基于STC單片機的經(jīng)濟型步進(jìn)電機控制系統

　　0 引 言

　　步進(jìn)電機是工業(yè)控制中應用十分廣泛的一種電動(dòng)機，它能將數字信號直接轉換成角位移或線(xiàn)位移，驅動(dòng)速度和指令脈沖能?chē)栏裢?，具有較高的定位精度，控制系統成本低廉，在經(jīng)濟型數控機床等領(lǐng)域應用廣泛。這里針對電磁干擾較強以及要求低成本應用的場(chǎng)合，采用超強抗干擾、小巧低功耗的工業(yè)級STC12C系列單片機，充分利用單片機內部的硬件資源，設計實(shí)用的步進(jìn)電機控制和驅動(dòng)系統。

　　1 控制系統總體方案設計

　　系統功能原理示意圖如圖1所示。

　　在該系統中由單片機直接輸出電機的各相控制脈沖序列，光耦進(jìn)行必要的光電隔離，采用分立元件構成功率．MOSFET管驅動(dòng)電路，帶動(dòng)電機轉動(dòng)。鍵盤(pán)接口與 LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實(shí)現。既可使用按鍵輸入的方式精確設置電機的工作方式與轉速，也可以通過(guò)調速旋鈕實(shí)現電機轉速的連續調節，還能通過(guò)上位機實(shí)現對電機工作方式的調整與控制。

　　2 硬件電路設計

　　2．1 控制電路設計

　　控制芯片采用STC12C4052AD，它是1個(gè)時(shí)鐘／機器周期的單片機，速度比普通的8051單片機快8～12倍，有20個(gè)引腳且為小巧封裝。該單片機具有超強抗干擾，抗靜電的特點(diǎn)，能輕松通過(guò)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2．7～7 mA。芯片自帶硬件看門(mén)狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A／D轉換，2路PWM輸出，4 KB容量的FLASH存儲器，256 B容量的SRAM，4個(gè)定時(shí)器，1個(gè)全雙工串行通信口。由于單片機內部的資源豐富，性?xún)r(jià)比高，能夠滿(mǎn)足該設計的要求，而且減少了硬件電路的設計，提高了工作效率。單片機的外部引腳定義，及其在該設計中的資源分布如圖2所示。

　　P1．4(ADC4)口外接4．7 kΩ的可調電位器，利用單片機內部的模／數轉換功能轉換成數字量，進(jìn)而控制輸出脈沖頻率，完成步進(jìn)電機速度的“連續”調節。過(guò)流檢測的結果直接引入到外部中斷0，實(shí)現對電流的快速控制。

　　2．2 驅動(dòng)電路設計

　　功率MOSFET管的部分驅動(dòng)電路如圖3所示。該電路的設計可改進(jìn)功率MOSFET管的快速開(kāi)通時(shí)間，提高了驅動(dòng)電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開(kāi)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)生相當幅度的VGS脈沖電壓。正方向的VGS脈沖電壓可能會(huì )導致器件的誤導通。為此，需要適當降低柵極驅動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)穩壓值小于20 V，而又接近20 V的齊納二極管，以防止柵源開(kāi)路工作。

　　為了抑制功率管內的快恢復，二極管出現反向恢復效應，在電路中接入4只快恢復二極管。其中，反并聯(lián)快恢復二極管的作用是為電機相繞組提供續流通路，其余2 只是為了使功率MOSFET管內部的快恢復二極管不流過(guò)反向電流，以保證功率MOSFET管在動(dòng)態(tài)工作時(shí)能起到正常的開(kāi)關(guān)的作用。

　　2．3 顯示與按鍵處理電路

　　在單片機應用系統中，典型的鍵盤(pán)顯示接口電路由基于并行擴展技術(shù)的8155，8279構成控制電路?，F代單片機應用系統廣泛采用串行擴展技術(shù)。相對于并行方式，串行擴展接線(xiàn)靈活，占用單片機資源少。

　　ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅動(dòng)8位數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動(dòng)芯片，單片即可完成顯示、鍵盤(pán)接口的全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數據從DIO引腳送入芯片，并由CLK端同步。當選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DIO引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫(xiě)入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是ZLG7289的典型應用。ZLG7289A連接共陰式數碼管，應用中不需要的數碼管與鍵盤(pán)可以不連接，省去數碼管或對數碼管設置消隱屬性，這均不會(huì )影響鍵盤(pán)的使用。整個(gè)電路無(wú)需添加鎖存器和驅動(dòng)器，耗電少，軟件設計中無(wú)需編寫(xiě)顯示譯碼程序，省去了靜態(tài)顯示擴展芯片，大大節省了CPU的時(shí)間。該電路設計中僅采用4×4鍵盤(pán)和4位數碼管，已完全滿(mǎn)足設計需要。

　　3 軟件設計

　　軟件部分采用模塊化結構設計。對步進(jìn)電機轉速的控制是通過(guò)定時(shí)器工作在中斷方式實(shí)現的。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)間內可以處理其他事件，只有在中斷發(fā)生時(shí)才驅動(dòng)步進(jìn)電機轉動(dòng)一步。根據步進(jìn)電機勵磁狀態(tài)轉換，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內部的存儲器中；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、反轉子程序、鍵盤(pán)顯示控制子程序、A／D轉換子程序等)，由于篇幅限制，在此不一一敘述。

　　4 系統測試

　　該系統采用超強抗干擾，小巧低功耗的工業(yè)級STC12C4052AD單片機為控制核心，工作可靠性高，抗于擾能力強。系統測試在專(zhuān)門(mén)的檢測實(shí)驗室內進(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(zhuān)用儀器對系統的電壓變化抗擾度、快速瞬變脈沖群抗擾度、抗靜電和雷擊浪涌等參數進(jìn)行檢測。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，系統功能正常，所有參數均已達標。

　　5 結 語(yǔ)

　　電子技術(shù)發(fā)展日新月異，新型單片機層出不窮。在電機控制系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果恰當選取單片機以及各電路模塊的型號，能夠簡(jiǎn)化設計過(guò)程，起到事半功倍的效果。該系統采用STC12C4052AD單片機，其工作方式、轉動(dòng)速率及轉矩數可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入，也可通過(guò)普通旋鈕或上位機調節。鍵盤(pán)顯示模塊采用 ZLG7289實(shí)現。本系統具有通用性，適當改變輸出口各位控制端，便可控制不同相數的步進(jìn)電機。