基于單片機(jī)C8051F020 的數(shù)字多電機(jī)控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)

0 引言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因具有轉(zhuǎn)子慣量低、定位精度高、無累積誤差等特點(diǎn)，非常適合用于開環(huán)位置控制系統(tǒng)中。直流電機(jī)是伺服控制中常用的電機(jī)。然而在實(shí)際系統(tǒng)中為滿足不同的功能往往同時(shí)存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，常用的方法是一個(gè)獨(dú)立的功能對應(yīng)一個(gè)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(gè)運(yùn)動(dòng)部件，分別為兩臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，一臺(tái)直流電機(jī)和一臺(tái)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。本著提高系統(tǒng)集成度的想法，本文只用一個(gè)控制芯片C8051F020 就完成了以上4 臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，電路簡單，可靠性高。

1 總體設(shè)計(jì)

基于Cygnal 公司的MCU 控制芯片C8051F020的多電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)，能根據(jù)控制指令完成對四臺(tái)電機(jī)的控制。組成框圖如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 主控芯片選擇

美國Cygnal 公司生產(chǎn)的C8051F020 單片機(jī)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(diǎn)：

( 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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 的端口外，還具有4 個(gè)附加端口，共64 個(gè)通用I /O 端口;

( 3) 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;

( 4) 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;

( 5) 具有兩個(gè)串行UART 接口，5 個(gè)16 位通用定時(shí)器，5個(gè)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(shí)幾乎無需外擴(kuò);

( 7) 可通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)軟件在線調(diào)試功能。

C8051F020 單片機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)非常理想的選擇。

2. 2 通訊電路設(shè)計(jì)

根據(jù)與上位機(jī)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(gè)增強(qiáng)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(jī)的RS422 差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單片機(jī)的串口信號(hào)。具體電路如圖2 所示。

2. 3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)完成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jì)電路。本系統(tǒng)采用了并行控制，由軟件控制單片機(jī)的I /O 端口輸出按一定時(shí)序的PWM 波，來控制電機(jī)繞組通斷電。

電機(jī)屬于感性負(fù)載，電機(jī)繞組中的電流不能突變，電機(jī)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(shí)間，這樣電機(jī)運(yùn)行很不平穩(wěn)。為了使電機(jī)運(yùn)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(jī)。圖3 為電機(jī)一相的控制電路。

為了消除步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的串?dāng)_，所有單片機(jī)輸出信號(hào)均經(jīng)光耦隔離。單片機(jī)輸出信號(hào)為3. 3 V TTL電平，這對電機(jī)來說驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)。本系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用了單電壓驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)較好; 缺點(diǎn)是存在共振，高頻帶載能力下降。系統(tǒng)要求的電機(jī)運(yùn)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(jī)供電，通過改變電機(jī)的共振點(diǎn)來達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

2. 4 直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)是可以直接采用電源直接驅(qū)動(dòng)的，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要目的就是對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。在本系統(tǒng)中采用了橋式電路，如圖4 所示。

這種橋式電路非常適合用來做數(shù)字控制，只需單片機(jī)按照一定的邏輯和時(shí)序控制開關(guān)管的開通關(guān)斷，就能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，也能調(diào)節(jié)電機(jī)繞組通電的占空比，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2. 5 場效應(yīng)管選擇

本系統(tǒng)中選用的功率元件為IR 公司生產(chǎn)的IRF840 功率MOSFET,其工作電壓可達(dá)500 V,工作電流最高8 A,IRF840 MOSFET 功率管的驅(qū)動(dòng)功率小，工作速度高，開關(guān)時(shí)間短，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2. 6 電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)過程中為防止各種電源之間互相干擾，尤其是模擬大電源對數(shù)字電路部分產(chǎn)生噪聲影響，充分考慮了電源濾波的需求。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，對供電電源做濾波處理，對控制信號(hào)做光電隔離處理。

對輸入電源使用單獨(dú)接插件和單獨(dú)電源濾波器。對信號(hào)的輸入和大功率的輸出，也要分別使用接插件進(jìn)行物理隔離。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最大瞬時(shí)電流可高達(dá)2A.為減少大功率輸出對數(shù)字電路產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，采取有效的抗干擾措施，如將大功率輸出信號(hào)與數(shù)字信號(hào)采取有效光電隔離。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)。主程序主要完成的內(nèi)容： 系統(tǒng)參數(shù)初始化、通訊指令解析、開啟中斷、進(jìn)入子程序模塊輸出控制信號(hào)等。每個(gè)電機(jī)的不同動(dòng)作均采用不同的子程序模塊，維護(hù)方便。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5 所示。

上電后，單片機(jī)程序初始化芯片的端口設(shè)置及變量初始賦值。當(dāng)串口中斷發(fā)生，接收上位機(jī)發(fā)來的命令消息和發(fā)送反饋消息給上位機(jī)。然后解析本次命令，按具體內(nèi)容進(jìn)入不同的運(yùn)程序，來控制不同的電機(jī)動(dòng)作。

4 結(jié)語

本文所述的控制方案，在一個(gè)系統(tǒng)中集成了四個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路，所有功率放大單元均采用場效應(yīng)管自行搭建，在小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中有較強(qiáng)的通用性，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)6A.可以不作任何的硬件改動(dòng)，僅通過重寫軟件，就可以直接應(yīng)用在其它系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)直流或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)