基于87C196KC單片機的步進(jìn)電機高靈敏度控制系統

1 引言

在現代控制系統中，數控機床的高靈敏度控制是一個(gè)重要的分支。而單片機體積小、重量輕，具有很強的靈活性，因此得到越來(lái)越廣泛的應用，尤其在數控機床方面。目前，我國的許多應用領(lǐng)域仍以MCS-51系列8位單片機為主，但是在一些較為復雜，對實(shí)時(shí)性、靈敏性要求較高的場(chǎng)合，它就顯得力不從心，不得不讓位于16位單片機。87C196KC芯片為Intel公司的高性能16位單片機，是其CHMOS中的第二代產(chǎn)品。它不但集成了監視跟蹤定時(shí)器WDT、高速輸入輸出通道HSIO、外部設備事件服務(wù)器，還具有高精度的10位A/D、D/A和PWM波發(fā)生器功能。87C196KC單片機擁有3路PWM發(fā)生器，它們分別由P2.5口、P1.3口和P1.4口輸出，其內部擁有存儲容量為16KB的EPROM和512B的RAM，是步進(jìn)電機控制系統的理想機種。本文主要結合87C196KC 單片機的PWM發(fā)生器，給出三相步進(jìn)電機控制系統的硬件和軟件設計。

2 PWM波發(fā)生器工作原理

下面以PWM/P2.5引腳為例，給出PWM波發(fā)生器的硬件電路和工作原理。PWM波發(fā)生器結構框圖如圖1所示。

PWM波主要由脈寬調制控制寄存器PWM-PWM波發(fā)生器的時(shí)鐘可以由系統時(shí)鐘提供，也可以由外圍電路通過(guò)IOC2.2引腳提供。在選擇由系統時(shí)鐘提供的方式時(shí)，還可選擇直接提供和經(jīng)二分頻提供的方式。單片機上電后，8位循環(huán)計數器即開(kāi)始工作。每接收一個(gè)脈沖計數值增1，當其內容由0FFH再增1時(shí)，計數器溢出，引腳PWM端變?yōu)楦唠娖捷敵?。在PWM_CONTROL中置入要轉換的數字量，其值與8位循環(huán)數器的值相比較，當二者相等時(shí)，R-S觸發(fā)器使得引腳PWM端變?yōu)榈碗娖捷敵?。由此可?jiàn)，引腳PWM端輸出高電平的時(shí)間由8位循環(huán)計數器的值決定，引腳PWM端輸出低電平的時(shí)間由PWM--CONTROL決定。通過(guò)二者的結合便可輸出寬度可變的脈沖波。

3 系統總體設計

該87C196KC單片機構成的數控機床采用三相步進(jìn)電機高靈敏度控制系統，能夠精確地調節步進(jìn)電機的行走速度，可以在三維空間中改變電機的行進(jìn)方向，還可以按操作者設定的行走步數行進(jìn)。通過(guò)鍵盤(pán)和數顯模塊的結合可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行速度顯示和行程控制。

3.1 系統硬件設計

由87C196KC單片機構成的三相步進(jìn)電機控制系統原理圖。該控制系統通過(guò)單片機輸出3路PWM波，然后通過(guò)反相器、光電耦合器和驅動(dòng)器控制步進(jìn)電機的啟停和正反轉，而步進(jìn)電機的電流、電壓和轉速則通過(guò)反饋回路進(jìn)入單片機，并通過(guò)數顯電路加以顯示。電路中的光電耦合器是出于系統安全性的考慮，起隔離作用，以此把單片機輸出的弱電信號和電機驅動(dòng)電路的強電區分開(kāi)來(lái)。驅動(dòng)器采用具有較高輸出電流的達林頓驅動(dòng)步進(jìn)電機。鍵盤(pán)和數顯模塊中，采用4×5鍵盤(pán)設置數字鍵、方位鍵、數顯選擇鍵和確定鍵等,采用Intel 8279芯片對鍵盤(pán)和4位共陰極LED顯示器進(jìn)行管理和控制。

3.2 系統軟件設計

系統軟件設計包括主程序設計和中斷程序設計。通過(guò)外部鍵盤(pán)的輸入控制和經(jīng)由反饋回路的A/D轉換均采用中斷方式?？紤]到程序模塊的可移植性和程序的執行效率，系統程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的模式，主程序才用C96程序，中斷程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。由于篇幅的限制，在此僅給出系統軟件主程序的流程圖。

在系統主程序中，考慮到系統的安全性，前后設置WDT清零操作。在設定PWM波輸出的前提下，置PWM波控制寄存器，用以和相應的軟件定時(shí)器值相比較，來(lái)決定PWM波的占空比。在進(jìn)行方位控制和速度調節時(shí)，只需改變定時(shí)器的值，然后調節3路PWM波輸出順序和占空比即可。

4 抗干擾措施

在單片機應用系統中，系統的抗干擾性能直接影響系統工作的可靠性。一旦系統受到干擾，程序指針發(fā)生錯誤，將會(huì )造成程序執行的混亂或進(jìn)入死循環(huán)，系統無(wú)法正常運行，嚴重時(shí)可能損壞系統硬件。

本系統在硬件和軟件方面分別采取了抗干擾措施。硬件上，系統進(jìn)行了良好的接地，采用了隔離技術(shù)和硬件濾波技術(shù)，在此，用光電隔離器隔離強弱電信號，用濾波器排除反饋回路的干擾信號。在軟件方面，設置軟件陷阱，在非程序區設置攔截措施，當程序指針PC失控進(jìn)入非程序區時(shí)，使程序進(jìn)入陷阱，用LJMP ＃2080H指令填滿(mǎn)非程序區，以使程序返回初始狀態(tài)，同時(shí)，運用"看門(mén)狗"技術(shù)，啟用16位監視跟蹤定時(shí)器WDT。WDT是一個(gè)16位計數器，其計數脈沖由單片機的系統時(shí)鐘CLOCK(T)提供。每經(jīng)歷一個(gè)T，WDT的內容增1。WDT一旦被啟動(dòng)，便開(kāi)始計數，只要不對其清零，其內容將持續增加，直到經(jīng)過(guò)64K個(gè)T周期產(chǎn)生溢出，系統復位，WDT停止工作。軟件陷阱和WDT的雙重運用將有效保證系統的可靠性。

5 結束語(yǔ)

該系統具有高精度、實(shí)時(shí)性和可控性等特點(diǎn)，再加上硬件方式和軟件方式的多重抗干擾措施，大大地提高了系統的可靠性。

參考文獻:
[1]. 87C196KC datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/87C196KC_105005.html.
[2]. MCS-51 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/MCS-51_477840.html.
[3]. EPROM datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.