基于L297/L298芯片步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制

　　1 引言

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件，由于步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、繪圖機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及與應(yīng)用，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實(shí)現(xiàn)，既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。市場上有很多現(xiàn)成的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，但價(jià)格都偏高。應(yīng)用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并結(jié)合AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，即可以實(shí)現(xiàn)用相對便宜的價(jià)格組成一個(gè)性能不錯(cuò)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

　　2 工作原理

　　由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設(shè)備-步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器 典型步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)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(xù)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自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后，經(jīng)過功率放大器的放大加到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各項(xiàng)輸人端，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)分器要求的功能，通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器，通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進(jìn)行放大。以達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)目的。

　　圖1 典型步進(jìn)電機(jī)控制框圖

　　3 硬件組成

　　文中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器的框圖如圖2所示。它由AT89C52單片機(jī)、光電耦和器、集成芯片L297和L298組成。AT89C52是美國ATMEL的低電壓、高性能8位CMOS單片機(jī)。片內(nèi)置8K字節(jié)可重復(fù)擦寫的Flash閃速存儲(chǔ)器。256字節(jié)RAM。3個(gè)16位定時(shí)器。可編程串行UART通道。對完成步進(jìn)電機(jī)的簡單控制已足以勝任。

　　圖2 本文提出的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器框圖

　　L297是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器（包括環(huán)形分配器）。L298是雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的接口如圖3所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是，需要的元件很少。從而使得裝配成本低，可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發(fā)。可以簡化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外，L297和L298都是獨(dú)立的芯片。所以應(yīng)用是十分靈活的。

　　L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片。它可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號，用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機(jī) 它的心臟部分是一組譯碼器它能產(chǎn)生各種所需的相序。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，提供抑制和斬波功能所需的相序。因此L297能產(chǎn)生三種相序信號，對應(yīng)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(lì)方式；基本步距兩相激勵(lì)方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個(gè)3bit可逆計(jì)數(shù)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。此時(shí)HALF/FULL信號為高電。若HALF/FULL取低電平，得到基本步距工作方式。即雙四拍全階梯工作方式。

　　L297另一個(gè)重要組成是由兩個(gè)PWM 斬波器來控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)RS觸發(fā)器和外接采樣電阻組成，并設(shè)有一個(gè)公用振蕩器，向兩個(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號。圖3中，頻率f是由外接16腳的RC網(wǎng)絡(luò)決定的， 當(dāng)R》10kΩ 時(shí)，f=1/0.69RC。當(dāng)時(shí)鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置1，電機(jī)繞組相電流上升，采樣電阻的R 上電壓上升到基準(zhǔn)電壓Uref時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，使觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管關(guān)斷，電流下降，等待下一個(gè)振蕩脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出的是恒頻PWM信號，調(diào)制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Uref確定。L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A、B、C、D或抑制線INH1和INH2起作用。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(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。