基于L297和L298的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

引言

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對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)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。目前，對步進(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)開發(fā)周期長、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，它是通過輸入脈沖信號(hào)來進(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(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。

(2)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)。

(3)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。

L297和L298組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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

L297產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用以控制雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)，可以采用半步、兩相勵(lì)磁、單相勵(lì)磁三種工作方式控制步進(jìn)電機(jī)，并且控制電機(jī)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(diǎn)是外部只需時(shí)鐘、方向和工作方式三個(gè)輸入信號(hào)，同時(shí)L297自動(dòng)產(chǎn)生電機(jī)勵(lì)磁相序減輕了微處理器控制及編程的負(fù)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(dòng)電路或分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路。

L297主要由譯碼器、兩個(gè)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(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的轉(zhuǎn)矩-頻率特性。每個(gè)斬波器由一個(gè)比較器、一個(gè)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(gè)斬波器提供觸發(fā)脈沖信號(hào)，脈沖頻率是由外接的RC網(wǎng)絡(luò)決定，當(dāng)

時(shí)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RS的電壓上升到基準(zhǔn)電壓Vref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)振蕩器脈沖的到來。這樣，觸發(fā)器輸出是恒頻的PWM信號(hào)，調(diào)制L297的輸出信號(hào)，繞組相電流峰值由Vref決定。CONTROL信號(hào)用以選擇斬波信號(hào)控制。當(dāng)它為低電平時(shí)，斬波信號(hào)作用于兩個(gè)禁止信號(hào)，高電平時(shí)，斬波信號(hào)作用于A、B、C、D信號(hào)。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(jī)，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(shí)現(xiàn)多個(gè)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(gè)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(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載。它具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號(hào)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?，使邏輯能在低電壓下工作。

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

圖4 L297和L298的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)程序進(jìn)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(jìn)入陷阱，

然后強(qiáng)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(chǔ)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(shí)，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達(dá)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(shí)鐘

TMOD=O X O1; //TI采用定時(shí)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(shí)鐘

TFO=O;

}

結(jié)語

采用此設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，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,而且可選整步半步驅(qū)動(dòng)。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2A的混合式兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)中。