基于單片機和L297/L298芯片的步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器設計

　　1 引言

　　步進(jìn)電動(dòng)機是將電脈沖激勵信號轉換成相應的角位移或線(xiàn)位移的離散值控制電動(dòng)機，這種電動(dòng)機每當輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機。步進(jìn)電動(dòng)機把電脈沖信號變換成角位移以控制轉子轉動(dòng)的微特電機。在自動(dòng)控制裝置中作為執行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號，步進(jìn)電動(dòng)機前進(jìn)一步，故又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機。步進(jìn)電動(dòng)機多用于數字式計算機的外部設備，以及打印機、繪圖機和磁盤(pán)等裝置。 在數字控制系統中具有精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實(shí)現閉環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機已廣泛地應用于數字控制系統中，如數模轉換裝置、數控機床、計算機外圍設備、自動(dòng)記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)、印刷設備等中亦有應用。

　　2 工作原理

　　由于步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成直線(xiàn)或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專(zhuān)用設備-步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器典型步進(jìn)電機控制系統如圖1所示：控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續變化的脈沖信號，它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節的脈沖序列按一定的規律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機驅動(dòng)電源的各項輸人端，以驅動(dòng)步進(jìn)電機的轉動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是用計算機軟件設計的方法實(shí)現環(huán)分器要求的功能，通常稱(chēng)軟環(huán)形分配器。另一類(lèi)是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱(chēng)為硬環(huán)形分配器。

　　圖1 典型步進(jìn)電機控制框圖

　　3 硬件組成

　　文中所控制的步進(jìn)電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機。本文所設計的步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器的框圖如圖2所示。片內置8K字節可重復擦寫(xiě)的Flash閃速存儲器。256字節RAM。3個(gè)16位定時(shí)器?？删幊檀蠻ART通道。

　　圖2 本文提出的步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器框圖

　　L297是意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機專(zhuān)用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，可用于計算機控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機的接口如圖3所示。這種方式結合的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少，可靠性高和占空間少，并且通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計算機的負擔。

　　L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片。芯片內的PWM斬波器電路可開(kāi)關(guān)模式下調節步進(jìn)電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開(kāi)路的晶體管兼容。它可產(chǎn)生四相驅動(dòng)信號，用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機，這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制（CW/CCW） 和HALF/FULL 以及步進(jìn)式時(shí)鐘CLOCK.它將譯碼器從一階梯推進(jìn)至另一階梯。譯碼器有四個(gè)輸出點(diǎn)連接到輸出邏輯部分，因此L297能產(chǎn)生三種相序信號，對應于三種不同的工作方式：即半步方式（HALF STEP）；基本步距（FULL STEP，整步）一相激勵方式；基本步距兩相激勵方式。脈沖分配器內部是一個(gè)3bit可逆計數器，加上一些組合邏輯。產(chǎn)生每周期8步格雷碼時(shí)序信號，這也就是半步工作方式的時(shí)序信號。

　　L297另一個(gè)重要組成是由兩個(gè)PWM 斬波器來(lái)控制相繞組電流，實(shí)現恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。圖3中，頻率f是由外接16腳的RC網(wǎng)絡(luò )決定的， 當R=10kΩ 時(shí)，f=1/0.69RC。當時(shí)鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置1，電機繞組相電流上升，采樣電阻的R 上電壓上升到基準電壓Uref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，這樣，觸發(fā)器輸出的是恒頻PWM信號，調制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Uref確定。CONTROL為高電平時(shí)，對A、B、C、D有控制作用；而為低電平時(shí)，則對INH1和INH2起控制作用，從而可對電動(dòng)機轉向和轉矩進(jìn)行控制。

　　L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動(dòng)器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動(dòng)電感負載的，例如繼電器、圓筒形線(xiàn)圈、直流電動(dòng)機和步進(jìn)電動(dòng)機 具有兩抑制輸入來(lái)使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線(xiàn)端可用來(lái)連接外設傳感電阻。

　　AT89C52通過(guò)串口經(jīng)MAX232電平轉換之后與微機相連。接受上位機指令。向L297發(fā)出時(shí)鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制等信號。電路中，電阻R13，R15用來(lái)調節斬波器電路的參考電壓，該電壓將與通過(guò)管腳13，14所反饋的電位的大小比較，來(lái)確定是否進(jìn)行斬波控制，以達到控制電機繞組電流峰值。

　　4 軟件組成

　　在該電路中，將P1.0口設為電機開(kāi)始按鈕，P1.1，P1.2，P1.3為速度選擇按鈕。速度由低到高，P1.4為電機停止按鈕。并設三檔速度的最高速度依次為500pps、1000pps、2000pps 。RXD，TXD 已由MAX232電平轉換接出串口。此外，步進(jìn)電機其啟動(dòng)，停止的頻率較低，一般在100-250Hz之間，而最高運行頻率要求較高。通常為1-3kHz，為使其在啟動(dòng)、運行和停止整個(gè)過(guò)程中，這采用常用的離散辦法來(lái)逼近理想的近似梯形的升降速曲線(xiàn)，如圖5所示。

　　把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值用公式轉化為各自所需的定時(shí)時(shí)間固化在系統的ROM 中，這里用TH0=（65536-time）/256，TL0=（65536-time）％256來(lái)計算裝載值，time表示各階梯所需定時(shí)時(shí)間。該程序主要由控制主程序、加減速子程序組成，主程序框圖如圖4所示。

　　5 結論

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)在于提出應用單片機和L297、L298集成電路構成步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器。使之具有元件少?？煽啃愿?、占空間少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。另外，在上面提出的在加減速程序中定時(shí)器的裝載值用式子計算不精確，這兩條賦值要執行不少的時(shí)間。具體做的時(shí)候?？芍苯影殉踔涤嬎愠鰜?lái)或把除號用相加來(lái)計算。