基于單片機和L297/L298芯片的步進電機控制驅(qū)動器設(shè)計

　　1 引言

　　步進電動機是將電脈沖激勵信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當(dāng)輸入一個電脈沖就動一步，所以又稱脈沖電動機。步進電動機把電脈沖信號變換成角位移以控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的微特電機。在自動控制裝置中作為執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖信號，步進電動機前進一步，故又稱脈沖電動機。步進電動機多用于數(shù)字式計算機的外部設(shè)備，以及打印機、繪圖機和磁盤等裝置。 在數(shù)字控制系統(tǒng)中具有精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進電動機已廣泛地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設(shè)備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、印刷設(shè)備等中亦有應(yīng)用。

　　2 工作原理

　　由于步進電機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-步進電機控制驅(qū)動器典型步進電機控制系統(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電機驅(qū)動電源的各項輸人端，以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(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 典型步進電機控制框圖

　　3 硬件組成

　　文中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電動機。本文所設(shè)計的步進電機控制驅(qū)動器的框圖如圖2所示。片內(nèi)置8K字節(jié)可重復(fù)擦寫的Flash閃速存儲器。256字節(jié)RAM。3個16位定時器。可編程串行UART通道。

　　圖2 本文提出的步進電機控制驅(qū)動器框圖

　　L297是意大利SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進電機專用控制器，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電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口如圖3所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點是，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算機的負擔(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(shù)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或集電極開路的晶體管兼容。它可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進電機，這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制（CW/CCW） 和HALF/FULL 以及步進式時鐘CLOCK.它將譯碼器從一階梯推進至另一階梯。譯碼器有四個輸出點連接到輸出邏輯部分，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）一相激勵方式；基本步距兩相激勵方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個3bit可逆計數(shù)器，加上一些組合邏輯。產(chǎn)生每周期8步格雷碼時序信號，這也就是半步工作方式的時序信號。

　　L297另一個重要組成是由兩個PWM 斬波器來控制相繞組電流，實現(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，f=1/0.69RC。當(dāng)時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(zhǔn)電壓Uref時，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，調(diào)制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Uref確定。CONTROL為高電平時，對A、B、C、D有控制作用；而為低電平時，則對INH1和INH2起控制作用，從而可對電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進行控制。

　　L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，其設(shè)計是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機 具有兩抑制輸入來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(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)換之后與微機相連。接受上位機指令。向L297發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復(fù)位信號及使能控制等信號。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(shè)為電機開始按鈕，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，步進電機其啟動，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、運行和停止整個過程中，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。

　　把各離散點的速度所需的裝載值用公式轉(zhuǎn)化為各自所需的定時時間固化在系統(tǒng)的ROM 中，這里用TH0=（65536-time）/256，TL0=（65536-time）％256來計算裝載值，time表示各階梯所需定時時間。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)新點在于提出應(yīng)用單片機和L297、L298集成電路構(gòu)成步進電機控制驅(qū)動器。使之具有元件少?？煽啃愿摺⒄伎臻g少、裝配成本低等優(yōu)點。另外，在上面提出的在加減速程序中定時器的裝載值用式子計算不精確，這兩條賦值要執(zhí)行不少的時間。具體做的時候?？芍苯影殉踔涤嬎愠鰜砘虬殉栍孟嗉觼碛嬎?。