基于PIC16C621A和A3955的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹了利用A3955對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的方法及其電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；PIC16C621A；A3955；脈寬調(diào)制

引言

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門(mén)控制器等。目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低；軟件環(huán)形分配器要占用主機(jī)的運(yùn)行時(shí)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(shí)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、需求費(fèi)用較高。

步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制如下：

*控制換相順序—通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：混合式步進(jìn)電機(jī)的工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-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。

*控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向—如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

*控制步進(jìn)電機(jī)的速度—如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。

PIC16C621A和A3955

PIC16C621A是美國(guó)Microchip公司推出的一種性價(jià)比很高的8位單片機(jī)。它價(jià)格低、封裝小、采用CMOS工藝，具有OTP型，開(kāi)發(fā)起來(lái)很方便。它內(nèi)含4路8位高速ADC，將它擴(kuò)展到11位后，可以大大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性價(jià)比。主要特性為：高性能的RISC結(jié)構(gòu)CPU，精簡(jiǎn)的指定集。指令周期時(shí)間為200nS。八級(jí)硬件堆棧，直接，間接，相對(duì)三種尋址方式。雙向可編程設(shè)置I/O，2路比較輸出/PWM輸出，16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，內(nèi)置上電復(fù)位電路，程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝。A3955是美國(guó)Allegro公司推出的一款性價(jià)比很高的脈寬調(diào)制電流輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特性為：最大1。5A的最大驅(qū)動(dòng)電流，最高50V的供電電壓，帶有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)電路，欠電壓鎖定(UVLO)保護(hù)，輸出抗浪涌的瞬間保護(hù)功能，自帶PWM電流控制，3位的線性DAC，帶細(xì)分控制，不同組合不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，最多8細(xì)分。

硬件設(shè)計(jì)

通常步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制是由邏輯電路或?qū)Ｓ眯酒瑢?shí)現(xiàn)的脈沖環(huán)形分配的，因A3955不自帶環(huán)形分配功能，本設(shè)計(jì)采用兩片A3955驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖環(huán)形分配的實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)采用脈沖加方向的步進(jìn)電機(jī)控制方式，應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的出線方式不同，與驅(qū)動(dòng)器的連接也不同，一般有以下幾種方式：

*對(duì)于二相四根線電機(jī)，可以直接和驅(qū)動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)；

*對(duì)于四相六根線電機(jī)，中間抽頭的二根線懸空不接，其它四根線和驅(qū)動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)。

圖1二相四根線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接

具體硬件如圖2，CLK為外部脈沖輸入端，DIR為外部方向輸入端，步進(jìn)脈沖信號(hào)CLK用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，本驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)為CLK信號(hào)為上升沿有效，要求CLK信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA，對(duì)CLK的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5mS。方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電平時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，此端為低電平時(shí)，電機(jī)為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)。CLK和DIR信號(hào)默認(rèn)幅值為5V，如果不是5V則須外部另加限流電阻R，如信號(hào)幅度為12V時(shí)，加680W的電阻。MS0，MS1，MS2為細(xì)分輸入端，最多為8細(xì)分(見(jiàn)表1)。

圖2具體硬件電路圖

軟件設(shè)計(jì)

為了防止程序進(jìn)入到非程序區(qū)，在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)，從而保護(hù)程序的正常運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)首先判斷細(xì)分?jǐn)?shù)，其次判斷方向信號(hào)DIR，最后判斷脈沖信號(hào)CLK，當(dāng)沒(méi)有脈沖信號(hào)時(shí)，程序進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收中斷來(lái)的信號(hào)，進(jìn)入程序區(qū)，根據(jù)判斷的細(xì)分?jǐn)?shù)和方向信號(hào)進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。代碼如下：

MAINCLRFPORTA

BSFSTATUS，5

MOVLW0x07；整步

MOVWFADCON1

MOVLW0X06；半步

MOVWFOPTIONREG

MOVLW0x04；四細(xì)分

MOVWFTRISA

CLRFPORTB

BSFSTATUS，5

MOVLW0X00；八細(xì)分

MOVWFTRISB

BCFSTATUS，5

MOVWFTMR0

TESTBTFSSPORTA，0

GOTOCW；正轉(zhuǎn)

BTFSCPORTA，0

GOTOCCW；反轉(zhuǎn)

INTMOVLW0XFF；中斷接收脈沖

MOVWFTMR0

BCFINTCON，2

RETFIE

結(jié)語(yǔ)

采用此設(shè)計(jì)的八細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高，而且專用芯片細(xì)分?jǐn)?shù)可選。在外觀采用鋁鎂合金，散熱性好，價(jià)格低廉，可廣泛應(yīng)用于需要驅(qū)動(dòng)電流小于1。5Ａ的混合式兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)中。