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(fù)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。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(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(dāng)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(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，要適當(dāng)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(fù)二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)效應(yīng)．在電路中接入4只快恢復(fù)二極管。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)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(fù)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(dāng)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。