基于PIC16F873單片機的步進電機控制系統(tǒng)
單片機控制步進電機具有功能靈活多樣,脈沖輸出準確,實時性強等特點,通過軟件設(shè)計可以實現(xiàn)各種復雜的控制,其系統(tǒng)成本較低,近些年來已被廣泛應(yīng)用在各種不同的運動控制系統(tǒng)中。
在實際應(yīng)用中,若步進電機在升降速時,脈沖頻率的變化不合理,就會使電機失步或者過沖,使系統(tǒng)無法做到精確定位;同時,由于系統(tǒng)快速性的要求,電機需要很快地完成加減速過程。
這里設(shè)計了基于PIC單片機的步進電機控制系統(tǒng),分析快速性最好的指數(shù)型加減速曲線在實際系統(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^鍵盤輸入數(shù)據(jù)與指令,并能通過旋鈕方便地實現(xiàn)電機的連續(xù)調(diào)速,實時設(shè)置與顯示步進電機的工作方式。
1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計
系統(tǒng)功能原理示意圖如圖1所示。
在該系統(tǒng)中由單片機直接輸出電機的各相控制脈沖序列,光耦進行必要的光電隔離,采用分立元件構(gòu)成功率MOSFET管驅(qū)動電路,帶動電機轉(zhuǎn)動。鍵盤接口與LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實現(xiàn)。既可使用按鍵輸入的方式精確設(shè)置電機的工作方式與轉(zhuǎn)速,也可以通過調(diào)速旋鈕實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié),還能通過上位微機實現(xiàn)對電機工作方式的調(diào)整與控制。2 硬件電路設(shè)計
2.1 控制電路設(shè)計
控制芯片采用PIC16F873,該單片機具有抗干擾能力強,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存儲器,368 B容量的SRAM,3個定時器,1個SPI串行通信口。由于單片機內(nèi)部的資源豐富,性價比高。能夠滿足該設(shè)計的要求,而且減少硬件電路的設(shè)計,提高工作效率。單片機的外部引腳定義以及在該設(shè)計的資源分布如圖2所示。
RA0口外接4.7 kΩ的可調(diào)電位器,利用單片機內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,進而控制輸出脈沖頻率的高低,完成步進電機速度的“連續(xù)”調(diào)節(jié)。過流檢測的結(jié)果直接引入到RB6,通過中斷實現(xiàn)對電流的快速控制。
2.2 驅(qū)動電路設(shè)計
功率MOSFET管的部分驅(qū)動電路如圖3所示。
由于功率MOSFET管柵極電容的存在,對該管的驅(qū)動電流實際表現(xiàn)為對柵極電容的充、放電。圖中電路的設(shè)計可改進功率MOSFET管的快速開通時間,減少在前級門電路上的功耗,提高了驅(qū)動電流的前后沿陡度,能夠改善高頻響應(yīng)。
柵源間過壓保護齊納二極管的穩(wěn)壓值為15 V。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高,工作于開關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會通過極間電容藕合到柵極而產(chǎn)生相當幅度的VGS脈沖電壓。這一電壓會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,雖然達不到損壞器件的程度,但會導致器件的誤導通。為此,要適當降低柵極驅(qū)動電路的阻抗,在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20 V的齊納二極管,防止柵源開路工作。
為了抑制功率管內(nèi)的快恢復二極管出現(xiàn)反向恢復效應(yīng).在電路中接入4只快恢復二極管。其中,反并聯(lián)快恢復二極管的作用是為電機相繞組提供續(xù)流通路,其余2只是為了使功率MOSFET管內(nèi)部的快恢復二極管不流過反向電流,以保證功率MOSFET管在動態(tài)工作時能起正常的開關(guān)作用。
2.3 顯示與按鍵處理電路
