基于瑞薩MCU的步進電機轉(zhuǎn)速控制設(shè)計

牛國鋒，王啟元，常晉義，朱苗苗

（常熟理工學(xué)院 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

為響應(yīng)中國“低碳社會”建設(shè)大潮，倡導(dǎo)建設(shè)綠色智能社會的核心，研究瑞薩微控制器在全球領(lǐng)先的“綠色環(huán)保MCU”及其擴展功能具有重要價值和意義。本設(shè)計采用瑞薩78KOR/KG3作為主控芯片，分別使用東芝TD62083AF和TA7774FG作為單極和雙極步進電機驅(qū)動器，利用軟件編程，能夠設(shè)置多個占空比不同的脈沖，使得電機啟動、停止、正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可以逐步增大或減小，且應(yīng)答性良好。在微控制器的控制下開關(guān)控制簡單易操作，穩(wěn)定性也極佳。由于步進電機工作原理易學(xué)易用，成本較低，電機和驅(qū)動器不易損壞，非常適合于微控制器和單片機控制，因此，近年來在各行各業(yè)的控制設(shè)備中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，具有快速起動、停止和正反轉(zhuǎn)的應(yīng)答性良好，控制容易等優(yōu)點。在非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作的，因此，單片機通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送控制信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計

步進電機控制系統(tǒng)主要由微控制器、鍵盤、LED、驅(qū)動馬達和PC等5個模塊組成[3]。其中PC模塊是軟件控制部分，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能主要為：（1）通過鍵盤啟動／暫停步進電機、設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)速和改變步進電機的轉(zhuǎn)向；（2）通過LED顯示燈顯示步進的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等工作狀態(tài)；（3）實現(xiàn)三相或四相步進電機的控制；（4）通過PC軟件實現(xiàn)對步進電機的控制（啟停、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等）。

目前，隨著人們環(huán)保意識的日益提高，消費者越來越關(guān)注微控制器系統(tǒng)的節(jié)能性。為了擴大在節(jié)能家電和電池供電系統(tǒng)等市場領(lǐng)域的應(yīng)用，瑞薩電子在新的MCU產(chǎn)品中加入了節(jié)能理念，推出高標(biāo)準(zhǔn)16位低功耗閃存微控制器產(chǎn)品78K0R系列[2]，其具有低耗電量及高效能等特點，因此其支持尺寸更小、功耗更低的系統(tǒng)且降低了系統(tǒng)總功耗。

本系統(tǒng)以瑞薩78KOR/KG3 uPD78F1166/A微控制器為控制核心，通過按鍵來控制電機轉(zhuǎn)速和方向，同時通過LED顯示燈實時顯示電機工作狀態(tài)。按照MCU I/O板上的接口功能，系統(tǒng)選用P7端口低5位作為按鍵控制口，P5端口高4位經(jīng)反相后連接步進電機驅(qū)動芯片，低4位用作電機狀態(tài)指示燈。整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動電路設(shè)計

步進式電動機是由4個相互垂直安排的線圈組成的，這4個線圈圍繞著磁化轉(zhuǎn)動軸，在線圈通電后會產(chǎn)生激勵，這時將會吸引或者是排斥磁化軸，為了轉(zhuǎn)動步進電動機，線圈將會以引起它在一個方向或者另一個方向轉(zhuǎn)動的模式激勵。單極性（Unipolar）和雙極性（Bipolar）是步進電機最常采用的兩種驅(qū)動架構(gòu)。本設(shè)計分別采用技術(shù)含量較高的高精密度集成電路東芝TD6238AFG和TA7774FG作為單極和雙極馬達驅(qū)動器，同時可實現(xiàn)單級和雙極驅(qū)動馬達控制。其驅(qū)動電路如圖2和圖3所示。

圖2 單極驅(qū)動電路圖

圖3 雙極驅(qū)動電路圖

1.3 勵磁方式

步進電機的勵磁方式[4]可分為全步勵磁及半步勵磁。其中全步勵磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，而半步勵磁又稱 1－2相勵磁。步進電機的控制等效電路，適 應(yīng) 控 制 A、B、、的 勵磁信號，即可控制步進電機的轉(zhuǎn)動。每輸出一個脈沖信號，步進電機只走一步。因此，依序不斷送出脈沖信號，即可使步進電動機連續(xù)轉(zhuǎn)動。勵磁方式及電流波形圖如圖4所示。

圖4 勵磁方式及電流波形圖

（1）1 相勵磁法

在每一瞬間只有一個線圈導(dǎo)通。消耗電力小，精確度良好，但轉(zhuǎn)矩小，振動較大，每送出一個勵磁信號可走相同弧度。以1相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)；若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。

（2）2 相勵磁法

在每一瞬間會有兩個線圈同時導(dǎo)通。因其轉(zhuǎn)矩大，振動小，故為目前使用最多的勵磁方式，每送出一個勵磁信號可走相同弧度。

以2相勵磁方式控制步進電動機正轉(zhuǎn)；若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。

（3）1-2 相勵磁法

1-2相勵磁法為1相與2相輪流交替導(dǎo)通。因分辨率提高，且運轉(zhuǎn)平滑，每送出一個勵磁信號可走更小的弧度。以1-2相勵磁法控制步進電動機正轉(zhuǎn)；若勵磁信號反向傳送，則步進電動機反轉(zhuǎn)。這種勵磁方式是一種更注重細節(jié)的控制實現(xiàn)方式，故廣泛被采用。

