基于PIC16C621A和A3955的步進(jìn)電機驅動(dòng)器設計

摘要： 本文介紹了利用A3955對步進(jìn)電機實(shí)現控制的方法及其電路設計。

關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機；PIC16C621A； A3955；脈寬調制

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。其基本控制如下：

*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。

*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。

*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。

PIC16C621A和A3955

PIC16C621A是美國Microchip公司推出的一種性?xún)r(jià)比很高的8位單片機。它價(jià)格低、封裝小、采用CMOS工藝，具有OTP型，開(kāi)發(fā)起來(lái)很方便。它內含4路8位高速ADC，將它擴展到11位后，可以大大提高單片機應用系統的性?xún)r(jià)比。主要特性為：高性能的RISC結構CPU,精簡(jiǎn)的指定集。指令周期時(shí)間為200nS。八級硬件堆棧，直接，間接，相對三種尋址方式。雙向可編程設置I/O，2路比較輸出/PWM輸出，16位定時(shí)器/計數器，內置上電復位電路，程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝。A3955是美國Allegro公司推出的一款性?xún)r(jià)比很高的脈寬調制電流輸出的電機驅動(dòng)芯片。主要特性為：最大1.5A的最大驅動(dòng)電流，最高50V的供電電壓，帶有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷保護電路，欠電壓鎖定(UVLO)保護，輸出抗浪涌的瞬間保護功能，自帶PWM 電流控制，3位的線(xiàn)性DAC，帶細分控制，不同組合不同的細分數，最多8細分。

硬件設計

通常步進(jìn)電機的脈沖控制是由邏輯電路或專(zhuān)用芯片實(shí)現的脈沖環(huán)形分配的，因A3955不自帶環(huán)形分配功能，本設計采用兩片A3955驅動(dòng)步進(jìn)電機的兩個(gè)線(xiàn)圈，來(lái)實(shí)現脈沖環(huán)形分配的實(shí)現。

本設計采用脈沖加方向的步進(jìn)電機控制方式，應用于驅動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機。電機的出線(xiàn)方式不同，與驅動(dòng)器的連接也不同，一般有以下幾種方式：

*對于二相四根線(xiàn)電機，可以直接和驅動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)；

*對于四相六根線(xiàn)電機，中間抽頭的二根線(xiàn)懸空不接，其它四根線(xiàn)和驅動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)。

圖1  二相四根線(xiàn)電機與驅動(dòng)器連接

具體硬件如圖2，CLK 為外部脈沖輸入端，DIR為外部方向輸入端，步進(jìn)脈沖信號CLK用于控制步進(jìn)電機的位置和速度，本驅動(dòng)器的設計為CLK信號為上升沿有效，要求CLK信號的驅動(dòng)電流為8-15mA，對CLK的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5mS。方向電平信號DIR用于控制步進(jìn)電機的旋轉方向。此端為高電平時(shí)，電機逆時(shí)針?lè )较蜣D，此端為低電平時(shí)，電機為順時(shí)針?lè )较蜣D。CLK和DIR信號默認幅值為5V，如果不是5V則須外部另加限流電阻R，如信號幅度為12V時(shí)，加680W的電阻。MS0,MS1,MS2 為細分輸入端，最多為8細分(見(jiàn)表1)。

圖2 具體硬件電路圖

軟件設計

為了防止程序進(jìn)入到非程序區，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)，從而保護程序的正常運行。程序設計首先判斷細分數，其次判斷方向信號DIR，最后判斷脈沖信號CLK,當沒(méi)有脈沖信號時(shí)，程序進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨時(shí)準備接收中斷來(lái)的信號，進(jìn)入程序區，根據判斷的細分數和方向信號進(jìn)行電機的驅動(dòng)。代碼如下：
MAIN        CLRF     PORTA
            BSF      STATUS,5
            MOVLW    0x07               ；整步
            MOVWF    ADCON1
            MOVLW    0X06               ；半步
            MOVWF    OPTIONREG
            MOVLW    0x04               ；四細分
            MOVWF    TRISA
            CLRF     PORTB
            BSF      STATUS,5
            MOVLW    0X00               ；八細分
            MOVWF    TRISB
            BCF      STATUS,5
            MOVWF    TMR0
TEST        BTFSS    PORTA,0
            GOTO     CW          ；正轉
            BTFSC    PORTA,0
            GOTO     CCW        ；反轉
INT         MOVLW    0XFF   ；中斷接收脈沖
            MOVWF    TMR0
            BCF      INTCON,2
            RETFIE

結語(yǔ)

采用此設計的八細分步進(jìn)電機驅動(dòng)器，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,而且專(zhuān)用芯片細分數可選。在外觀(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1.5Ａ的混合式兩相或四相步進(jìn)電機的系統中。

參考文獻：
1.  PIC16CXX Datasheet，美國Microchip公司
2.  A3955 Datasheet，美國Allegro公司
3.  哈爾濱科利達智能控制公司的KLD-4H042NA使用說(shuō)明書(shū)
4.  王有諸、李拉成，PIC系列單片機接口技術(shù)及應用系統設計，北京航空航天大學(xué)出版社，2000年