基于單片機C8051F020 的數字多電機控制平臺的設計

介紹了基于單片機C8051F020 搭建的多臺電機控制平臺，硬件電路簡單可靠，功率電路采用場效應管自行搭建，通用性較強，通過改寫軟件，可直接用于其它小功率電機的驅動控制系統。

0 引言

步進電動機因具有轉子慣量低、定位精度高、無累積誤差等特點，非常適合用于開環位置控制系統中。直流電機是伺服控制中常用的電機。然而在實際系統中為滿足不同的功能往往同時存在多個運動部件，常用的方法是一個獨立的功能對應一個控制系統，這樣雖然模塊性很好，但是占用了大量的系統資源和空間，也在一定程度上降低了系統的可靠性。

如在某系統中存在4 個運動部件，分別為兩臺三相反應式步進電動機，一臺直流電機和一臺四相步進電動機的控制。本著提高系統集成度的想法，本文只用一個控制芯片C8051F020 就完成了以上4 臺電機的驅動控制，電路簡單，可靠性高。

1 總體設計

基于Cygnal 公司的MCU 控制芯片C8051F020的多電機控制系統平臺，能根據控制指令完成對四臺電機的控制。組成框圖如圖1 所示。

2 硬件設計

2. 1 主控芯片選擇

美國Cygnal 公司生產的C8051F020 單片機使用CIP - 51 微控制器內核。與標準的8051 結構相比，它具有如下特點：

( 1) 指令執行速度有較大的提高，峰值速度達到25 MIPS;

( 2) 除了4 個標準的8051 的端口外，還具有4 個附加端口，共64 個通用I /O 端口;

( 3) 所有I /O 端口均可配置為漏極開路或推挽輸出，進一步向低功耗應用發展;

( 4) 引入數字交叉開關，允許用戶自行組合通用I /O 端口和所需的數字資源;

( 5) 具有兩個串行UART 接口，5 個16 位通用定時器，5個比較捕捉模塊;

( 6) 具有片內看門狗、片內溫度傳感器和片內VDD 監視器，使用時幾乎無需外擴;

( 7) 可通過JTAG 接口實現軟件在線調試功能。

C8051F020 單片機以其在執行速度、系統資源等方面的明顯優勢，成為本多電機控制系統非常理想的選擇。

2. 2 通訊電路設計

根據與上位機的通訊協議，通訊接口采用標準雙向差分RS - 422 串口通訊，工作電壓為5 V,波特率為38 400 bit /s.C8051F020 系列MCU 內部有兩個增強型全雙工UART,通訊協議為RS - 232,工作電壓也為5 V.因此選用了MAX490 器件，MAX490芯片可以很方便地將上位機的RS422 差分信號轉為單片機的串口信號。具體電路如圖2 所示。

2. 3 步進電動機驅動電路

設計步進電動機的控制可采用串行控制，采用環形分配器來完成換相。也可以采用并行控制，由單片機完成步進電動機的換相，在系統資源夠用的情況下，采用并行控制可以簡化設計電路。本系統采用了并行控制，由軟件控制單片機的I /O 端口輸出按一定時序的PWM 波，來控制電機繞組通斷電。

電機屬于感性負載，電機繞組中的電流不能突變，電機由A 相換到B 相之后，若沒有保護電路，A相繞組中的電流將保持相當長的時間，這樣電機運行很不平穩。為了使電機運行平穩，在系統加入了保護措施，使繞組線圈中的電流迅速瀉放，以利保護電機。圖3 為電機一相的控制電路。

為了消除步進電動機的串擾，所有單片機輸出信號均經光耦隔離。單片機輸出信號為3. 3 V TTL電平，這對電機來說驅動力不夠，因此采用場效應管經功率放大電路后，用來驅動電機。本系統步進電動機的驅動采用了單電壓驅動方式，這種驅動電路的優點是線路簡單，成本低，低頻時響應較好; 缺點是存在共振，高頻帶載能力下降。系統要求的電機運轉速度較低，不考慮高頻帶載能力，為解決共振問題，采用PWM 波對電機供電，通過改變電機的共振點來達到減小振動的目的。