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基于PIC16F873单片机的步进电机控制系统

导读: 单片机控制步进电机具有功能灵活多样,脉冲输出准确,实时性强等特点,通过软件设计可以实现各种复杂的控制,其系统成本较低,近些年来已被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。

  引言

 

  单片机控制步进电机具有功能灵活多样,脉冲输出准确,实时性强等特点,通过软件设计可以实现各种复杂的控制,其系统成本较低,近些年来已被广泛应用在各种不同的运动控制系统中。

  在实际应用中,若步进电机在升降速时,脉冲频率的变化不合理,就会使电机失步或者过冲,使系统无法做到精确定位;同时,由于系统快速性的要求,电机需要很快地完成加减速过程。

 

  1 控制系统总体方案设计

 

  系统功能原理示意图如图1所示。

 

  

 

  在该系统中由单片机直接输出电机的各相控制脉冲序列,光耦进行必要的光电隔离,采用分立元件构成功率MOSFET管驱动电路,带动电机转动。键盘接口与 LED显示功能由具有SPI串行接口功能的ZLG7289实现。既可使用按键输入的方式精确设置电机的工作方式与转速,也可以通过调速旋钮实现电机转速的连续调节,还能通过上位微机实现对电机工作方式的调整与控制。

 

  2 硬件电路设计

 

  2.1 控制电路设计

  控制芯片采用PIC16F873,该单片机具有抗干扰能力强,超低功耗。芯片自带硬件看门狗,具有高速SPI通信端口,6通道10位A/D转换,2路PWM输出,8 KB容量的FLASH存储器,368 B容量的SRAM,3个定时器,1个SPI串行通信口。由于单片机内部的资源丰富,性价比高。能够满足该设计的要求,而且减少硬件电路的设计,提高工作效率。单片机的外部引脚定义以及在该设计的资源分布如图2所示。

 

  

 

  RA0口外接4.7 kΩ的可调电位器,利用单片机内部的模/数转换功能转换成数字量,进而控制输出脉冲频率的高低,完成步进电机速度的“连续”调节。过流检测的结果直接引入到RB6,通过中断实现对电流的快速控制。

  2.2 驱动电路设计

  功率MOSFET管的部分驱动电路如图3所示。

 

  

 

  由于功率MOSFET管栅极电容的存在,对该管的驱动电流实际表现为对栅极电容的充、放电。图中电路的设计可改进功率MOSFET管的快速开通时间,减少在前级门电路上的功耗,提高了驱动电流的前后沿陡度,能够改善高频响应。

  栅源间过压保护齐纳二极管的稳压值为15 V。功率MOSFET管栅源间的阻抗很高,工作于开关状态下的漏源间电压的突变会通过极间电容藕合到栅极而产生相当幅度的VGS脉冲电压。这一电压会引起栅源击穿造成管子的永久损坏,如果是正方向的VGS脉冲电压,虽然达不到损坏器件的程度,但会导致器件的误导通。为此,要适当降低栅极驱动电路的阻抗,在栅源之间并接阻尼电阻或接一个稳压值小于20 V而又接近20 V的齐纳二极管,防止栅源开路工作。

  为了抑制功率管内的快恢复二极管出现反向恢复效应。在电路中接入4只快恢复二极管。其中,反并联快恢复二极管的作用是为电机相绕组提供续流通路,其余2只是为了使功率MOSFET管内部的快恢复二极管不流过反向电流,以保证功率MOSFET管在动态工作时能起正常的开关作用。

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