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　　1 引言

　　步進(jìn)電動(dòng)機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線(xiàn)位移的精密執行元件，由于步進(jìn)電機具有控制方便、體積小等特點(diǎn)，所以在數控系統、自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)、自動(dòng)化儀表、繪圖機和計算機外圍設備中得到廣泛應用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應用，為步進(jìn)電動(dòng)機的應用開(kāi)辟了廣闊前景，使得以往用硬件電路構成的龐大復雜的控制器得以用軟件實(shí)現，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)上有很多現成的步進(jìn)電機控制機構，但價(jià)格都偏高。應用SGS公司推出的L297和L298兩芯片可方便的組成步進(jìn)電機驅動(dòng)器，并結合AT89C52單片機進(jìn)行控制，即可以實(shí)現用相對便宜的價(jià)格組成一個(gè)性能不錯的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路。

　　2 工作原理

　　由于步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉換成直線(xiàn)或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專(zhuān)用設備-步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器 典型步進(jìn)電機控制系統如圖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(lái)自控制環(huán)節的脈沖序列按一定的規律分配后，經(jīng)過(guò)功率放大器的放大加到步進(jìn)電機驅動(dòng)電源的各項輸人端，以驅動(dòng)步進(jìn)電機的轉動(dòng)。環(huán)形分配器主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是用計算機軟件設計的方法實(shí)現環(huán)分器要求的功能，通常稱(chēng)軟環(huán)形分配器。另一類(lèi)是用硬件構成的環(huán)形分配器，通常稱(chēng)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.以達到驅動(dòng)步進(jìn)電機目的。

　　圖1 典型步進(jìn)電機控制框圖

　　3 硬件組成

　　文中所控制的步進(jìn)電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機。本文所設計的步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器的框圖如圖2所示。它由AT89C52單片機、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。片內置8K字節可重復擦寫(xiě)的

　　Flash閃速存儲器。256字節RAM。3個(gè)16位定時(shí)器.可編程串行UART通道。對完成步進(jìn)電機的簡(jiǎn)單控制已足以勝任。

　　圖2 本文提出的步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器框圖

　　L297是步進(jìn)電動(dòng)機控制器(包括環(huán)形分配器)。L298是雙H橋式驅動(dòng)器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進(jìn)電動(dòng)機的接口如圖3所示。這種方式結合的優(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(guò)軟件開(kāi)發(fā)。可以簡(jiǎn)化和減輕微型計算機的負擔。另外，L297和L298都是獨立的芯片.所以應用是十分靈活的。

　　L297芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片.它可產(chǎn)生四相驅動(dòng)信號，用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進(jìn)電機 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。脈沖分配器內部是一個(gè)3bit可逆計數器，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(lái)控制相繞組電流，實(shí)現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R>10kΩ 時(shí)，f=1/0.69RC。當時(shí)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 上電壓上升到基準電壓Uref時(shí)，比較器翻轉，使觸發(fā)器復位，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，調制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(xiàn)A、B、C、D或抑制線(xiàn)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)機轉向和轉矩進(jìn)行控制。

　　L298芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動(dòng)器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動(dòng)電感負載的，例如繼電器、圓筒形線(xiàn)圈、直流電動(dòng)機和步進(jìn)電動(dòng)機 具有兩抑制輸入來(lái)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，相應外接線(xiàn)端可用來(lái)連接外設傳感電阻。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)引出腳的多瓦數直插式封裝的集成芯片。

　　圖3中.AT89C52通過(guò)串口經(jīng)MAX232電平轉換之后與微機相連.接受上位機指令。向L297發(fā)出時(shí)鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制等信號。電路中，電阻R13，R15用來(lái)調節斬波器電路的參考電壓，該電壓將與通過(guò)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，以達到控制電機繞組電流峰值、保護步進(jìn)電機的目的

　　由于L297內部帶有斬波恒流電路，繞組相電流峰值由Uref確定。當采用兩片L297通過(guò)L298分別驅動(dòng)步進(jìn)電機的兩繞組，且通過(guò)兩個(gè)D/A轉換器改變每相繞組的Uref時(shí)，即組成了步進(jìn)電機細分驅動(dòng)電路。另外，為了有效地抑制電磁干擾，提高系統的可靠性，在單片機與步進(jìn)電動(dòng)機驅動(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與步進(jìn)電動(dòng)機驅動(dòng)回路之間電的直接聯(lián)系，實(shí)現了單片機與驅動(dòng)回路系統地線(xiàn)的分別聯(lián)接.防止處于大電流感性負載下工作的驅動(dòng)電路產(chǎn)生的干擾信號以及電網(wǎng)負載突變產(chǎn)生的干擾信號通過(guò)線(xiàn)路串入單片機，影響單片機的正常工作。

　　4 軟件組成

　　在該電路中，將P1.0口設為電機開(kāi)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。并設三檔速度的最高速度依次為500pps、1000pps、2000pps 。RXD，TXD 已由MAX232電平轉換接出串口。此外，步進(jìn)電機其啟動(dòng)，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(dòng)、運行和停止整個(gè)過(guò)程中，既不會(huì )失步，又能夠盡快精確地達到目標位置，運行速度都要有一個(gè)加速一恒速減速的過(guò)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(xiàn)，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.為計算方便，把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值用公式轉化為各自所需的定時(shí)時(shí)間固化在系統的ROM 中，這里用TH0=(65536-time)/256，TL0=(65536-time)%256來(lái)計算裝載值，time表示各階梯所需定時(shí)時(shí)間。系統在運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，提高系統的相應速度。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 結論

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)在于提出應用單片機和L297、L298集成電路構成步進(jìn)電機控制驅動(dòng)器。使之具有元件少.可靠性高、占空間少、裝配成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，可以簡(jiǎn)化和減輕微型計算機的負擔。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算不精確，這兩條賦值要執行不少的時(shí)間.具體做的時(shí)候.可直接把初值計算出來(lái)或把除號用相加來(lái)計算.以達到精確的目的。