以单片机C8051F020为核心通用性强的多台电机控制平台设计

引言

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，威廉希尔官方网站 简单，可靠性高。

1 总体设计

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。

2 硬件设计

2. 1 主控芯片选择

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：

（ 1） 指令执行速度有较大的提高，峰值速度达到25 MIPS;

（ 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；

（ 7） 可通过JTAG 接口实现软件在线调试功能。

C8051F020 单片机以其在执行速度、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 通讯威廉希尔官方网站 设计

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。具体威廉希尔官方网站 如图2 所示。

2. 3 步进电动机驱动威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。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，电机由A 相换到B 相之后，若没有保护威廉希尔官方网站 ，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 为电机一相的控制威廉希尔官方网站 。

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。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威廉希尔官方网站 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，这种驱动威廉希尔官方网站 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。

2. 4 直流电机桥式驱动威廉希尔官方网站 设计

直流电机是可以直接采用电源直接驱动的，设计直流电机驱动威廉希尔官方网站 的主要目的就是对电机的转速和转向进行控制。在本系统中采用了桥式威廉希尔官方网站 ，如图4 所示。

这种桥式威廉希尔官方网站 非常适合用来做数字控制，只需单片机按照一定的逻辑和时序控制开关管的开通关断，就能实现直流电机的正反转，也能调节电机绕组通电的占空比，从而达到改变电机转速的目的。

2. 5 场效应管选择

本系统中选用的功率元件为IR 公司生产的IRF840 功率MOSFET，其工作电压可达500 V，工作电流最高8 A，IRF840 MOSFET 功率管的驱动功率小，工作速度高，开关时间短，热稳定性好，抗干扰能力强，完全满足系统的设计要求。

2. 6 电源设计

电源设计过程中为防止各种电源之间互相干扰，尤其是模拟大电源对数字威廉希尔官方网站 部分产生噪声影响，充分考虑了电源滤波的需求。在威廉希尔官方网站 设计时，对供电电源做滤波处理，对控制信号做光电隔离处理。

对输入电源使用单独接插件和单独电源滤波器。对信号的输入和大功率的输出，也要分别使用接插件进行物理隔离。电机运转时最大瞬时电流可高达2A.为减少大功率输出对数字威廉希尔官方网站 产生影响，在设计时，采取有效的抗干扰措施，如将大功率输出信号与数字信号采取有效光电隔离。

3 软件设计

系统的软件设计采用模块化程序设计。主程序主要完成的内容： 系统参数初始化、通讯指令解析、开启中断、进入子程序模块输出控制信号等。每个电机的不同动作均采用不同的子程序模块，维护方便。系统主程序流程图如图5 所示。

上电后，单片机程序初始化芯片的端口设置及变量初始赋值。当串口中断发生，接收上位机发来的命令消息和发送反馈消息给上位机。然后解析本次命令，按具体内容进入不同的运程序，来控制不同的电机动作。

4 结语

本文所述的控制方案，在一个系统中集成了四个电机的驱动控制威廉希尔官方网站 ，所有功率放大单元均采用场效应管自行搭建，在小功率步进电动机及直流电机驱动控制中有较强的通用性，最大驱动电流可达6A.可以不作任何的硬件改动，仅通过重写软件，就可以直接应用在其它系统中驱动直流或步进电动机。