基于单片机的经济型步进电机控制系统

　　0 引 言

　　步进电机是工业控制中应用十分广泛的一种电动机，它能将数字信号直接转换成角位移或线位移，驱动速度和指令脉冲能严格同步，具有较高的定位精度，控制系统成本低廉，在经济型数控机床等领域应用广泛。这里针对电磁干扰较强以及要求低成本应用的场合，采用超强抗干扰、小巧低功耗的工业级STC12C系列单片机，充分利用单片机内部的硬件资源，设计实用的步进电机控制和驱动系统。

　　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。

图1

　　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STC12C4052AD，它是1个时钟/机器周期的单片机，速度比普通的8051单片机快8～12倍，有20个引脚且为小巧封装。该单片机具有超强抗干扰，抗静电的特点，能轻松通过4 kV快速脉冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2.7～7 mA。芯片自带硬件看门狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A/D转换，2路PWM输出，4 KB容量的FLASH存储器，256 B容量的SRAM，4个定时器，1个全双工串行通信口。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，而且减少了硬件电路的设计，提高了工作效率。单片机的外部引脚定义，及其在该设计中的资源分布如图2所示。

图2

　　P1.4(ADC4)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，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外部中断0，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。该电路的设计可改进功率MOSFET管的快速开通时间，提高了驱动电流的前后沿陡度，能够改善高频响应。功率MOSFET管栅源间的阻抗很高，工作于开关状态下漏源间电压的突变会通过极间电容耦合到栅极，产生相当幅度的VGS脉冲电压。正方向的VGS脉冲电压可能会导致器件的误导通。为此，需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，以防止栅源开路工作。