基于單片機C8051F020的數(shù)字多電機控制平臺設(shè)計

　　摘要： 介紹了基于單片機C8051F020 搭建的多臺電機控制平臺，硬件電路簡單可靠，功率電路采用場效應(yīng)管自行搭建，通用性較強，通過改寫軟件，可直接用于其它小功率電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)。

　　引言

　　步進(jìn)電動機因具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差等特點，非常適合用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)中。直流電機是伺服控制中常用的電機。然而在實際系統(tǒng)中為滿足不同的功能往往同時存在多個運動部件，常用的方法是一個獨立的功能對應(yīng)一個控制系統(tǒng)，這樣雖然模塊性很好，但是占用了大量的系統(tǒng)資源和空間，也在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　如在某系統(tǒng)中存在4 個運動部件，分別為兩臺三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機，一臺直流電機和一臺四相步進(jìn)電動機的控制。本著提高系統(tǒng)集成度的想法，本文只用一個控制芯片C8051F020 就完成了以上4 臺電機的驅(qū)動控制，電路簡單，可靠性高。

　　1 總體設(shè)計

　　基于Cygnal 公司的MCU 控制芯片C8051F020的多電機控制系統(tǒng)平臺，能根據(jù)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(shè)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(nèi)核。與標(biāo)準(zhǔn)的8051 結(jié)構(gòu)相比，它具有如下特點：

　　（1） 指令執(zhí)行速度有較大的提高，峰值速度達(dá)到25 MIPS;

　　（2） 除了4 個標(biāo)準(zhǔn)的8051 的端口外，還具有4 個附加端口，共64 個通用I /O 端口；

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

　?。?） 引入數(shù)字交叉開關(guān)，允許用戶自行組合通用I /O 端口和所需的數(shù)字資源；

　?。?） 具有兩個串行UART 接口，5 個16 位通用定時器，5個比較捕捉模塊；

　　（6） 具有片內(nèi)看門狗、片內(nèi)溫度傳感器和片內(nèi)VDD 監(jiān)視器，使用時幾乎無需外擴(kuò)；

　?。?） 可通過JTAG 接口實現(xiàn)軟件在線調(diào)試功能。

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

　　2. 2 通訊電路設(shè)計

　　根據(jù)與上位機的通訊協(xié)議，通訊接口采用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部有兩個增強型全雙工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(zhuǎn)為單片機的串口信號。具體電路如圖2 所示。

　　2. 3 步進(jìn)電動機驅(qū)動電路設(shè)計步進(jìn)電動機的控制可采用串行控制，采用環(huán)形分配器來完成換相。也可以采用并行控制，由單片機完成步進(jìn)電動機的換相，在系統(tǒng)資源夠用的情況下，采用并行控制可以簡化設(shè)計電路。本系統(tǒng)采用了并行控制，由軟件控制單片機的I /O 端口輸出按一定時序的PWM 波，來控制電機繞組通斷電。

　　電機屬于感性負(fù)載，電機繞組中的電流不能突變，電機由A 相換到B 相之后，若沒有保護(hù)電路，A相繞組中的電流將保持相當(dāng)長的時間，這樣電機運行很不平穩(wěn)。為了使電機運行平穩(wěn)，在系統(tǒng)加入了保護(hù)措施，使繞組線圈中的電流迅速瀉放，以利保護(hù)電機。圖3 為電機一相的控制電路。

　　為了消除步進(jìn)電動機的串?dāng)_，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，這對電機來說驅(qū)動力不夠，因此采用場效應(yīng)管經(jīng)功率放大電路后，用來驅(qū)動電機。本系統(tǒng)步進(jìn)電動機的驅(qū)動采用了單電壓驅(qū)動方式，這種驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，成本低，低頻時響應(yīng)較好； 缺點是存在共振，高頻帶載能力下降。系統(tǒng)要求的電機運轉(zhuǎn)速度較低，不考慮高頻帶載能力，為解決共振問題，采用PWM 波對電機供電，通過改變電機的共振點來達(dá)到減小振動的目的。