基于STC單片機的經濟型步進電機控制系統(tǒng)

 0 引 言
    步進電機是工業(yè)控制中應用十分廣泛的一種電動機，它能將數(shù)字信號直接轉換成角位移或線位移，驅動速度和指令脈沖能嚴格同步，具有較高的定位精度，控制系統(tǒng)成本低廉，在經濟型數(shù)控機床等領域應用廣泛。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，設計實用的步進電機控制和驅動系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計
    系統(tǒng)功能原理示意圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中由單片機直接輸出電機的各相控制脈沖序列，光耦進行必要的光電隔離，采用分立元件構成功率．MOSFET管驅動電路，帶動電機轉動。鍵盤接口與 LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實現(xiàn)。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，也可以通過調速旋鈕實現(xiàn)電機轉速的連續(xù)調節(jié)，還能通過上位機實現(xiàn)對電機工作方式的調整與控制。[!--empirenews.page--]

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個時鐘／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，能輕松通過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個定時器，1個全雙工串行通信口。由于單片機內部的資源豐富，性價比高，能夠滿足該設計的要求，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(shù)轉換功能轉換成數(shù)字量，進而控制輸出脈沖頻率，完成步進電機速度的“連續(xù)”調節(jié)。過流檢測的結果直接引入到外部中斷0，實現(xiàn)對電流的快速控制。[!--empirenews.page--]
2．2 驅動電路設計
    功率MOSFET管的部分驅動電路如圖3所示。該電路的設計可改進功率MOSFET管的快速開通時間，提高了驅動電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開關狀態(tài)下漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極，產生相當幅度的VGS脈沖電壓。正方向的VGS脈沖電壓可能會導致器件的誤導通。為此，需要適當降低柵極驅動電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V，而又接近20 V的齊納二極管，以防止柵源開路工作。

    為了抑制功率管內的快恢復，二極管出現(xiàn)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(xù)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反向電流，以保證功率MOSFET管在動態(tài)工作時能起到正常的開關的作用。
2．3 顯示與按鍵處理電路
    在單片機應用系統(tǒng)中，典型的鍵盤顯示接口電路由基于并行擴展技術的8155，8279構成控制電路。現(xiàn)代單片機應用系統(tǒng)廣泛采用串行擴展技術。相對于并行方式，串行擴展接線靈活，占用單片機資源少。
    ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時驅動8位數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片，單片即可完成顯示、鍵盤接口的全部功能。采用串行方式與微處理器通信，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入 ZLG7289A的緩沖寄存器。圖4是ZLG7289的典型應用。ZLG7289A連接共陰式數(shù)碼管，應用中不需要的數(shù)碼管與鍵盤可以不連接，省去數(shù)碼管或對數(shù)碼管設置消隱屬性，這均不會影響鍵盤的使用。整個電路無需添加鎖存器和驅動器，耗電少，軟件設計中無需編寫顯示譯碼程序，省去了靜態(tài)顯示擴展芯片，大大節(jié)省了CPU的時間。該電路設計中僅采用4×4鍵盤和4位數(shù)碼管，已完全滿足設計需要。[!--empirenews.page--]

3 軟件設計
    軟件部分采用模塊化結構設計。對步進電機轉速的控制是通過定時器工作在中斷方式實現(xiàn)的。定時器定時中斷產生周期性脈沖序列，不是采用軟件延時的方式，這樣不占用CPU的時間。CPU在非中斷時間內可以處理其他事件，只有在中斷發(fā)生時才驅動步進電機轉動一步。根據(jù)步進電機勵磁狀態(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)，從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能。
    程序總體框架包括：主程序、過流檢測中斷服務子程序、定時器中斷服務子程序、以及其他子程序(包括正轉、反轉子程序、鍵盤顯示控制子程序、A／D轉換子程序等)，由于篇幅限制，在此不一一敘述。

4 系統(tǒng)測試
    該系統(tǒng)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(tǒng)測試在專門的檢測實驗室內進行。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) 等專用儀器對系統(tǒng)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(shù)進行檢測。經過實驗，系統(tǒng)功能正常，所有參數(shù)均已達標。

5 結 語
    電子技術發(fā)展日新月異，新型單片機層出不窮。在電機控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，如果恰當選取單片機以及各電路模塊的型號，能夠簡化設計過程，起到事半功倍的效果。該系統(tǒng)采用STC12C4052AD單片機，其工作方式、轉動速率及轉矩數(shù)可以通過鍵盤輸入，也可通過普通旋鈕或上位機調節(jié)。鍵盤顯示模塊采用 ZLG7289實現(xiàn)。本系統(tǒng)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(shù)的步進電機。