基于单片机C8051F020 的数字多电机控制平台的设计

  ,硬件电路简单可靠,功率电路采用场效应管自行搭建,通用性较强,通过改写软件,可直接用于其它小功率

  步进电动机因具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差等特点,非常适合用于开环位置控制系统中。直流电机是伺服控制中常用的电机。然而在实际系统中为满足不同的功能往往同时存在多个运动部件,常用的方法是一个独立的功能对应一个控制系统,这样虽然模块性很好,但是占用了大量的系统资源和空间,也在一定程度上降低了系统的可靠性。

  如在某系统中存在4 个运动部件,分别为两台三相反应式步进电动机,一台直流电机和一台四相步进电动机的控制。本着提高系统集成度的想法,本文只用一个控制芯片C8051F020就完成了以上4 台电机的驱动控制,电路简单,可靠性高。

  基于Cygnal 公司的MCU 控制芯片C8051F020的多电机控制系统平台,能根据控制指令完成对四台电机的控制。组成框图如图1 所示。

  美国Cygnal 公司生产的C8051F020单片机使用CIP - 51 微控制器内核。与标准的8051 结构相比,它具有如下特点:

  ( 2) 除了4 个标准的8051 的端口外,还具有4 个附加端口,共64 个通用I /O 端口;

  ( 3) 所有I /O 端口均可配置为漏极开路或推挽输出,进一步向低功耗应用发展;

  ( 4) 引入数字交叉开关,允许用户自行组合通用I /O 端口和所需的数字资源;

  ( 5) 具有两个串行UART 接口,5 个16 位通用定时器,5个比较捕捉模块;

  ( 6) 具有片内看门狗、片内温度传感器和片内VDD 监视器,使用时几乎无需外扩;

  以其在执行速度、系统资源等方面的明显优势,成为本多电机控制系统非常理想的选择。2. 2 通讯电路

  根据与上位机的通讯协议,通讯接口采用标准双向差分RS - 422 串口通讯,工作电压为5 V,波特率为38 400 bit /s.C8051F020 系列MCU 内部有两个增强型全双工UART,通讯协议为RS - 232,工作电压也为5 V.因此选用了MAX490 器件,MAX490芯片可以很方便地将上位机的RS422 差分信号转为单片机的串口信号。具体电路如图2 所示。

  设计步进电动机的控制可采用串行控制,采用环形分配器来完成换相。也可以采用并行控制,由单片机完成步进电动机的换相,在系统资源够用的情况下,采用并行控制可以简化设计电路。本系统采用了并行控制,由软件控制单片机的I /O 端口输出按一定时序的PWM 波,来控制电机绕组通断电。

  电机属于感性负载,电机绕组中的电流不能突变,抱闸电机原理电机由A 相换到B 相之后,若没有保护电路,A相绕组中的电流将保持相当长的时间,这样电机运行很不平稳。为了使电机运行平稳,在系统加入了保护措施,使绕组线圈中的电流迅速泻放,以利保护电机。图3 为电机一相的控制电路。

  为了消除步进电动机的串扰,所有单片机输出信号均经光耦隔离。抱闸电机原理单片机输出信号为3. 3 V TTL电平,这对电机来说驱动力不够,因此采用场效应管经功率放大电路后,用来驱动电机。本系统步进电动机的驱动采用了单电压驱动方式,这种驱动电路的优点是线路简单,成本低,低频时响应较好; 缺点是存在共振,高频带载能力下降。系统要求的电机运转速度较低,不考虑高频带载能力,为解决共振问题,采用PWM 波对电机供电,通过改变电机的共振点来达到减小振动的目的。

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