范磊磊，庹先國(guó)，2，王洪輝，劉 靜

(1.成都理工大學(xué)，四川成都 610059;2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 引 言

在自動(dòng)控制領(lǐng)域經(jīng)常需要用到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，L297+L298由于其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)在雙極性兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和單極性四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制中得到廣泛應(yīng)用［1］。使用L297和L298雖然可以方便地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，但在使用過(guò)程中依然存在若干細(xì)節(jié)問(wèn)題。如:轉(zhuǎn)速與定時(shí)器間關(guān)系及如何設(shè)置，并未有相關(guān)文獻(xiàn)指出［1－4］;細(xì)分驅(qū)動(dòng)中細(xì)分量的計(jì)算、軟件如何設(shè)計(jì)，并未見(jiàn)詳細(xì)說(shuō)明［5－6］;以及在使用單片機(jī)控制L297、L298時(shí)電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，以一兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，給出了普通驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路三種電路、相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法以及軟件設(shè)計(jì)方法，對(duì)使用L297+L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常遇到查不到相關(guān)資料的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，對(duì)此，初次使用者常常無(wú)從下手。以一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，其型號(hào)為57BYGH439－09，機(jī)身標(biāo)注1.8°、3.0 A，即整步距 1.8°，最大電流 3 A。下面以該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，從電機(jī)分析到系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分析

首先需要確定電機(jī)的繞組關(guān)系，該電機(jī)有紅、綠、黃、藍(lán)四根線，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量得到如圖1所示的繞組接線示意圖。

測(cè)得其兩相繞組的直流電阻均為 1.5 Ω，其中紅、綠線和黃、藍(lán)線共同組成兩相四線制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)機(jī)身標(biāo)注的1.8°，可初步判斷該電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)［2］。

圖1 電機(jī)繞組示意圖

1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)繞組確定后，需要進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計(jì)對(duì)該電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。L297兼容TTL電平，采用IO口3.3 V電平的單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。L298雙H橋最大可驅(qū)動(dòng)46 V、2.5 A的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，若負(fù)載需更大電流驅(qū)動(dòng)，可使用L297+雙L6203組合［7］。

L297+L298組合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以分為3種驅(qū)動(dòng)電路，即:普通驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)。

1.2.1 普通驅(qū)動(dòng)

普通驅(qū)動(dòng)模式是L297和L298最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式，單片機(jī)可以通過(guò)控制L297的時(shí)鐘頻率、方向、全步/半步和使能信號(hào)就可迅速驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電路原理如圖2所示，其中續(xù)流二極管使用1N4007。L297的CTL引腳用于INH1、INH2和ABCD功能切換，在普通驅(qū)動(dòng)和斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路中CTL電平對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)沒(méi)有影響。L297具有全步、半步控制功能，但工作于半步模式時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所獲得的轉(zhuǎn)矩較常規(guī)值偏?。?］。為了避免單片機(jī)在上電瞬間IO口的高電平對(duì)L297的影響，在EN引腳相連接了下拉電阻R1，也可以使用非門進(jìn)行處理。

圖2 普通驅(qū)動(dòng)電路原理圖

電機(jī)接線順序的選擇需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。首先，將DIR、EN置高電平、HF置低電平，由信號(hào)發(fā)生器將TTL脈沖送入CLK，由此測(cè)得如表1所示的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向組合表。其中任何一種接線方式均可實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這里采用紅綠黃藍(lán)組合。從接線組合表中可以看出，任何一個(gè)繞組交換接線順序均可改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，這就表明在CW/CCW已經(jīng)固定的情況下通過(guò)交換繞組的接法可改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

表1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向接線組合表

普通驅(qū)動(dòng)模式下，在低速運(yùn)行時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將出現(xiàn)振蕩和電流增大的問(wèn)題，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速后，電源電流將減小，即轉(zhuǎn)矩降低，并且容易發(fā)生失步現(xiàn)象。采用斬波恒流驅(qū)動(dòng)可減小這兩方面的問(wèn)題。普通驅(qū)動(dòng)模式可用于對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求不高的場(chǎng)合。

1.2.2 斬波恒流驅(qū)動(dòng)

斬波恒流驅(qū)動(dòng)方式具有提高電源效率、有效抑制共振和提高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主流驅(qū)動(dòng)方式。L297內(nèi)部集成斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流斬波控制能夠保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值基本恒定［4］。通過(guò)在OSC引腳加入RC電路同時(shí)給VREF引腳加比較電壓即可控制斬波頻率，進(jìn)而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相電流的大小。斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。

圖3 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖

1.2.3 細(xì)分驅(qū)動(dòng)

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要精確控制機(jī)械機(jī)構(gòu)的位移或角度，對(duì)于1.8°的步距角常常滿足不了需求，細(xì)分驅(qū)動(dòng)可以使實(shí)際步距角減小，可以大大地提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。同時(shí)，也可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)［8］。

(1)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和AB兩相合電流大小成正比［9］，由此得到合電流矢量圖為一個(gè)以合電流矢量為半徑的圓。

電流矢量的角度改變，可使轉(zhuǎn)子有不同的平衡位置，這個(gè)平衡位置是在原來(lái)的整步范圍內(nèi)。由此可以在一個(gè)整步內(nèi)得到多個(gè)新的平衡位置，即細(xì)分出多個(gè)小步［9］。

圖4 四分步模式矢量圖［9］

將合電流在A、B軸上投影，即可得到各相電流值，通過(guò)L297的VREF引腳即可控制兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A、B相電流，從而完成對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制。

