基于PIC16F873單片機的步進電機控制系統

黃 法,孔秀華

摘 要: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,已被越來越廣泛地應用在各種不同的運動控制系統中。該設計使用PIC16F873單片機,可以通過鍵盤輸入數據與指令,并能通過旋鈕方便地實現電機的連續調速,實時設置與顯示步進電機的工作方式。采用一種升降速曲線的優化方法,解決步進電機在升降速過程中脈沖頻率的變化不合理,使系統無法做到精確定位的問題;優化步進電機的驅動電路,采用硬件、軟件抗干擾技術措施,使整個系統工作穩定可靠。

關鍵詞:PIC16F873;ZLG7289A;升降速曲線的優化;抗干擾技術;控制系統

中圖分類號:TM383.6;TP368.1 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-175-04

Stepping Motor Control System Based on PIC16F873 MCU

HUANG Fa1,KONG Xiuhua2

(1.Training Center for Vocational Skills,Weihai Vocational College,Weihai,264210,China;

2.Shandong Jiaotong University,Weihai,264200,China)

Abstract:Stepping motor controlled by single chip computer is applied widely in various motion control system because of the characteristics of flexible function,accurate outputting pluse and strong real-time etc.PIC16F873 is used in the design,stepping motor speed can be changed by data and instructions entered through the keyboard and can be continuously changed by rotating button,working mode and setting of motor is real-time displayed.The variation of unreasonable pulse frequency causes the matter that system can not realize accurate location in the course ofrise and fall-speed of stepping motor.The matter is solved by adopting an optimized method.Driving circuit of stepping motor is optimized,anti-interference technique is adopted in software and hardware.The whole system runs stably and reliably.

Keywords:PIC16F873;ZLG7289A;optimization of the rise and fall-speed;anti-interference technique;control system

0 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各種復雜的控制,其系統成本較低,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,使系統無法做到精確定位;同時,由于系統快速性的要求,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,分析快速性最好的指數型加減速曲線在實際系統中的應用規律,提出了一種升降速曲線的優化方法,采用了硬件、軟件抗干擾技術措施。可以通過鍵盤輸入數據與指令,并能通過旋鈕方便地實現電機的連續調速,實時設置與顯示步進電機的工作方式。

1 控制系統總體方案設計

系統功能原理示意圖如圖1所示。

圖1 系統功能原理示意圖

在該系統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管驅動電路,帶動電機轉動。鍵盤接口與LED顯示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289實現。既可使用按鍵輸入的方式精確設置電機的工作方式與轉速,也可以通過調速旋鈕實現電機轉速的連續調節,還能通過上位微機實現對電機工作方式的調整與控制。

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。

圖2 PIC16F873單片機外部引腳分布

RA0口外接4.7 kΩ的可調電位器,利用單片機內部的模/數轉換功能轉換成數字量,進而控制輸出脈沖頻率的高低,完成步進電機速度的“連續”調節。過流檢測的結果直接引入到RB6,通過中斷實現對電流的快速控制。

2.2 驅動電路設計

功率MOSFET管的部分驅動電路如圖3所示。

圖3 由分立元件構成的功率MOSFET管驅動電路

由于功率MOSFET管柵極電容的存在,對該管的驅動電流實際表現為對柵極電容的充、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壓值為15 V。功率MOSFET管柵源間的阻抗很高,工作于開關狀態下的漏源間電壓的突變會通過極間電容藕合到柵極而產生相當幅度的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,要適當降低柵極驅動電路的阻抗,在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩壓值小于20 V而又接近20 V的齊納二極管,防止柵源開路工作。

為了抑制功率管內的快恢復二極管出現反向恢復效應,在電路中接入4只快恢復二極管。其中,反并聯快恢復二極管的作用是為電機相繞組提供續流通路,其余2只是為了使功率MOSFET管內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

在單片機應用系統中,鍵盤顯示接口技術已經比較成熟,相對于并行方式,串行擴展接線靈活,占用單片機資源少,系統結構簡化,極易形成用戶的模塊化結構。現代單片機應用系統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動8位共陰式數碼管或64只獨立LED的智能顯示驅動芯片。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。串行數據從DIO引腳送入芯片,并由CLK端同步。當選信號變為低電平后,DIO引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫入ZLG7289A的緩沖寄存器。

應注意的是ZLG7289A應連接共陰式數碼管,在應用中無需用到的數碼管和鍵盤可以不連接,省去數碼管和對數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,省去了靜態顯示擴展芯片,大大節省了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。

