基于L297和L298的步進電機驅(qū)動器的設(shè)計

 引言

步進電機廣泛應(yīng)用于對精度要求比較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅(qū)動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。目前，對步進電機的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時由于分散器件的延時，其可靠性大大降低;軟件環(huán)形分配器要占用主機的運行時間，降低了速度;專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應(yīng)性受到限制，同時開發(fā)周期長、需求費用較高。

步進電機控制

步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)和混合式步進電機(HB)。 步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。 步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：

(1)控制換相順序 通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：混合式步進電機的工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器。

(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。

(3)控制步進電機的速度 如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。

L297和L298組成的步進電機驅(qū)動電路

SGS公司的L297單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制，與兩片H橋式驅(qū)動芯片L298組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動器。

L297產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用以控制雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機，可以采用半步、兩相勵磁、單相勵磁三種工作方式控制步進電機，并且控制電機的片內(nèi)PWM斬波電路允許三種工作方式的切換。使用 L297突出的特點是外部只需時鐘、方向和工作方式三個輸入信號，同時L297自動產(chǎn)生電機勵磁相序減輕了微處理器控制及編程的負擔(dān)。L297具有DIP20和SO20兩種封裝形式，可用于控制集成橋式驅(qū)動電路或分立元件組成的驅(qū)動電路。

L297主要由譯碼器、兩個固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 L297內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

L297另一重要組成是PWM斬波器控制相繞組電流，實現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的轉(zhuǎn)矩-頻率特性。每個斬波器由一個比較器、一個RS觸發(fā)器以及外接采樣電阻組成(見圖2)內(nèi)部設(shè)有一公共振蕩器，向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號，脈沖頻率是由外接的RC網(wǎng)絡(luò)決定，當(dāng)

時振蕩器脈沖使觸發(fā)器置“1”，電機繞組相電流上升，采樣電阻RS的電壓上升到基準(zhǔn)電壓Vref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，等待下一個振蕩器脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的PWM信號，調(diào)制L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Vref決定。CONTROL信號用以選擇斬波信號控制。當(dāng)它為低電平時，斬波信號作用于兩個禁止信號，高電平時，斬波信號作用于A、B、C、D信號。前者適用于單極性工作方式，而對于雙極性工作方式的電機，這兩種控制方式都可以采用。

圖2 斬波器電路

利用L297的SYNC引腳可實現(xiàn)多個L297同步工作，其連接方式如圖3所示，只將RC網(wǎng)絡(luò)接于一芯片上，而其余芯片的OSC引腳均接地，這樣可避免接地雜波的引入問題。

圖3 多個L297同步工作

SGS公司的L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成電路，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。它具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫矗惯壿嬆茉诘碗妷合鹿ぷ?。

采用L297和L298實現(xiàn)的步進電機驅(qū)動電路見圖4，該電路為固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動方式，適用兩相雙極性步進電機，最高電壓46V，每相電流可達2A。用兩片L298和一片297配合使用，可驅(qū)動更大功率的兩相步進電機。

圖4 L297和L298的步進電機驅(qū)動電路圖

軟件設(shè)計

當(dāng)程序進入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲區(qū)預(yù)先寫入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達到系統(tǒng)復(fù)位的目的。

采用C語言編寫程序代碼

PO_ 0=1; //CW 方向

PO_ 1=1; //HALF 半步

PO_3=1; //ENABLE 使能

PO_ 2=1; //RESET 復(fù)位

PO_7=1; //CLOCK 時鐘

TMOD=O X O1; //TI采用定時器

THO=(一4000/256);

TLO=一(400000256);

TRO二I;

for(;;)

{

THO=一(4000/256);

TLO=一(4000% 256);

do{}while(! TFO);

PO_ 7=! PO_ 7; CLOCK 輸出時鐘

TFO=O;

}

結(jié)語

采用此設(shè)計的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，在驅(qū)動二相或四相混合式步進電機時運動平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高,而且可選整步半步驅(qū)動。外觀采用鋁鎂合金，散熱性好，價格低廉，可廣泛應(yīng)用于需要驅(qū)動電流小于2A的混合式兩相或四相步進電機的系統(tǒng)中。