(2)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路

為達(dá)到細(xì)分驅(qū)動(dòng)的目的，需要分別控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A、B兩相的電流值，單個(gè)L297只能同時(shí)控制A、B兩相電流大小，因此，必須采用雙 L297+單L298結(jié)構(gòu)。電流值的控制通過(guò)VREF引腳的電壓實(shí)現(xiàn)，通常使用DAC完成，筆者使用內(nèi)部帶2個(gè)12位電流型DAC的C8051F410單片機(jī)作為控制器，將DAC輸出電流值通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而控制VREF的大小。電路圖如圖5所示。

圖5 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路

采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)CTL引腳必須置低電平，即采用ABCD功能進(jìn)行控制，否則電機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。圖5中將兩個(gè)L297的SYNC引腳相連且U3的OSC引腳接地，同步了兩個(gè)L297的斬波頻率。

1.3 定時(shí)器轉(zhuǎn)速計(jì)算

1.3.1 普通模式、斬波恒流模式下定時(shí)器與轉(zhuǎn)速計(jì)算

普通模式與斬波恒流模式的定時(shí)器及轉(zhuǎn)速計(jì)算方式相同。圖6為L(zhǎng)297在正常模式下的工作時(shí)序圖，從圖中可以看出，每4個(gè)時(shí)鐘一個(gè)周期，對(duì)于該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，整步距為1.8°，即每個(gè)時(shí)鐘步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)1.8°，運(yùn)行200步即200個(gè)時(shí)鐘轉(zhuǎn)一周。

圖6 L297正常模式工作時(shí)序圖

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是由給入的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)頻率決定的［2］，采用單片機(jī)通過(guò)控制脈沖信號(hào)CLK頻率即可控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而頻率的控制通常使用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器中斷方式實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

計(jì)算公式如下:

式中:fclk為MCU輸出脈沖頻率;n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;tw為定時(shí)器中斷時(shí)間;Tclk為脈沖頻率周期;fTimer為MCU定時(shí)器時(shí)鐘頻率;x為定時(shí)器填充值;fSYS為MCU系統(tǒng)時(shí)鐘頻率;N為分頻系數(shù)。

轉(zhuǎn)速n通過(guò)按鍵設(shè)定，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中重新填充定時(shí)器的值，同時(shí)將輸出時(shí)鐘進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，這樣就可以精確控制fclk的頻率，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速n，這種方式下，所輸出的控制脈沖是占空比為50%的方波。

1.3.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式下轉(zhuǎn)速與定時(shí)器計(jì)算

(1)細(xì)分值計(jì)算

下面以4細(xì)分驅(qū)動(dòng)為例說(shuō)明細(xì)分參考電壓計(jì)算方法，4細(xì)分時(shí)將90°分為四份，矢量變化角度為22.5°，由于L297、L298能夠自動(dòng)控制相電流方向，無(wú)需人為控制相電流方向。將計(jì)算得到的數(shù)值分別存入兩個(gè)數(shù)組中，程序采用查表法即可方便的進(jìn)行相電流控制。表2為四細(xì)分值計(jì)算(VR為采樣電阻壓降)。

表2 四細(xì)分計(jì)算表

圖7為細(xì)分后A、B兩相電流脈沖時(shí)序示意圖。

圖7 A、B兩相電流脈沖時(shí)序示意圖

(2)轉(zhuǎn)速定時(shí)器計(jì)算

由于轉(zhuǎn)速與單片機(jī)所產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率成正比，細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一拍定時(shí)器需中斷m次(m為細(xì)分?jǐn)?shù))，每過(guò)m次中斷時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)一次，由式(5)可得細(xì)分模式下定時(shí)器重裝計(jì)算公式:

1.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖8所示，從左到右依次為主程序流程圖、普通驅(qū)動(dòng)和斬波恒流驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器中斷流程圖、細(xì)分驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器中斷流程圖。

圖8 軟件流程圖

主程序完成相關(guān)硬件初始化，L297所需時(shí)鐘由定時(shí)器中斷完成。轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過(guò)鍵盤中斷進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)按照式(5)、式(6)計(jì)算出定時(shí)器填充值。在普通模式、斬波恒流模式下只需在定時(shí)器中斷后重裝定時(shí)器，同時(shí)將輸出時(shí)鐘電平翻轉(zhuǎn)即可;細(xì)分模式時(shí)，先填充定時(shí)器值，然后查詢細(xì)分表，讀取相應(yīng)參數(shù)后設(shè)置DAC控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩相電流值，當(dāng)完成一個(gè)細(xì)分周期后，將輸出時(shí)鐘電平翻轉(zhuǎn)。

2 注意事項(xiàng)

L297、L298使用過(guò)程中應(yīng)注意以下問(wèn)題:

(1)L297 EN端需加10 kΩ下拉電阻(或使用非門處理)，保證了在上電時(shí)EN=0，執(zhí)行程序后EN=1，從而避免了上電瞬間影響L297正常工作。

(2)VCC端必需并聯(lián)1000 μF以上電容，保證電機(jī)正常起動(dòng)、停止。

(3)斬波恒流驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中采樣電阻值根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，電阻必須功率減額。

(4)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路中CTL引腳必須置為低電平，否則電機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以一兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，采用普通驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)三種不同電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)三種驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析總結(jié)。文中給出了定時(shí)器與轉(zhuǎn)速間的計(jì)算公式、細(xì)分量的計(jì)算方法、相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)和若干注意事項(xiàng)，便于開(kāi)發(fā)者更方便地使用L297+L298芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

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