基于单片机C8051F020的数字多电机控制平台设计

　　摘要： 介绍了基于单片机C8051F020 搭建的多台电机控制平台，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电机的驱动控制系统。

　　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，电路简单，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 通讯电路设计

　　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。具体电路如图2 所示。

　　

　　2. 3 步进电动机驱动电路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，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。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。