在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中,鍵盤顯示接口技術(shù)已經(jīng)比較成熟,相對于并行方式,串行擴展接線靈活,占用單片機資源少,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,極易形成用戶的模塊化結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)代單片機應(yīng)用系統(tǒng)廣泛采用串行擴展技術(shù)。ZLG7289A是具有SPI串行接口功能的可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立LED的智能顯示驅(qū)動芯片。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。當選信號變?yōu)榈碗娖胶?,DIO引腳上的數(shù)據(jù)在CLK引腳的上升沿被寫入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)用中無需用到的數(shù)碼管和鍵盤可以不連接,省去數(shù)碼管和對數(shù)碼管設(shè)置消隱屬性均不會影響鍵盤的使用。整個電路無需添加鎖存器、驅(qū)動器、寄存器等,耗電較小,軟件設(shè)計中也無需進行顯示譯碼,省去了靜態(tài)顯示擴展芯片,大大節(jié)省了MCU的占用時間,因而使用更方便,適于推廣。
本電路設(shè)計中僅采用4×4鍵盤和4位數(shù)碼管,已完全滿足設(shè)計需要。PIC16F873單片機與ZLG7289接口示意如圖4所示。
2.4 硬件電路抗干擾設(shè)計
2.4.1 PCB的抗干擾設(shè)計
(1)當集成電路在工作狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時,其工作電流的變化很大。集成電路電源線的電感會阻止電流的瞬態(tài)變化,從而影響集成電路的響應(yīng)速度。與此同時集成電路芯片的瞬態(tài)變化電流流過環(huán)路面積較大電源線路時,將會產(chǎn)生較為強烈的對外輻射噪聲。由于各集成電路很可能會流經(jīng)相同的線路,在此線路上存在較大的公共阻抗,從而產(chǎn)生較嚴重的阻抗耦合干擾。除電源系統(tǒng)輸出端采用電解電容與高頻瓷片電容并聯(lián)去耦外,還應(yīng)包括MCU與數(shù)字集成電路去耦、電源走線末端去耦等措施。具體做法如下:電源輸入端接10~100μF的電解電容。在集成電路的電源輸入端和接地端之間接0.01μF陶瓷電容。在VCC與電源地之間安放一個O.1μF的瓷片去耦電容。
(2)合理布線是提高單片機系統(tǒng)抗干擾的最主要措施。電源系統(tǒng)在PCB上的走線較長,當電磁噪聲感應(yīng)到電源系統(tǒng),將可能導致系統(tǒng)內(nèi)諸如觸發(fā)器、反向器等電路的狀態(tài)改變,從而使系統(tǒng)產(chǎn)生誤動作。另一方面,電源系統(tǒng)上產(chǎn)生的快變大電流,也可能產(chǎn)生電磁能量的發(fā)送。設(shè)計時可按下列原則布線:電源線盡可能與地線平行,以減小供電環(huán)路面積,減小電源噪聲的產(chǎn)生。對大電流的走線,盡可能將它們的寬度加粗,使傳輸壓降減到最低。將不同電路功能區(qū)域的地分開走線,最后匯到主接觸地點。數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開布線、單點連接。
2.4.2 電機驅(qū)動電路的抗干擾設(shè)計
為了防止電機產(chǎn)生的噪聲引起干擾,將單片機定時控制電路和電機控制電路分成2塊電路板,這樣有利于抗干擾,并提高電控板的可靠性。電機驅(qū)動信號由PIC16F873智能運算后加至電機驅(qū)動器,通過電平轉(zhuǎn)換芯片輸出。MCU的幾個輸出端口加接的光電耦合電路“耦合”兩邊的“地”分割開來。電機的電源引線不要和其他引線捆扎在一起,避免繞過或覆蓋電控板上的元器件而產(chǎn)生對復位信號的干擾,引起單片機死機。
3 軟件設(shè)計
3.1 加減速優(yōu)化設(shè)計
3.1.1 指數(shù)型加減速優(yōu)化控制方法
步進電機運行時一定滿足動力學方程:
式中:θ為步距角;J為轉(zhuǎn)動慣量;Tl為負載轉(zhuǎn)矩;Tm為輸出轉(zhuǎn)矩;f為頻率。
每個頻率下的最大輸出力矩可以由電機矩頻特性曲線得到,但是一般的矩頻特性曲線是整體呈下降趨勢的非線性曲線,不便于計算;所以在一定的頻率范圍內(nèi),采用直線來近似擬合它的特性,得到電機的輸出轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系:
這種近似的關(guān)系要根據(jù)電機自身的矩頻特性曲線和一定頻率范圍內(nèi)曲線的特性來確定。Tm0為電機的最大轉(zhuǎn)矩,α為擬和直線的斜率。對于不同的電機和在不同的頻率范圍內(nèi),也可用二次函數(shù)或其他的函數(shù)近似表示它們之間的關(guān)系。利用直線擬合矩頻特性,通過牛頓跌代法和Matlab中的m-file編程,可計算得到加減速運行時每步所走的速度臺階,即步進電機的指數(shù)型加減速運行曲線。
