基于L297和L298的步進(jìn)電機驅動(dòng)器的設計

引言

步進(jìn)電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動(dòng)控制系統中，如機器人、打印機、軟盤(pán)驅動(dòng)器、繪圖儀、機械閥門(mén)控制器等。目前，對步進(jìn)電機的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低;軟件環(huán)形分配器要占用主機的運行時(shí)間，降低了速度;專(zhuān)用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應性受到限制，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、需求費用較高。

步進(jìn)電機控制

步進(jìn)電機是數字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電機就轉動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機控制。步進(jìn)電機可分為反應式步進(jìn)電機(VR)、永磁式步進(jìn)電機(PM)和混合式步進(jìn)電機(HB)。 步進(jìn)電機區別于其他控制電機的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號來(lái)進(jìn)行控制的，即電機的總轉動(dòng)角度由輸入脈沖數決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。 步進(jìn)電機的驅動(dòng)電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

(1)控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：混合式步進(jìn)電機的工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器。

(2)控制步進(jìn)電機的轉向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。

(3)控制步進(jìn)電機的速度 如果給步進(jìn)電機發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì )再轉一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉得越快。

L297和L298組成的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

SGS公司的L297單片步進(jìn)電機控制集成電路適用于雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機的控制，與兩片H橋式驅動(dòng)芯片L298組合，組成完整的步進(jìn)電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動(dòng)器。

L297產(chǎn)生四相驅動(dòng)信號，用以控制雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機，可以采用半步、兩相勵磁、單相勵磁三種工作方式控制步進(jìn)電機，并且控制電機的片內PWM斬波電路允許三種工作方式的切換。使用 L297突出的特點(diǎn)是外部只需時(shí)鐘、方向和工作方式三個(gè)輸入信號，同時(shí)L297自動(dòng)產(chǎn)生電機勵磁相序減輕了微處理器控制及編程的負擔。L297具有DIP20和SO20兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅動(dòng)電路或分立元件組成的驅動(dòng)電路。

L297主要由譯碼器、兩個(gè)固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成，其內部結構圖如圖1所示。

圖1 L297內部結構框圖

L297另一重要組成是PWM斬波器控制相繞組電流，實(shí)現恒流斬波控制，以獲得良好的轉矩-頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器以及外接采樣電阻組成(見(jiàn)圖2)內部設有一公共振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號，脈沖頻率是由外接的RC網(wǎng)絡(luò )決定，當

時(shí)振蕩器脈沖使觸發(fā)器置“1”，電機繞組相電流上升，采樣電阻RS的電壓上升到基準電壓Vref時(shí)，比較器翻轉，使觸發(fā)器復位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個(gè)振蕩器脈沖的到來(lái)。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的PWM信號，調制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Vref決定。CONTROL信號用以選擇斬波信號控制。當它為低電平時(shí)，斬波信號作用于兩個(gè)禁止信號，高電平時(shí)，斬波信號作用于A(yíng)、B、C、D信號。前者適用于單極性工作方式，而對于雙極性工作方式的電機，這兩種控制方式都可以采用。

圖2 斬波器電路

利用L297的SYNC引腳可實(shí)現多個(gè)L297同步工作，其連接方式如圖3所示，只將RC網(wǎng)絡(luò )接于一芯片上，而其余芯片的OSC引腳均接地，這樣可避免接地雜波的引入問(wèn)題。

圖3 多個(gè)L297同步工作

SGS公司的L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成電路，可用來(lái)驅動(dòng)繼電器、線(xiàn)圈、直流電機和步進(jìn)電機等感性負載。它具有兩抑制輸入來(lái)使器件不受輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應的外接線(xiàn)端可用來(lái)連接外設傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。

采用L297和L298實(shí)現的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路見(jiàn)圖4，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動(dòng)方式，適用兩相雙極性步進(jìn)電機，最高電壓46V，每相電流可達2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅動(dòng)更大功率的兩相步進(jìn)電機。

圖4 L297和L298的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路圖

軟件設計

當程序進(jìn)入到非程序區，只要在非程序區設置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，

然后強迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應的字節碼為0FFH，如果不用的程序存儲區預先寫(xiě)入0FFH，則當程序因干擾而“飛”到該區域執行代碼時(shí)，就相當于執行1條RST指令，從而達到系統復位的目的。

采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼

PO_ 0=1; //CW 方向

PO_ 1=1; //HALF 半步

PO_3=1; //ENABLE 使能

PO_ 2=1; //RESET 復位

PO_7=1; //CLOCK 時(shí)鐘

TMOD=O X O1; //TI采用定時(shí)器

THO=(一4000/256);

TLO=一(400000256);

TRO二I;

for(;;)

{

THO=一(4000/256);

TLO=一(4000% 256);

do{}while(! TFO);

PO_ 7=! PO_ 7; CLOCK 輸出時(shí)鐘

TFO=O;

}

結語(yǔ)

采用此設計的步進(jìn)電機驅動(dòng)系統，在驅動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機時(shí)運動(dòng)平穩，速度快，噪音低，控制精高,而且可選整步半步驅動(dòng)。外觀(guān)采用鋁鎂合金，散熱性好，價(jià)格低廉，可廣泛應用于需要驅動(dòng)電流小于2A的混合式兩相或四相步進(jìn)電機的系統中。