擴(kuò)展技術(shù)。相對(duì)于并行方式，串行擴(kuò)展接線靈活，占用單片機(jī)資源 少。 ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8位數(shù)碼管或64 只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，單片即可完成顯示、鍵盤接口的 全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數(shù)據(jù)從DIO引腳送入芯 片，并由CLK端同步。當(dāng)選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅珼IO引腳上的數(shù)據(jù) 在CLK引

7、腳的上升沿被寫入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是 ZLG7289的典型應(yīng)用。ZLG7289A連接共陰式數(shù)碼管，應(yīng)用中不需要 的數(shù)碼管與鍵盤可以不連接，省去數(shù)碼管或?qū)?shù)碼管設(shè)置消隱屬 性，這均不會(huì)影響鍵盤的使用。整個(gè)電路無(wú)需添加鎖存器和驅(qū)動(dòng) 器，耗電少，軟件設(shè)計(jì)中無(wú)需編寫顯示譯碼程序，省去了靜態(tài)顯示 擴(kuò)展芯片，大大節(jié)省了 CPU勺時(shí)間。該電路設(shè)計(jì)中僅采用 4X4鍵盤 和4位數(shù)碼管，已完全滿足設(shè)計(jì)需要。 I-*. 叮 兀rr 財(cái) 淘 Gi.KQ Gi*f W07 X . SO ST 54 1計(jì)i LHIE Dr W 雲(yún)人 sc 21JQJ3PJ I Hi 4 怡2 IOkQ mm MO t

8、I 21昇u亦應(yīng)同虹璉 mi; - Wk 口 宀 npon* coni 3、軟件設(shè)計(jì) 軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是通過(guò)定時(shí) 器工作在中斷方式實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)器定時(shí)中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列， 不是采用軟件延時(shí)的方式，這樣不占用CPU的時(shí)間。CPU在非中斷 時(shí)間內(nèi)可以處理其他事件，只有在中斷發(fā)生時(shí)才驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 一步。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換，采用查表法求出所需的輸出狀 態(tài)，并以二進(jìn)制碼的形式依次存入單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中。然后按 照正向或反向順序依次取出地址的狀態(tài)字，送給STC12C4052AJD輸 出各勵(lì)磁狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器的功能。 程序總體框架包括：主程序、過(guò)流檢測(cè)中

9、斷服務(wù)子程序、定時(shí)器中 斷服務(wù)子程序、以及其他子程序（包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤顯示 控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等），由于篇幅限制，在此不一一敘 述。 4、系統(tǒng)測(cè)試 該系統(tǒng)采用超強(qiáng)抗干擾，小巧低功耗的工業(yè)級(jí)STC12C4052ADI片 機(jī)為控制核心，工作可靠性高，抗于擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)測(cè)試在專門的 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。利用群脈沖發(fā)生器（EFT-4001）、周波電壓跌落 發(fā)生器（VDG-1105）、靜電放電發(fā)生器（ESD-20）以及雷擊浪涌發(fā)生器 （SG-5006）等專用儀器對(duì)系統(tǒng)的電壓變化抗擾度、快速瞬變脈沖群 抗擾度、抗靜電和雷擊浪涌等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)功能 正常，所有參數(shù)均已達(dá)標(biāo)。 5、結(jié)語(yǔ) 電子技術(shù)發(fā)展日新月異，新型單片機(jī)層出不窮。在電機(jī)控制系統(tǒng)開 發(fā)過(guò)程中，如果恰當(dāng)選取單片機(jī)以及各電