詳解XC866步進(jìn)電機閥門(mén)控制系統

　　閥門(mén)市場(chǎng)的快速增長(cháng)，對閥門(mén)控制技術(shù)提出了更高的要求。通常情況下，閥門(mén)用手動(dòng)調節，然而在某些比較惡劣環(huán)境條件下，手動(dòng)調節就顯得不太合適。在某些應用場(chǎng)合，對閥門(mén)的控制不僅僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，還涉及到開(kāi)度控制以及流量等各種關(guān)系控制。這就需要我們設計一種智能型的自動(dòng)閥門(mén)控制系統。鑒于步進(jìn)電機具有控制簡(jiǎn)便、定位準確等特點(diǎn)，因此非常適合于單片機控制。近年來(lái)，利用步進(jìn)電機對閥門(mén)控制的技術(shù)已經(jīng)應用到各個(gè)領(lǐng)域。為此，我們設計了一種利用XC866單片機控制步進(jìn)電機，來(lái)調控閥門(mén)開(kāi)關(guān)角度的裝置。

　　步進(jìn)電機工作特性

　　步進(jìn)電機一般分為永磁式（PM）、反應式（VR）和混合式（HB）三種類(lèi)型。目前，二相混合式步進(jìn)電機的應用最為廣泛。本設計采用的正是二相四線(xiàn)步進(jìn)電機，步距角為1.8°，不細分。步進(jìn)電動(dòng)機基本原理與普通的永磁同步電動(dòng)機是相通的，它是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個(gè)脈沖信號，電機則轉過(guò)一個(gè)步距角，而步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路是根據單片機產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行工作。二相步進(jìn)電機的內部結構如圖1所示。

圖1 二相步進(jìn)電機的內部結構

　　由圖1可知，該步進(jìn)電動(dòng)機有A和B兩相繞組，由于感應子式步進(jìn)電動(dòng)機的特殊性。當在A(yíng)、B兩相繞組中通以對稱(chēng)的正旋交流電時(shí)，將產(chǎn)生圓形旋轉磁場(chǎng)，而如果按照的順序依次對繞組通以確定幅值的直流電，將產(chǎn)生4步一循環(huán)的步進(jìn)旋轉定子磁場(chǎng)，步進(jìn)角度為90°。為了充分利用電動(dòng)機容量．增大輸出力距，二相步進(jìn)電動(dòng)機整步運行通常采用的通電順序。此時(shí)步進(jìn)電機正轉，當通電順序反轉時(shí)，步進(jìn)電機反轉。

　　設計方案

　　這里，利用英飛凌XC866單片機和外圍芯片組成的控制系統代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器，用軟件的方法控制單片機產(chǎn)生脈沖。設計一個(gè)閥門(mén)控制電壓采樣電路，用一個(gè)0～2.5V的電壓控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)程度，0V時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，2.5V時(shí)閥門(mén)完全打開(kāi)。單片機通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生中斷對電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)A/D轉換后與前一次的數值做差。若差值超過(guò)允許的波動(dòng)范圍，則單片機會(huì )根據差值的正、負號確定電機的轉向，通過(guò)計算得出相應的脈沖數；再發(fā)送脈沖，驅動(dòng)步進(jìn)電機的相應轉動(dòng)，增大或減小閥門(mén)的開(kāi)度。若電壓的差值在允許的波動(dòng)范圍內，則單片機不發(fā)送脈沖，閥門(mén)靜止不動(dòng)。

　　1 主控芯片XC866簡(jiǎn)介

　　XC866單片機是英飛凌公司推出的8位微控制器XC800系列的第一款產(chǎn)品，它具有處理能力強、運行速度快、安全性能突出、片上資源豐富、工程開(kāi)發(fā)方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，性?xún)r(jià)比非常突出。它的輸入/輸出口（I/O 口）可由3.3V 或5.0V 供電；內核需2.5V 供電。主要特性包括：用來(lái)產(chǎn)生脈寬調制信號、帶有電機控制專(zhuān)用模式的捕獲/比較單元（CCU6）；具有如自動(dòng)掃描和結果累加（用于抗混迭濾波或結果平均）等特性。

　　XC866內部集成了高性能的8051內核以及功能強大的外設，對于熟悉51單片機的用戶(hù)，可以在較短的時(shí)間內熟悉其性能，并利用其豐富的外設實(shí)現各種相對復雜的應用。

　　2 硬件設計重點(diǎn)

　?、? 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　在本設計中，我們選用了三洋公司（SANYO）電機驅動(dòng)芯片LB1836M（見(jiàn)圖2）。

圖2 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　LB1836M是低飽和雙通道雙向電機低電壓驅動(dòng)器件，引腳INl、IN2、IN3和IN4是步進(jìn)脈沖的輸入端。

　　OUT1、OUT2、OUT3、OUT4為步進(jìn)脈沖的輸出端，分別與步進(jìn)電機電機對B、A、/B、/A相連接。LBl836M輸入端的四個(gè)步進(jìn)脈沖可由單片機的P3.1、P3.0、P3.3、P3.2四路PWM通道產(chǎn)生。四個(gè)I/O口輸出的相位關(guān)系為P3.0與P3.2反相，P3.1與P3.3反相，P3.0與P3.1相差π/2。

　?、?閥門(mén)控制電壓采樣電路

　　由于本設計中采用了一個(gè)0～2.5V的電壓信號調控閥門(mén)的打開(kāi)程度，單片機利用定時(shí)器中斷對電壓進(jìn)行采樣，然后傳送到ADC模塊再進(jìn)行控制。電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路

　　電壓信號由Input端輸入經(jīng)過(guò)電阻分壓，然后通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，這時(shí)1點(diǎn)電壓與3點(diǎn)電壓相同；然后，將信號傳送到XC866的P2.4端口，再送到ADC模塊進(jìn)行電壓采集。VAREF引腳為XC866的ADC參考電壓介入口，VAGND為ADC接地。參考電壓為2.5V，用LM4040的穩壓二極管將電壓穩定在2.5V，電容的設計是用來(lái)減少干擾。

　?、?軟件設計

　　本設計中步進(jìn)電機的控制脈沖信號，是由軟件編程控制XC866產(chǎn)生的，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件的主要流程是：系統啟動(dòng)后，首先進(jìn)行單片機和外圍器件的初始化，I/O口進(jìn)行置位，設置定時(shí)器。定時(shí)器產(chǎn)生中斷，對目標電壓值進(jìn)行采樣，與當前位置的電壓分別經(jīng)過(guò)A/D轉換（參考電壓為2.5V），再進(jìn)行比較，求出二者的差及符號。當差值在允許的誤差范圍內，步進(jìn)電機不動(dòng)；當差值超出允許誤差范圍時(shí)，從XC866的四個(gè)I/O口輸出所需數量的脈沖信號，控制電機轉動(dòng)。為防止在A(yíng)/D轉換中出現的誤差及步進(jìn)電機本身的誤差的存在，造成電機振蕩。因此，在程序設計時(shí)，規定一定的誤差范圍。

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