基于PIC16F873單片機的步進電機控制系統(tǒng)

 引 言
    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用在各種不同的運動控制系統(tǒng)中。
    在實際應用中，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、軟件抗干擾技術措施。可以通過鍵盤輸入數(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，實時設置與顯示步進電機的工作方式。

1 控制系統(tǒng)總體方案設計
    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 硬件電路設計
2．1 控制電路設計
    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。能夠滿足該設計的要求，而且減少硬件電路的設計，提高工作效率。單片機的外部引腳定義以及在該設計的資源分布如圖2所示。

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    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。
    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．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作用。
2．3 顯示與按鍵處理電路
    在單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤顯示接口技術已經(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)構簡化，極易形成用戶的模塊化結(jié)構。現(xiàn)代單片機應用系統(tǒng)廣泛采用串行擴展技術。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)榈碗娖胶螅珼IO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。
    應注意的是ZLG7289A應連接共陰式數(shù)碼管，在應用中無需用到的數(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。
    本電路設計中僅采用4×4鍵盤和4位數(shù)碼管，已完全滿足設計需要。PIC16F873單片機與ZLG7289接口示意如圖4所示。

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2．4 硬件電路抗干擾設計
2．4．1 PCB的抗干擾設計
    (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)字地與模擬地應分開布線、單點連接。
2．4．2 電機驅(qū)動電路的抗干擾設計
    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 軟件設計
3．1 加減速優(yōu)化設計
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)矩與頻率的關系：
  
    這種近似的關系要根據(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，設置檢驗標志，應用程序定期檢查各標志位，若標志正確，相應功能程序繼續(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)構設計
    軟件部分采用模塊化結(jié)構設計。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、過流檢測中斷服務子程序、定時器中斷服務子程序、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。