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翻轉時,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變化電流流過環路面積較大電源線路時,將會產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相同的線路,在此線路上存在較大的公共阻抗,從而產生較嚴重的阻抗耦合干擾。除電源系統輸出端采用電解電容與高頻瓷片電容并聯去耦外,還應包括MCU與數字集成電路去耦、電源走線末端去耦等措施。具體做法如下:電源輸入端接10~100 μF的電解電容。在集成電路的電源輸入端和接地端之間接0.01 μF陶瓷電容。在Vcc與電源地之間安放一個0.1 μF的瓷片去耦電容。

圖4 PIC16F873單片機與ZLG7289接口示意圖

(2) 合理布線是提高單片機系統抗干擾的最主要措施。電源系統在PCB上的走線較長,當電磁噪聲感應到電源系統,將可能導致系統內諸如觸發器、反向器等電路的狀態改變,從而使系統產生誤動作。另一方面,電源系統上產生的快變大電流,也可能產生電磁能量的發送。設計時可按下列原則布線:電源線盡可能與地線平行,以減小供電環路面積,減小電源噪聲的產生。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。將不同電路功能區域的地分開走線,最后匯到主接觸地點。數字地與模擬地應分開布線、單點連接。

2.4.2 電機驅動電路的抗干擾設計

為了防止電機產生的噪聲引起干擾,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。電機驅動信號由PIC16F873智能運算后加至電機驅動器,通過電平轉換芯片輸出。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 加減速優化設計

3.1.1 指數型加減速優化控制方法

步進電機運行時一定滿足動力學方程:

Jθdf/dt+Dθf+Tl

式中:θ為步距角;J為轉動慣量;Tl為負載轉矩;Tm為輸出轉矩;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,采用直線來近似擬合它的特性,得到電機的輸出轉矩與頻率的關系:

Tm=Tm0-af

這種近似的關系要根據電機自身的矩頻特性曲線和一定頻率范圍內曲線的特性來確定。Tm0為電機的最大轉矩,a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,也可用二次函數或其他的函數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,即步進電機的指數型加減速運行曲線。

3.1.2 提出新優化方法

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,所需的加減速臺階數過多,過程復雜,消耗了大量的系統資源,同時步進電機也出現了明顯的失步情況,其原因在于每個速度只運行一步,還沒有完全穩定就運行到更高的速度,從而造成了系統的不穩定。

通過在實際工作中的經驗,提出了一種升降速曲線的優化方法:電機的加減速趨勢采用理論計算得到的指數加減速曲線趨勢;上升和下降的臺階數分別取相應的理論優化曲線的一半,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,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,防止單片機系統因干擾而產生持續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

單片機系統受干擾而導致出錯后,若無法自動恢復,通常是由于RAM區數據被破壞的緣故。因此,可以利用數據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

若程序計數器出錯而跳轉到MCU的未用程序存儲器空間,程序將按照其中的指令代碼運行,會產生異常。處理辦法有2種:填寫軟件中斷指令,程序計數器落入該區域時,產生軟件中斷,將程序導入預定的程序入口地址;填寫空操作指令,并最終跳轉到初始化程序。

3.3 模塊化結構設計

軟件部分采用模塊化結構設計。對步進電機轉速的控制是通過定時器工作在中斷方式實現的。定時器定時中斷產生周期性脈沖序列,不是采用軟件延時的方式,這樣不占用MCU的時間。MCU在非中斷時間內可以處理其他事件,只有在中斷發生時才驅動步進電機轉動一步。

根據步進電機勵磁狀態轉換,采用查表法求出所需的輸出狀態,并以二進制碼的形式依次存入單片機內部的存儲器中,然后按照正向或反向順序依次取出地址的狀態字,送給PIC16F873的RA1,RA2,RA3,RA4,輸出各勵磁狀態,經放大電路驅動步進電機,從而實現環形分配器的功能。

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、反轉子程序、鍵盤顯示控制子程序、A/D轉換子程序等),由于篇幅限制,在此不再贅述。

4 結 語

在電機控制系統開發過程中,如果恰當地選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采用PIC16F873單片機,工作方式、轉動速率及轉矩數可以通過鍵盤輸入,也可通過普通旋鈕以及上位機調節。鍵盤與LED控制部分采用具有SPI接口的ZLG7289實現,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,使系統無法做到精確定位的問題。系統工作可靠,具有通用性,適當改變輸出口各位控制端,便可控制不同相數的步進電機。

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