基于單片機C8051F020 的數字多電機控制平臺的設計

介紹了基于單片機C8051F020 搭建的多臺電機控制平臺，硬件電路簡(jiǎn)單可靠，功率電路采用場(chǎng)效應管自行搭建，通用性較強，通過(guò)改寫(xiě)軟件，可直接用于其它小功率電機的驅動(dòng)控制系統。

0 引言

步進(jìn)電動(dòng)機因具有轉子慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，非常適合用于開(kāi)環(huán)位置控制系統中。直流電機是伺服控制中常用的電機。然而在實(shí)際系統中為滿(mǎn)足不同的功能往往同時(shí)存在多個(gè)運動(dòng)部件，常用的方法是一個(gè)獨立的功能對應一個(gè)控制系統，這樣雖然模塊性很好，但是占用了大量的系統資源和空間，也在一定程度上降低了系統的可靠性。

如在某系統中存在4 個(gè)運動(dòng)部件，分別為兩臺三相反應式步進(jìn)電動(dòng)機，一臺直流電機和一臺四相步進(jìn)電動(dòng)機的控制。本著(zhù)提高系統集成度的想法，本文只用一個(gè)控制芯片C8051F020 就完成了以上4 臺電機的驅動(dòng)控制，電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

1 總體設計

基于Cygnal 公司的MCU 控制芯片C8051F020的多電機控制系統平臺，能根據控制指令完成對四臺電機的控制。組成框圖如圖1 所示。

2 硬件設計

2. 1 主控芯片選擇

美國Cygnal 公司生產(chǎn)的C8051F020 單片機使用CIP - 51 微控制器內核。與標準的8051 結構相比，它具有如下特點(diǎn)：

( 1) 指令執行速度有較大的提高，峰值速度達到25 MIPS;

( 2) 除了4 個(gè)標準的8051 的端口外，還具有4 個(gè)附加端口，共64 個(gè)通用I /O 端口;

( 3) 所有I /O 端口均可配置為漏極開(kāi)路或推挽輸出，進(jìn)一步向低功耗應用發(fā)展;

( 4) 引入數字交叉開(kāi)關(guān)，允許用戶(hù)自行組合通用I /O 端口和所需的數字資源;

( 5) 具有兩個(gè)串行UART 接口，5 個(gè)16 位通用定時(shí)器，5個(gè)比較捕捉模塊;

( 6) 具有片內看門(mén)狗、片內溫度傳感器和片內VDD 監視器，使用時(shí)幾乎無(wú)需外擴;

( 7) 可通過(guò)JTAG 接口實(shí)現軟件在線(xiàn)調試功能。

C8051F020 單片機以其在執行速度、系統資源等方面的明顯優(yōu)勢，成為本多電機控制系統非常理想的選擇。

2. 2 通訊電路設計

根據與上位機的通訊協(xié)議，通訊接口采用標準雙向差分RS - 422 串口通訊，工作電壓為5 V,波特率為38 400 bit /s.C8051F020 系列MCU 內部有兩個(gè)增強型全雙工UART,通訊協(xié)議為RS - 232,工作電壓也為5 V.因此選用了MAX490 器件，MAX490芯片可以很方便地將上位機的RS422 差分信號轉為單片機的串口信號。具體電路如圖2 所示。

2. 3 步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)電路

設計步進(jìn)電動(dòng)機的控制可采用串行控制，采用環(huán)形分配器來(lái)完成換相。也可以采用并行控制，由單片機完成步進(jìn)電動(dòng)機的換相，在系統資源夠用的情況下，采用并行控制可以簡(jiǎn)化設計電路。本系統采用了并行控制，由軟件控制單片機的I /O 端口輸出按一定時(shí)序的PWM 波，來(lái)控制電機繞組通斷電。

電機屬于感性負載，電機繞組中的電流不能突變，電機由A 相換到B 相之后，若沒(méi)有保護電路，A相繞組中的電流將保持相當長(cháng)的時(shí)間，這樣電機運行很不平穩。為了使電機運行平穩，在系統加入了保護措施，使繞組線(xiàn)圈中的電流迅速瀉放，以利保護電機。圖3 為電機一相的控制電路。

為了消除步進(jìn)電動(dòng)機的串擾，所有單片機輸出信號均經(jīng)光耦隔離。單片機輸出信號為3. 3 V TTL電平，這對電機來(lái)說(shuō)驅動(dòng)力不夠，因此采用場(chǎng)效應管經(jīng)功率放大電路后，用來(lái)驅動(dòng)電機。本系統步進(jìn)電動(dòng)機的驅動(dòng)采用了單電壓驅動(dòng)方式，這種驅動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本低，低頻時(shí)響應較好; 缺點(diǎn)是存在共振，高頻帶載能力下降。系統要求的電機運轉速度較低，不考慮高頻帶載能力，為解決共振問(wèn)題，采用PWM 波對電機供電，通過(guò)改變電機的共振點(diǎn)來(lái)達到減小振動(dòng)的目的。