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2020-11-25 電子發燒友

步進電動機的工作原理是什麼？怎樣設計一個基於單片機和L297/L298晶片的步進電機控制驅動器？

工程師黃明星 發表於 2018-07-21 06:29:00

1 引言

步進電動機是將電脈衝激勵信號轉換成相應的角位移或線位移的離散值控制電動機，這種電動機每當輸入一個電脈衝就動一步，所以又稱脈衝電動機。步進電動機把電脈衝信號變換成角位移以控制轉子轉動的微特電機。在自動控制裝置中作為執行元件。每輸入一個脈衝信號，步進電動機前進一步，故又稱脈衝電動機。步進電動機多用於數字式計算機的外部設備，以及印表機、繪圖機和磁碟等裝置。 在數字控制系統中具有精度高，運行可靠。如採用位置檢測和速度反饋，亦可實現閉環控制。步進電動機已廣泛地應用於數字控制系統中，如數模轉換裝置、數控工具機、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘錶等之中，另外在工業自動化生產線、印刷設備等中亦有應用。

2 工作原理

由於步進電機是一種將電脈衝信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上，而必須使用專用設備-步進電機控制驅動器典型步進電機控制系統如圖1所示：控制器可以發出脈衝頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續變化的脈衝信號，它為環形分配器提供脈衝序列。環形分配器的主要功能是把來自控制環節的脈衝序列按一定的規律分配後，經過功率放大器的放大加到步進電機驅動電源的各項輸人端，以驅動步進電機的轉動。環形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟體設計的方法實現環分器要求的功能，通常稱軟環形分配器。另一類是用硬體構成的環形分配器，通常稱為硬環形分配器。

圖1 典型步進電機控制框圖

3 硬體組成

文中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電動機。本文所設計的步進電機控制驅動器的框圖如圖2所示。片內置8K字節可重複擦寫的Flash閃速存儲器。256位元組RAM。3個16位定時器。可編程串行UART通道。

圖2 本文提出的步進電機控制驅動器框圖

L297是義大利SGS半導體公司生產的步進電機專用控制器，它能產生4相控制信號，可用於計算機控制的兩相雙極和四相單相步進電機，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口如圖3所示。這種方式結合的優點是，需要的元件很少，可靠性高和佔空間少，並且通過軟體開發，可以簡化和減輕微型計算機的負擔。

L297晶片是一種硬體環分集成晶片。晶片內的PWM斬波器電路可開關模式下調節步進電機繞組中的電機繞組中的電流。該集成電路採用了SGS公司的模擬/數字兼容的I2L技術，使用5V的電源電壓，全部信號的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的電晶體兼容。它可產生四相驅動信號，用於計算機控制的兩相雙極或四相單極步進電機，這一部分是由兩種輸入模式控制，方向控制（CW/CCW） 和HALF/FULL 以及步進式時鐘CLOCK.它將解碼器從一階梯推進至另一階梯。解碼器有四個輸出點連接到輸出邏輯部分，因此L297能產生三種相序信號，對應於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。脈衝分配器內部是一個3bit可逆計數器，加上一些組合邏輯。產生每周期8步格雷碼時序信號，這也就是半步工作方式的時序信號。

L297另一個重要組成是由兩個PWM 斬波器來控制相繞組電流，實現恆流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。圖3中，頻率f是由外接16腳的RC網絡決定的， 當R=10kΩ 時，f=1/0.69RC。當時鐘振蕩器脈衝使觸發器置1，電機繞組相電流上升，採樣電阻的R 上電壓上升到基準電壓Uref時，比較器翻轉，使觸發器復位，功率電晶體關斷，電流下降，這樣，觸發器輸出的是恆頻PWM信號，調製L297的輸出信號，繞組相電流峰值由Uref確定。CONTROL為高電平時，對A、B、C、D有控制作用；而為低電平時，則對INH1和INH2起控制作用，從而可對電動機轉向和轉矩進行控制。

L298晶片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機 具有兩抑制輸入來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，相應外接線端可用來連接外設傳感電阻。

AT89C52通過串口經MAX232電平轉換之後與微機相連。接受上位機指令。向L297發出時鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制等信號。電路中，電阻R13，R15用來調節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，來確定是否進行斬波控制，以達到控制電機繞組電流峰值。

4 軟體組成

在該電路中，將P1.0口設為電機開始按鈕，P1.1，P1.2，P1.3為速度選擇按鈕。速度由低到高，P1.4為電機停止按鈕。並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，步進電機其啟動，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、運行和停止整個過程中，這採用常用的離散辦法來逼近理想的近似梯形的升降速曲線，如圖5所示。

把各離散點的速度所需的裝載值用公式轉化為各自所需的定時時間固化在系統的ROM 中，這裡用TH0=（65536-time）/256，TL0=（65536-time）％256來計算裝載值，time表示各階梯所需定時時間。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

本文創新點在於提出應用單片機和L297、L298集成電路構成步進電機控制驅動器。使之具有元件少。可靠性高、佔空間少、裝配成本低等優點。另外，在上面提出的在加減速程序中定時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間。具體做的時候。可直接把初值計算出來或把除號用相加來計算。

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