3.1.2 提出新優(yōu)化方法
由上面的理論方法得到的理論加減速曲線,對于負載比較大的系統(tǒng),所需的加減速臺階數(shù)過多,過程復雜,消耗了大量的系統(tǒng)資源,同時步進電機也出現(xiàn)了明顯的失步情況,其原因在于每個速度只運行一步,還沒有完全穩(wěn)定就運行到更高的速度,從而造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通過在實際工作中的經(jīng)驗,提出了一種升降速曲線的優(yōu)化方法:電機的加減速趨勢采用理論計算得到的指數(shù)加減速曲線趨勢;上升和下降的臺階數(shù)分別取相應(yīng)的理論優(yōu)化曲線的一半,然后每個上升臺階走5步,每個下降臺階走3步,這樣就可以保證電機正常運行,而且有較快的速度,同時減少了運行的臺階數(shù),使曲線更簡單;同時即使負載有少量的變化,電機也可以正常運行,使系統(tǒng)的魯棒性更好。
3.2 軟件中的抗干擾設(shè)計
3.2.1 “看門狗”程序
采用“看門狗”程序,防止單片機系統(tǒng)因干擾而產(chǎn)生持續(xù)異常甚至導致元器件和外圍部件的損壞。“看門狗”必須在開機復位后,初始化前被激活,并且必須設(shè)置在主程序中,盡量避免放在中斷程序或子程序中。
3.2.2 標志檢測程序
單片機系統(tǒng)受干擾而導致出錯后,若無法自動恢復,通常是由于RAM區(qū)數(shù)據(jù)被破壞的緣故。因此,可以利用數(shù)據(jù)RAM單元,設(shè)置檢驗標志,應(yīng)用程序定期檢查各標志位,若標志正確,相應(yīng)功能程序繼續(xù)運行;否則,進入初始化程序。
3.2.3 未使用存儲器與中斷地址的處理程序
若程序計數(shù)器出錯而跳轉(zhuǎn)到MCU的未用程序存儲器空間,程序?qū)凑掌渲械闹噶畲a運行,會產(chǎn)生異常。處理辦法有2種:填寫軟件中斷指令,程序計數(shù)器落人該區(qū)域時,產(chǎn)生軟件中斷,將程序?qū)腩A定的程序入口地址;填寫空操作指令,并最終跳轉(zhuǎn)到初始化程序。
3.3 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計
軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。對步進電機轉(zhuǎn)速的控制是通過定時器工作在中斷方式實現(xiàn)的。定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列,不是采用軟件延時的方式,這樣不占用MCU的時間。MCU在非中斷時間內(nèi)可以處理其他事件,只有在中斷發(fā)生時才驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動一步。根據(jù)步進電機勵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換,采用查表法求出所需的輸出狀態(tài),并以二進制碼的形式依次存人單片機內(nèi)部的存儲器中,然后按照正向或反向順序依次取出地址的狀態(tài)字,送給PIC16F873的RA1,RA2,RA3,RA4,輸出各勵磁狀態(tài),經(jīng)放大電路驅(qū)動步進電機,從而實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能。程序總體框架包括3部分:主程序、過流檢測中斷服務(wù)子程序、定時器中斷服務(wù)子程序、以及其他子程序(包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)子程序、鍵盤顯示控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序等),由于篇幅限制,在此不再贅述。
4 結(jié)語
在電機控制系統(tǒng)開發(fā)過程中,如果恰當?shù)剡x取單片機的型號及各個電路模塊,則一定能夠簡化設(shè)計過程,起到事半功倍的效果。該步進電機控制系統(tǒng)采用PIC1 6F873單片機,工作方式、轉(zhuǎn)動速率及轉(zhuǎn)矩數(shù)可以通過鍵盤輸入,也可通過普通旋鈕以及上位機調(diào)節(jié)。鍵盤與LED控制部分采用具有SPI接口的ZLG7289實現(xiàn),簡化了硬件電路。采用硬件、軟件抗干擾技術(shù)措施和一種升降速曲線的優(yōu)化方法,解決了步進電機在升降速過程中,脈沖頻率的變化不合理,使系統(tǒng)無法做到精確定位的問題。系統(tǒng)工作可靠,具有通用性,適當改變輸出口各位控制端,便可控制不同相數(shù)的步進電機。