1 引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(chǎng)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(duì)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(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(lái)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(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)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(guó)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?？删幊檀蠻ART通道。對(duì)完成步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)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(jiǎn)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(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) 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(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)。此時(shí)HALF/FULL信號(hào)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(lái)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(hào)。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(lái)。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。L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對(duì)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(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(lái)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(lái)連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。
圖3中.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(lái)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(lái)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、保護(hù)步進(jìn)電機(jī)的目的
由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由Uref確定。當(dāng)采用兩片L297通過L298分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩繞組，且通過兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的Uref時(shí)，即組成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中利用兩個(gè)16引腳光電耦合器件TLP521-4組成如圖3所示的隔離電路。其作用是切斷了單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間電的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接。防止處于大電流感性負(fù)載下工作的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)以及電網(wǎng)負(fù)載突變產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過線路串入單片機(jī)，影響單片機(jī)的正常工作。
1 引言
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)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(chǎng)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(duì)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(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(lái)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(duì)環(huán)形分配器的較小輸出信號(hào)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(guó)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?？删幊檀蠻ART通道。對(duì)完成步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)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)?？梢院?jiǎn)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(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) 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(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)。此時(shí)HALF/FULL信號(hào)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(lái)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(hào)。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(lái)。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。L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對(duì)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(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(lái)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(lái)連接外設(shè)傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。L298芯片是具有15個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。
圖3中.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(lái)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(lái)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、保護(hù)步進(jìn)電機(jī)的目的
由于L297內(nèi)部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由Uref確定。當(dāng)采用兩片L297通過L298分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩繞組，且通過兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的Uref時(shí)，即組成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路中利用兩個(gè)16引腳光電耦合器件TLP521-4組成如圖3所示的隔離電路。其作用是切斷了單片機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回路之間電的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接。防止處于大電流感性負(fù)載下工作的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)以及電網(wǎng)負(fù)載突變產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過線路串入單片機(jī)，影響單片機(jī)的正常工作。
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，既不會(huì)失步，又能夠盡快精確地達(dá)到目標(biāo)位置，運(yùn)行速度都要有一個(gè)加速一恒速減速的過程。這里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，如圖5所示。即利用定時(shí)器中斷方式來(lái)不斷改變定時(shí)器裝載值的大小。
本例中。為計(jì)算方便，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(lái)計(jì)算裝載值，time表示各階梯所需定時(shí)時(shí)間。系統(tǒng)在運(yùn)行中用查表法查出所需的時(shí)間，從而大幅度減少占用CPU的時(shí)間，提高系統(tǒng)的相應(yīng)速度。因此。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?？煽啃愿摺⒄伎臻g少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過軟件開發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。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?？芍苯影殉踔涤?jì)算出來(lái)或把除號(hào)用相加來(lái)計(jì)算。以達(dá)到精確的目的。