单片机控制步进电机设计方案

1、单片机控制步进电机的设计 n 步进电机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，它能将数字信 号直接转换成角位移或线位移，驱动速度和指令脉冲能严格同步，具 有较高的定位精度，控制系统成本低廉，在经济型数控机床等领域应 用广泛。这里针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，采用超 强抗干扰、小巧低功耗的工业级 STC12C系列单片机，充分利用单片 机内部的硬件资源，设计实用的步进电机控制和驱动系统。 1、控制系统总体方案设计 系统功能原理示意图如图1所示。 图I 系统功能原理示意图 Ji- con 在该系统中由单片机直接输出电机的各相控制脉冲序列，光耦进行 必要的光电隔离，采用分立元件构成功率.MO

2、SFE管驱动电路，带动 电机转动。键盘接口与 LED显示功能由具有 SPI串行接口功能的 ZLG7289实现。既可使用按键输入的方式精确设置电机的工作方式与 转速，也可以通过调速旋钮实现电机转速的连续调节， 还能通过上位 机实现对电机工作方式的调整与控制。 2、硬件电路设计 2.1控制电路设计 控制芯片采用STC12C4052AD它是1个时钟/机器周期的单片机， 速度比普通的8051单片机快812倍，有20个引脚且为小巧封装。 该单片机具有超强抗干扰，抗静电的特点，能轻松通过4 kV快速脉 冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2.77 mA芯 片自带硬件看门狗，具有高速 SPI通信端

3、口，8通道8位A/D转换， 2路PWM输出，4 KB容量的FLASH存储器，256 B容量的SRAM 4个 定时器，1个全双工串行通信口。由于单片机内部的资源丰富，性价 比高，能够满足该设计的要求，而且减少了硬件电路的设计，提高了 工作效率。单片机的外部引脚定义，及其在该设计中的资源分布如图 2所示。 -r-rHl 熔1 VCC RDPJO Pl SCIK/ADTT 1 P1 IISOADCfi PI $血0制心DC負 XTAL1 Pl 4/SSJAIC4 IXTGPJ 2 P3JXADCJ INTl/PJ 3 fl 鉀DQ ECtTOT? 4 PI l/ADCI inmiCak.T|耐弓Pi

4、巾 (ND ph卩认3“ 时忡呢鬲匚 h电進 ZI.G72B9 k农逵啟惻 艸劃瞧沖 f TTV 團2 STC124052 ?)单片枫外部和曲令车 P1.4(ADC4) 口外接4.7 k Q的可调电位器，利用单片机内部的模/ 数转换功能转换成数字量，进而控制输出脉冲频率，完成步进电机速 度的“连续”调节。过流检测的结果直接引入到外部中断 0,实现对 电流的快速控制。 2.2驱动电路设计 功率MOSFE管的部分驱动电路如图3所示。该电路的设计可改进功 率MOSFE管的快速开通时间，提高了驱动电流的前后沿陡度，能够 改善高频响应。功率 MOSFE管栅源间的阻抗很高，工作于开关状态 下漏源间电压的突

5、变会通过极间电容耦合到栅极，产生相当幅度的 VGS脉冲电压。正方向的VGS脉冲电压可能会导致器件的误导通。为 此,需要适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源之间并接阻尼电阻或 接一个稳压值小于20 V，而又接近20 V的齐纳二极管，以防止栅源 开路工作。 ZS 电机绕机 图3 由仝也元件枸成的功率MOSFFT管殛动电路 为了抑制功率管内的快恢复，二极管出现反向恢复效应，在电路中 接入4只快恢复二极管。其中，反并联快恢复二极管的作用是为电机 相绕组提供续流通路，其余2只是为了使功率MOSFE管内部的快恢 复二极管不流过反向电流，以保证功率 MOSFE管在动态工作时能起 到正常的开关的作用。 2.3显

6、示与按键处理电路 在单片机应用系统中，典型的键盘显示接口电路由基于并行扩展技 术的8155, 8279构成控制电路。现代单片机应用系统广泛采用串行 扩展技术。相对于并行方式，串行扩展接线灵活，占用单片机资源少。 ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同时驱动 8位数码管或64 只独立LED的智能显示驱动芯片，单片即可完成显示、键盘接口的全 部功能。采用串行方式与微处理器通信，数据从DIO引脚送入芯片， 并由CLK端同步。当选信号变为低电平后，DIO引脚上的数据在CLK 引脚的上升沿被写入ZLG7289A的缓冲寄存器。图4是ZLG7289的典 型应用。ZLG7289A连接共阴式数码管，应用

7、中不需要的数码管与键 盘可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性， 这均不会影响 键盘的使用。整个电路无需添加锁存器和驱动器，耗电少，软件设计 中无需编写显示译码程序，省去了静态显示扩展芯片，大大节省了 CPU的时间。该电路设计中仅采用 4X4键盘和4位数码管，已完全 满足设计需要。 -9- rjn to wrtt ftyl V(T MT GM? 川二- K l：1- r rs Did ILK DtLM tnni Ui IMrl SJ mra if l W 强島 皿a r I町加 IOkQ r-kC IVT 三 IDkLl uni 3、软件设计 软件部分采用模块化结构设计。对步进电机转速的

8、控制是通过定时 器工作在中断方式实现的。定时器定时中断产生周期性脉冲序列， 不 是采用软件延时的方式，这样不占用 CPU勺时间。CPU在非中断时间 内可以处理其他事件，只有在中断发生时才驱动步进电机转动一步。 根据步进电机励磁状态转换，采用查表法求出所需的输出状态， 并以 二进制码的形式依次存入单片机内部的存储器中 ；然后按照正向或反 向顺序依次取出地址的状态字，送给 STC12C4052AD输出各励磁状 态，从而实现环形分配器的功能。 程序总体框架包括：主程序、过流检测中断服务子程序、定时器中 断服务子程序、以及其他子程序(包括正转、反转子程序、键盘显示 控制子程序、A/D转换子程序等)，由于篇幅限制，在此不一一叙述。 4、系统测试 该系统采用超强抗干扰，小巧低功耗的工业级STC12C4052A单片机 为控制核心，工作可靠性高，抗于扰能力强。系统测试在专门的检测 实验室内进行。利用群脉冲发生器(EFT-4001)、周波电压跌落发生器 (VDG-1105)、静电放电发生器(ESD-20)以及雷击浪涌发生器(SG-5006) 等专用仪器对系统的电压变化抗扰度、快速瞬变脉冲群抗扰度、抗静 电和雷击浪涌等参数进行检测。经过实验，系统功能正常，所有参数 均已达标。 5、结语 电子技术发展日新月异，新型单片机层出不穷。在电机控制系统开 发过程中，如果恰当选取单片机以及各电路模