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)n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機(jī)，它能將數(shù)字信 號直接轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，驅(qū)動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。這里針對電磁干擾較強(qiáng)以及要求低成本應(yīng)用的場合，采用超 強(qiáng)抗干擾、小巧低功耗的工業(yè)級 STC12C系列單片機(jī)，充分利用單片 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。圖I 系統(tǒng)功能原理示意圖Ji- con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.MOSFE管驅(qū)動電路

2、，帶動 電機(jī)轉(zhuǎn)動。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)， 還能通過上位 機(jī)實(shí)現(xiàn)對電機(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4 kV快速脈沖干擾，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，

3、 2路PWM輸出，4 KB容量的FLASH存儲器，256 B容量的SRAM 4個 定時(shí)器，1個全雙工串行通信口。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。-r-rHl熔1VCCRDPJOPl SCIK/ADTT1P1 IISOADCfiPI $血0制心DC負(fù)XTAL1Pl 4/SSJAIC4IXTGPJ 2P3JXADCJINTl/PJ 3fl 鉀DQECtTOT? 4PI l/ADCIinmiCak.T|耐弓Pi巾(NDph卩認(rèn)3“時(shí)忡呢鬲匚h電進(jìn)ZI.G72B9k農(nóng)逵啟

4、惻艸劃瞧沖f TTV團(tuán)2 STC124052 ?)單片楓外部和曲令車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)。過流檢測的結(jié)果直接引入到外部中斷 0,實(shí)現(xiàn)對 電流的快速控制。2.2驅(qū)動電路設(shè)計(jì)功率MOSFE管的部分驅(qū)動電路如圖3所示。該電路的設(shè)計(jì)可改進(jìn)功 率MOSFE管的快速開通時(shí)間，提高了驅(qū)動電流的前后沿陡度，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通過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

5、能會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為 此,需要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(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。ZS電機(jī)繞機(jī)圖3 由仝也元件枸成的功率MOSFFT管殛動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MOSFE管內(nèi)部的快恢 復(fù)二極管不流過反向電流，以保證功率 MOSFE管在動態(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, 82

6、79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 8位數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動芯片，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)選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DIO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK 引腳的上升沿被寫入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， 這均不會影響 鍵盤的使用。整個電路

7、無需添加鎖存器和驅(qū)動器，耗電少，軟件設(shè)計(jì) 中無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的時(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。-9-rjn towrttftylV(TMTGM?川二-Kl：1- rrsDidILKDtLMtnni UiIMrlSJmraiflW強(qiáng)島皿arI町加IOkQr-kCIVT三IDkLluni3、軟件設(shè)計(jì)軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制是通過定時(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勺時(shí)間。CPU在非中斷時(shí)間 內(nèi)可以處理其他事件，只有在

8、中斷發(fā)生時(shí)才驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一步。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)勵磁狀態(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 STC12C4052AD輸出各勵磁狀 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、過流檢測中斷服務(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)測試該系統(tǒng)采用超強(qiáng)抗干擾，小巧低功耗的工業(yè)級STC12C4052A單片機(jī) 為控制核心，工作可靠性高，抗于擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)測試在專門的檢測 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。經(jīng)過實(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)過程中，如果恰當(dāng)選取單片機(jī)以及各電路模塊的型