基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)模塊
單片機(jī)模塊主要由MSP430FG4618單片機(jī)及外圍濾波、電源管理和晶振等電路組成。MSP430FG4618單片機(jī)內(nèi)部的8 KB RAM和116 KB Flash滿足控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)要求，P1和P2端口在步進(jìn)電機(jī)工作過程中根據(jù)按鍵狀態(tài)判斷是否跳入中斷服務(wù)程序來改變步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，USART模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC上位機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制。電源管理電路提供穩(wěn)定的3．3 V和5 V電壓，分別給單片機(jī)、晶振電路和驅(qū)動(dòng)和功率放大電路供電。32 kHz晶振給單片機(jī)、鍵盤／顯示接口器件8279和脈沖分配器PMM8713提供時(shí)鐘；當(dāng)采用USART模塊時(shí)需開啟8MHz晶振設(shè)置通信模塊。圖2為單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)框圖。

2.2 鍵盤／LED模塊
為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展了3x4按鈕矩陣鍵盤和4片8段LED數(shù)碼管，可手動(dòng)直接操作該控制系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，通過鍵盤輸入步進(jìn)電機(jī)的啟停、步數(shù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等，由LED管動(dòng)態(tài)顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。鍵盤的輸入和LED管的輸出由8279進(jìn)行控制，減少單片機(jī)工作負(fù)擔(dān)。8279編程工作在鍵盤掃描輸入方式，讀入鍵盤時(shí)具有去抖動(dòng)功能，避免誤觸發(fā)。圖3為鍵盤LED模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。

2.3 驅(qū)動(dòng)／放大模塊
控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)控制用的脈沖分配器(又稱邏輯轉(zhuǎn)換器)PMM8713，該器件是CMOS集成電路，相輸出驅(qū)動(dòng)能力(源電流或吸入電源)為20 mA，適用于控制三相或四相步進(jìn)電機(jī)，可選擇下列6種激勵(lì)方式：三相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相；四相步進(jìn)電進(jìn)：1相，2相，1-2相。輸入方式可選擇單時(shí)鐘(加方向信號(hào))和雙時(shí)鐘(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)鐘)兩種方式，具有正反轉(zhuǎn)控制、初始化復(fù)位、原點(diǎn)監(jiān)視、激勵(lì)方式監(jiān)視和輸入脈沖監(jiān)視等功能。器件PMM8713由時(shí)鐘選通、激勵(lì)方式控制、激勵(lì)方式判斷和可逆環(huán)形計(jì)數(shù)器等部分構(gòu)成，所有輸入端內(nèi)都設(shè)有施密特電路，可提高抗干擾能力。PMM8713輸出需接功率驅(qū)動(dòng)電路，選用功率驅(qū)動(dòng)器PMM2101，最大輸出電流為1．4 A，滿足驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的要求。驅(qū)動(dòng)／放大電路如圖4所示。MSP430單片機(jī)通過調(diào)節(jié)PMM8713的端口1～4輸入脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的啟停、速度和轉(zhuǎn)向等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)程序
利用單片機(jī)的定時(shí)器TIMER_A(TA)中斷產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過在響應(yīng)的中斷程序中實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)和圈數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，通過PWM實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；利用P1．0端口的中斷關(guān)閉TA中斷程序，并推入堆棧，停止電機(jī)；P1．1中斷則開啟TA中斷，堆棧推入程序計(jì)數(shù)器(PC)，開啟電機(jī)；P3．1端口輸出高電平由PMM8713的U／D端口控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；P3．0～P3．7端口接8279的8個(gè)數(shù)據(jù)接口，當(dāng)單片機(jī)掃描到矩陣鍵盤有鍵按下時(shí)，利用P2端口的中斷設(shè)置TA，控制啟停、調(diào)速和轉(zhuǎn)向等，同時(shí)單片機(jī)反饋給8279控制LED管顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。其程序流程如圖5所示。

3.2 PC上位機(jī)模塊
PC上位機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。利用MSP430單片機(jī)的USART模塊實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)的通信，PC機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。單片機(jī)所接收到控制命令暫存在RXBUFFER中，然后與存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash的中斷程序的入口地址相比較，相同就進(jìn)入中斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。操作該模塊時(shí)需要開啟8 MHz晶振為USART模塊設(shè)置波特率(設(shè)置波特率為9 600)?？刂栖浖蒝B6．0編寫，利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)串行通訊功能。其控制軟件界面如圖6所示。

4 系統(tǒng)檢測(cè)
為檢驗(yàn)該控制系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，在給定PMM2101輸出工作電流的狀態(tài)下采用能量轉(zhuǎn)化法測(cè)得步進(jìn)電機(jī)輸出的最大靜轉(zhuǎn)矩。選取輸出電流間隔0．2 A，測(cè)到步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與電流之間關(guān)系的靜特性曲線，如圖7所示，說明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較合理。