基于 XC866 的步進(jìn)電機(jī)閥門(mén)控制系統(tǒng)

據(jù)MC Ivaine公司最近出版的《世界市場(chǎng)報(bào)告》，世界工業(yè)閥門(mén)市場(chǎng)將由2010年的440億美元，增長(zhǎng)到2015年的520億美元。閥門(mén)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，對(duì)閥門(mén)控制技術(shù)提出了更高的要求。通常情況下，閥門(mén)用手動(dòng)調(diào)節(jié)，然而在某些比較惡劣環(huán)境條件下，手動(dòng)調(diào)節(jié)就顯得不太合適。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)閥門(mén)的控制不僅僅是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制，還涉及到開(kāi)度控制以及流量等各種關(guān)系控制。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)一種智能型的自動(dòng)閥門(mén)控制系統(tǒng)。鑒于步進(jìn)電機(jī)具有控制簡(jiǎn)便、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因此非常適合于單片機(jī)控制。近年來(lái)，利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)閥門(mén)控制的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種利用XC866單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，來(lái)調(diào)控閥門(mén)開(kāi)關(guān)角度的裝置。

步進(jìn)電機(jī)工作特性
步進(jìn)電機(jī)一般分為永磁式(PM)、反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）三種類(lèi)型。目前，二相混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計(jì)采用的正是二相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，不細(xì)分。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本原理與普通的永磁同步電動(dòng)機(jī)是相通的，它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是根據(jù)單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)進(jìn)行工作。二相步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二相步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由圖1可知，該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有A和B兩相繞組，由于感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特殊性。當(dāng)在A、B兩相繞組中通以對(duì)稱的正旋交流電時(shí)，將產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而如果按照的順序依次對(duì)繞組通以確定幅值的直流電，將產(chǎn)生4步一循環(huán)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)，步進(jìn)角度為90°。為了充分利用電動(dòng)機(jī)容量．增大輸出力距，二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)整步運(yùn)行通常采用的通電順序。此時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)通電順序反轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

設(shè)計(jì)方案
這里，利用英飛凌XC866單片機(jī)和外圍芯片組成的控制系統(tǒng)代替脈沖發(fā)生器和脈沖分配器,用軟件的方法控制單片機(jī)產(chǎn)生脈沖。設(shè)計(jì)一個(gè)閥門(mén)控制電壓采樣電路，用一個(gè)0～2.5V的電壓控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)程度，0V時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，2.5V時(shí)閥門(mén)完全打開(kāi)。單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生中斷對(duì)電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與前一次的數(shù)值做差。若差值超過(guò)允許的波動(dòng)范圍，則單片機(jī)會(huì)根據(jù)差值的正、負(fù)號(hào)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的脈沖數(shù)；再發(fā)送脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，增大或減小閥門(mén)的開(kāi)度。若電壓的差值在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，則單片機(jī)不發(fā)送脈沖，閥門(mén)靜止不動(dòng)。

1 主控芯片XC866簡(jiǎn)介
XC866單片機(jī)是英飛凌公司推出的8位微控制器XC800系列的第一款產(chǎn)品，它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、安全性能突出、片上資源豐富、工程開(kāi)發(fā)方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比非常突出。它的輸入/輸出口（I/O 口）可由3.3V 或5.0V 供電；內(nèi)核需2.5V 供電。主要特性包括：用來(lái)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)、帶有電機(jī)控制專用模式的捕獲/比較單元（CCU6）；具有如自動(dòng)掃描和結(jié)果累加（用于抗混迭濾波或結(jié)果平均）等特性。

XC866內(nèi)部集成了高性能的8051內(nèi)核以及功能強(qiáng)大的外設(shè)，對(duì)于熟悉51單片機(jī)的用戶，可以在較短的時(shí)間內(nèi)熟悉其性能，并利用其豐富的外設(shè)實(shí)現(xiàn)各種相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用。