基于PIC16F873單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)具有功能靈活多樣，脈沖輸出準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制，其系統(tǒng)成本較低，近些年來(lái)已被廣泛應(yīng)用在各種不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，若步進(jìn)電機(jī)在升降速時(shí)，脈沖頻率的變化不合理，就會(huì)使電機(jī)失步或者過(guò)沖，使系統(tǒng)無(wú)法做到精確定位；同時(shí)，由于系統(tǒng)快速性的要求，電機(jī)需要很快地完成加減速過(guò)程。

　　這里設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，分析快速性最好的指數(shù)型加減速曲線在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用規(guī)律，提出了一種升降速曲線的優(yōu)化方法，采用了硬件、軟件抗干擾技術(shù)措施?？梢酝ㄟ^(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)與指令，并能通過(guò)旋鈕方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)調(diào)速，實(shí)時(shí)設(shè)置與顯示步進(jìn)電機(jī)的工作方式。

　　1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)功能原理示意圖如圖1所示。

　　在該系統(tǒng)中由單片機(jī)直接輸出電機(jī)的各相控制脈沖序列，光耦進(jìn)行必要的光電隔離，采用分立元件構(gòu)成功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。鍵盤接口與LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實(shí)現(xiàn)。既可使用按鍵輸入的方式精確設(shè)置電機(jī)的工作方式與轉(zhuǎn)速，也可以通過(guò)調(diào)速旋鈕實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能通過(guò)上位微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)工作方式的調(diào)整與控制。2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2．1 控制電路設(shè)計(jì)

　　控制芯片采用PIC16F873，該單片機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)，超低功耗。芯片自帶硬件看門狗，具有高速SPI通信端口，6通道10位A／D轉(zhuǎn)換，2路PWM輸出，8 KB容量的FLASH存儲(chǔ)器，368 B容量的SRAM，3個(gè)定時(shí)器，1個(gè)SPI串行通信口。由于單片機(jī)內(nèi)部的資源豐富，性價(jià)比高。能夠滿足該設(shè)計(jì)的要求，而且減少硬件電路的設(shè)計(jì)，提高工作效率。單片機(jī)的外部引腳定義以及在該設(shè)計(jì)的資源分布如圖2所示。

　　RA0口外接4．7 kΩ的可調(diào)電位器，利用單片機(jī)內(nèi)部的模／數(shù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進(jìn)而控制輸出脈沖頻率的高低，完成步進(jìn)電機(jī)速度的“連續(xù)”調(diào)節(jié)。過(guò)流檢測(cè)的結(jié)果直接引入到RB6，通過(guò)中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的快速控制。

　　2．2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　功率MOSFET管的部分驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

　　由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對(duì)該管的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際表現(xiàn)為對(duì)柵極電容的充、放電。圖中電路的設(shè)計(jì)可改進(jìn)功率MOSFET管的快速開(kāi)通時(shí)間，減少在前級(jí)門電路上的功耗，提高了驅(qū)動(dòng)電流的前后沿陡度，能夠改善高頻響應(yīng)。

　　柵源間過(guò)壓保護(hù)齊納二極管的穩(wěn)壓值為15 V。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會(huì)通過(guò)極間電容藕合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VGS脈沖電壓。這一電壓會(huì)引起柵源擊穿造成管子的永久損壞，如果是正方向的VGS脈沖電壓，雖然達(dá)不到損壞器件的程度，但會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20 V的齊納二極管，防止柵源開(kāi)路工作。

　　為了抑制功率管內(nèi)的快恢復(fù)二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)．在電路中接入4只快恢復(fù)二極管。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)二極管的作用是為電機(jī)相繞組提供續(xù)流通路，其余2只是為了使功率MOSFET管內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過(guò)反向電流，以保證功率MOSFET管在動(dòng)態(tài)工作時(shí)能起正常的開(kāi)關(guān)作用。

　　2．3 顯示與按鍵處理電路

　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤顯示接口技術(shù)已經(jīng)比較成熟，相對(duì)于并行方式，串行擴(kuò)展接線靈活，占用單片機(jī)資源少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，極易形成用戶的模塊化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行擴(kuò)展技術(shù)。ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。ZLG7289A采用串行方式與微處理器通信。串行數(shù)據(jù)從。DIO引腳送入芯片，并由CLK端同步。當(dāng)選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶螅珼IO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫(xiě)入ZLG7289A的緩沖寄存器。

　　應(yīng)注意的是ZLG7289A應(yīng)連接共陰式數(shù)碼管，在應(yīng)用中無(wú)需用到的數(shù)碼管和鍵盤可以不連接，省去數(shù)碼管和對(duì)數(shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會(huì)影響鍵盤的使用。整個(gè)電路無(wú)需添加鎖存器、驅(qū)動(dòng)器、寄存器等，耗電較小，軟件設(shè)計(jì)中也無(wú)需進(jìn)行顯示譯碼，省去了靜態(tài)顯示擴(kuò)展芯片，大大節(jié)省了MCU的占用時(shí)間，因而使用更方便，適于推廣。

　　本電路設(shè)計(jì)中僅采用4×4鍵盤和4位數(shù)碼管，已完全滿足設(shè)計(jì)需要。PIC16F873單片機(jī)與ZLG7289接口示意如圖4所示。