單極驅(qū)動步進電機可用1相勵磁、2相勵磁和1-2相勵磁3種方法實現(xiàn)，雙極驅(qū)動步進電機只能用2相勵磁方法實現(xiàn)。

2 軟件設(shè)計

軟件采用瑞薩電子的新集成型開發(fā)環(huán)境CubeSuite，其為采用8位到32位架構(gòu)的微控制器提供了統(tǒng)一的支持[5]。在開發(fā)適用于MCU的軟件時，該產(chǎn)品將編譯器和與仿真器一起使用的調(diào)試器等所有的工具連接起來，使其可以在同一個主機上，完成所有的設(shè)計、編碼、評估、調(diào)試和驗證任務(wù)等功能。

2.1 建立工程及端子設(shè)定

CubeSuite針對每個要實現(xiàn)的目標(biāo)系統(tǒng)建立一個工程，在該工程下實現(xiàn)軟硬件對接和完成相應(yīng)功能編碼。首先打開CubeSuite軟件運行環(huán)境，點擊“開始”菜單，在新建工程界面選擇點擊“建立新工程”，在“工程作成”界面里按照系統(tǒng)使用的硬件型號依次選擇MCU系列為78KOR，MCU型號為 uPD78F1166/A，保存的工程名以不帶漢字的日文、拼音字母和數(shù)字等標(biāo)識，最后選擇保存的路徑，然后點擊“作成”，此系統(tǒng)工程建立。工程建立后，該工程打開在當(dāng)前窗口，分為左右兩欄，左欄為樹形結(jié)構(gòu)硬件及接口選擇和編碼模塊選擇，右欄為接口詳細設(shè)置和編程主窗口。

首先在左欄的端子配置表中，對照硬件設(shè)計中所用到的端子號進行端子名稱和輸入輸出配置。本設(shè)計按照所需的功能要求端口輸入輸出功能分別為：P50～P53端口對應(yīng) LED指示燈的 LED0～LED3輸出端口；P54～P57端口連接步進電機驅(qū)動芯片輸入控制；P70～P74端口為KEY按鍵輸入控制端口。端口分配并設(shè)置完成后執(zhí)行端子生成，各個端子的輸入輸出就明確地顯示在端子配置圖中。

2.2 編碼設(shè)計工具

編碼設(shè)計工具是從編輯軟件進入接口以后實現(xiàn)人機對話，對硬件的功能進行軟設(shè)置，以達到功能啟用，同時也可系統(tǒng)生成基礎(chǔ)編碼。在編碼設(shè)計工具中分別對系統(tǒng)設(shè)置、外部接口、A/D轉(zhuǎn)換器、計時器進行詳細設(shè)定，其他的外部總線、中斷、即時計數(shù)器設(shè)置、串行接口、D/A轉(zhuǎn)換器、蜂鳴器、Clock、DMA控制器等不需要設(shè)置的選擇不使用，進行關(guān)閉，各個編碼工具相應(yīng)的設(shè)定如下。

（1）系統(tǒng)設(shè)置中選擇電源電壓為2.7 V≤VDD≤5.5 V，高速內(nèi)置振蕩時鐘周波數(shù)為8 MHz，CPU時鐘為4 000 kHz，端子選擇1線模式。

（2）外部端口設(shè)定中設(shè)置P50～P53端口為輸出端口；P54～P57端口連接步進電機驅(qū)動芯片輸入控制；P70～P74端口為KEY按鍵輸入控制端口。

（3）A/D轉(zhuǎn)換器中設(shè)置動作為停止，選擇基準(zhǔn)電壓為4.4 V≤VDD≤5.5 V，A/D中斷許可優(yōu)先為低位。

（4）計時器通道開通通道0、通道 2和通道4這 3個通道，并設(shè)定了每個通道的中斷間隔時間。

硬件接口功能設(shè)定完成后要在相對應(yīng)的部分進行C語言編碼，軟硬件結(jié)合實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

2.3 編程實現(xiàn)

微控制器上電后開始中斷初始化，并且設(shè)定寄存器及電機控制模型初值，此時電機不轉(zhuǎn)動，LED指示燈全部熄滅；若有鍵按下，則執(zhí)行中斷服務(wù)程序判別鍵值[6]，根據(jù)鍵值來執(zhí)行相應(yīng)的子程序，通過控制器對控制臺的參數(shù)進行采集，通過對采集的數(shù)據(jù)分析處理來改變控制模型及寄存器值以控制步進電機的方向和速度，同時將相應(yīng)的信號輸入到驅(qū)動器中，再通過驅(qū)動器控制電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速和減速，根據(jù)LED指示燈信號閃爍顯示電機的工作狀態(tài)。

本文主要闡述了以節(jié)能環(huán)保型瑞薩MCU主控芯片為核心，結(jié)合東芝驅(qū)動能力強大電機驅(qū)動器TD6238AFG和TA7774FG，設(shè)計實現(xiàn)了一種步進電機控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)按鍵控制和調(diào)整步進電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向；同時利用軟件編程能夠設(shè)置多個占空比不同的脈沖，使得電機轉(zhuǎn)速可以逐步增大或減??；并通過LED指示燈顯示電機的工作狀態(tài)，便于觀察和識別。其人性化設(shè)計以及更優(yōu)性價比產(chǎn)品在市場上的投入使用，將為中國智能低碳社會的建設(shè)做出積極貢獻。

[1]孟武勝，李亮.基于AT89C52單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微電機，2007（3）：64-66.

[2]瑞薩電子.瑞薩 16位 R8C/TINY系列 MCU[J].世界電子元器件，2005（4）：91-94.

[3]鄭寶瑞，陸仲達.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研制[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2010，26（4）：46-49.

[4]王嘯東.基于單片機的步進電機驅(qū)動方法研究[J].科學(xué)之友，2010（10）：31-32.

[5]適用于微控制器的CubeSuite+集成型開發(fā)環(huán)境[J].電子制作，2011（7）.

[6]牛甲，熊剛，郭東平.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].硅谷，2011（20）：71.