基于單片機C8051F020的數(shù)字多電機控制平臺的設計

丁 沖，張 敏，辛 鵬

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引 言

步進電動機因具有轉(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式步進電動機，一臺直流電機和一臺四相步進電動機的控制。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。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設計

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。與標準的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，峰值速度達到25 MIPS;(2)除了4個標準的8051的端口外，還具有4個附加端口，共64個通用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，進一步向低功耗應用發(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;

(7)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 通訊電路設計

根據(jù)與上位機的通訊協(xié)議，通訊接口采用標準雙向差分RS－422串口通訊，工作電壓為5 V，波特率為38400 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。

圖2 通訊接口電路

2.3 步進電動機驅(qū)動電路設計

步進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，若沒有保護電路，A相繞組中的電流將保持相當長的時間，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)加入了保護措施，使繞組線圈中的電流迅速瀉放，以利保護電機。圖3為電機一相的控制電路。

圖3 電機繞組的驅(qū)動控制電路

為了消除步進電動機的串擾，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，因此采用場效應管經(jīng)功率放大電路后，用來驅(qū)動電機。本系統(tǒng)步進電動機的驅(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到減小振動的目的。

2.4 直流電機橋式驅(qū)動電路設計

直流電機是可以直接采用電源直接驅(qū)動的，設計直流電機驅(qū)動電路的主要目的就是對電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進行控制。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，只需單片機按照一定的邏輯和時序控制開關(guān)管的開通關(guān)斷，就能實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)，也能調(diào)節(jié)電機繞組通電的占空比，從而達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。

圖4 直流電機橋式驅(qū)動電路設計

2.5 場效應管選擇

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500 V，工作電流最高8 A，IRF840 MOSFET功率管的驅(qū)動功率小，工作速度高，開關(guān)時間短，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。

2.6 電源設計

電源設計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。在電路設計時，對供電電源做濾波處理，對控制信號做光電隔離處理。對輸入電源使用單獨接插件和單獨電源濾波器。對信號的輸入和大功率的輸出，也要分別使用接插件進行物理隔離。電機運轉(zhuǎn)時最大瞬時電流可高達2 A。為減少大功率輸出對數(shù)字電路產(chǎn)生影響，在設計時，采取有效的抗干擾措施，如將大功率輸出信號與數(shù)字信號采取有效光電隔離。

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化程序設計。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、進入子程序模塊輸出控制信號等。每個電機的不同動作均采用不同的子程序模塊，維護方便。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件流程

上電后，單片機程序初始化芯片的端口設置及變量初始賦值。當串口中斷發(fā)生，接收上位機發(fā)來的命令消息和發(fā)送反饋消息給上位機。然后解析本次命令，按具體內(nèi)容進入不同的運程序，來控制不同的電機動作。

4 結(jié) 語

本文所述的控制方案，在一個系統(tǒng)中集成了四個電機的驅(qū)動控制電路，所有功率放大單元均采用場效應管自行搭建，在小功率步進電動機及直流電機驅(qū)動控制中有較強的通用性，最大驅(qū)動電流可達6 A。可以不作任何的硬件改動，僅通過重寫軟件，就可以直接應用在其它系統(tǒng)中驅(qū)動直流或步進電動機。

［1］Silicon Labs.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊［M］.潘琢金譯.沈陽:新華龍電子有限公司，2002.

［2］史敬灼.步進電動機伺服控制技術(shù)［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］王玉琳.一種實用型三相反應式步進電動機驅(qū)動器［J］.微特電機 2007(3):21 －22，49.

［4］游志宇，杜楊，張洪，等.基于場效應管的直流電機驅(qū)動控制電路設計［J］.國外電子元器件，2008(2):4－7.