基于單片機(jī)和L297/L298芯片的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖就動(dòng)一步，所以又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)把電脈沖信號(hào)變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的微特電機(jī)。在自動(dòng)控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，故又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多用于數(shù)字式計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備，以及打印機(jī)、繪圖機(jī)和磁盤等裝置。 在數(shù)字控制系統(tǒng)中具有精度高，運(yùn)行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)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、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。

　　2 工作原理

　　由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(hào)，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。

　　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。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。

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

　　L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號(hào)，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。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，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)。

　　L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片。芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。它可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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)，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(hào)，對(duì)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(hào)，這也就是半步工作方式的時(shí)序信號(hào)。

　　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。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，這樣，觸發(fā)器輸出的是恒頻PWM信號(hào)，調(diào)制L297的輸出信號(hào)，繞組相電流峰值由Uref確定。CONTROL為高電平時(shí)，對(duì)A、B、C、D有控制作用；而為低電平時(shí)，則對(duì)INH1和INH2起控制作用，從而可對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

　　L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的，相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。

　　AT89C52通過串口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換之后與微機(jī)相連。接受上位機(jī)指令。向L297發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)及使能控制等信號(hào)。電路中，電阻R13，R15用來調(diào)節(jié)斬波器電路的參考電壓，該電壓將與通過管腳13，14所反饋的電位的大小比較，來確定是否進(jìn)行斬波控制，以達(dá)到控制電機(jī)繞組電流峰值。

　　4 軟件組成

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

　　把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值用公式轉(zhuǎn)化為各自所需的定時(shí)時(shí)間固化在系統(tǒng)的ROM 中，這里用TH0=（65536-time）/256，TL0=（65536-time）％256來計(jì)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(jié)論

　　本文創(chuàng)新點(diǎn)在于提出應(yīng)用單片機(jī)和L297、L298集成電路構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)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(jì)算不精確，這兩條賦值要執(zhí)行不少的時(shí)間。具體做的時(shí)候。可直接把初值計(jì)算出來或把除號(hào)用相加來計(jì)算。