【文章內(nèi)容簡介】 兩相混合式步進電機進行細分驅(qū)動，電機A/B兩相的電流的峰值由Vref控制，需要兩片L297共同 控制1片L298。L297/L298組成的二相步進電機細分驅(qū)動電路如圖33所示：圖32 步進電機細分驅(qū)動電路該驅(qū)動電路可用于驅(qū)動兩相雙極性和四相但極性步進電機。步進電機的繞組最大電流在2A以上，使用較高的電源電壓可以使繞組中的電流上升速度加快。具體的設計如下：(1) RC網(wǎng)絡設計：L297的RC網(wǎng)絡決定了斬波震蕩的脈沖頻率，即為PWM斬波頻率取R=22KΩ，C=。并且在使用多個L297控制時，只需將每個L297的SYNC引腳連到一起，可以共用套震蕩元件。如果要使用外部斬波時鐘源，則時鐘信號連到SYNC引腳。(2) 采樣電阻設計：取采樣電阻R1=R2=1Ω。功率在3W以上。(3) 續(xù)流電路設計：續(xù)流電路采用的二極管必須采用可以快速關斷的FAST DIODES 電流在2A以上。本次設計選用的型號為1N5819.(4) 通信接口設計：L297控制信號輸入信號高電平的最小值為2V，可以使用020單片機的I/O口輸出直接驅(qū)動L297。(5) 電源：L297電源與L298的邏輯電路電源使用5V穩(wěn)壓電源，L298功率電源使用電壓在36V～70V之間的直流電源。鍵盤參數(shù)輸入串行通信接口MCU本次設計的步進電機驅(qū)動電路的控制信號可以接收PC機通過串口發(fā)來的控制信號，也可以通過鍵盤輸入?yún)?shù)產(chǎn)生相應的控制信號。如圖33所示。圖33 MCU控制電路 鍵盤輸入 C8051F020有大量的I/O數(shù)字端口，通過讀取寄存器Pn的值可以得知I/O口上的電平變化狀況。因此可以通過按鍵或撥碼開關來實現(xiàn)對單片 機進行參數(shù)輸入的目的。按鍵輸入電路圖如圖34。 圖34按鍵輸入電路細分數(shù)由撥碼開關進行設置，撥碼開關的的具體位置與其代表的細分數(shù)如表31所示：表 31 細分對照表細分選擇開關輸出細分數(shù)0001001201040118100161013211064111128 串行通信接口通過上位機發(fā)送的指令來改變單片機輸出的控制信號, 從而改變步進電機的運動方向、運行速度以及細分數(shù)的大小。該電路用到的芯片是MAX232以及相關的輔助電路。如圖35。圖 35 通信接口電路第四章 步進電機驅(qū)動電路軟件設計整個驅(qū)動系統(tǒng)有多個分立模塊組成，要想使整個系統(tǒng)能夠正常運行，只有硬件不行，還必須要有與其配套的軟件程序。這是系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)依靠程序軟件運行實現(xiàn)步進電機的可控運行，程序軟件的合理運行既可以有效的發(fā)揮系統(tǒng)的硬件功能，又可以完善干擾措施。在進行軟件設計時，要注意以下幾個方面：u 盡量采用結構化程序設計，功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，便于調(diào)試、連接和移植修改u 合理利用編譯軟件資源，可大量節(jié)省工作量u 提高軟件的抗干擾能力驅(qū)動系統(tǒng)的核心是C8051F020單片機，采用的開發(fā)軟件為Keil uVision3，軟件程序由C語言編寫成。這是由于C語言比較容易學習，編寫程序容易理解，條理清晰。軟件程序主要有主控程序，系統(tǒng)初始化程序、鍵盤處理程序、串口通信程序階梯波電壓產(chǎn)生程序、步進時鐘信號程序等。 驅(qū)動器個程序模塊開發(fā) 主程序設計系統(tǒng)主程序流程圖如圖41所示。主程序是一個順序執(zhí)行的無限循環(huán)程序，內(nèi)嵌兩個循環(huán)子程序。程序開始時先執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，接下來執(zhí)行while死循環(huán)程序，這個循環(huán)里又嵌套兩個子循環(huán)，先執(zhí)行第一個循環(huán)，等待開始運行信號，收到開始運行信號后跳出這個循環(huán)進入第二個循環(huán)；在這期間如果有UART0的中斷脈沖信號，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的中斷服務子程序。在第二個循環(huán)中如果收到脫機信號，則主程序跳出第二個循環(huán)，進入第一個循序，若有中斷脈沖信號，就去執(zhí)行相應的中斷的服務子程序。YYNYN開始 初始化設置計數(shù)器與細分步數(shù)設置驅(qū)動電路開定時器是否有脫機信號關定時器關驅(qū)動電路是否有開始信號圖41 主程序流程圖 定時器中斷服務程序本控制系統(tǒng)軟件設計中，脈沖信號產(chǎn)生使用了定時器2與定時器4。定時器2用于產(chǎn)生控制脈沖轉(zhuǎn)速的信號，定時器4用來產(chǎn)生細分脈沖，頻率為F1 ，且有F1 =NF0（F0為細分數(shù)) 。每過一個細分信號周期，單片機輸出到L297端口的參考電壓 ，順次發(fā)生變化，使通過線圈的電流逐漸增大或減少，而不是一次通入或切斷。這兩個定時器都有其相應的中斷服務子程序，定時器溢出時產(chǎn)生相應的中斷脈沖信號，并進入相應的中斷程序。具體程序流程如圖42所示：NY定時器中斷服務程序2現(xiàn)場保護關閉定時器讀取細分代碼 更改DAC恢復現(xiàn)場開定時器中斷返回計數(shù)器是否滿計數(shù)器清零定時器中斷服務程序2現(xiàn)場保護關閉定時器CLOCK反轉(zhuǎn)恢復現(xiàn)場開定時器中斷返回圖42 定時器中斷服務程序流程（a）（b） 按鍵輸入及控制程序在設計中，驅(qū)動系統(tǒng)的大部分控制信號都有單片機鍵盤輸入，包括速度、方向、電機的運行與停止以及細分步數(shù)設置。單片機讀取鍵盤參數(shù)通過掃描方式進行。程序流程圖如圖43所示。圖中Key1控制電機的停止與運行，Key2控制方向，Key3控制速度大小。 按鍵掃描流程圖 串口通信程序 除了使用鍵盤為單片機輸入控制信號，還可以使用PC機與單片機進行串行通信進行控制，這樣能夠更好的將步進電機應用于自動化裝置，結合上位機，實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的智能控制。本文利用的是C8051F020的UART0來完成與PC機的串行通信，根據(jù)232通信協(xié)議制定了試驗階段用的最簡通信協(xié)議。在保證通信數(shù)據(jù)正確性的同時，盡可能簡化通信協(xié)議。于本文研究的驅(qū)動系統(tǒng)處于工程設計初級，一時不能完成上位主機控制軟件的設計，為方便于調(diào)試而使用串口助手軟件。如圖44所示。在圖中的數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)寫入所要發(fā)送的指令點擊手動發(fā)送既可以實現(xiàn)對下位機簡單的串口通信。 圖44 串口調(diào)試助手 細分數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與存儲實驗中所使用的C8051F020實驗板，具有64KB FLASH 存儲器以及2KB的外部RAM為了滿足驅(qū)動電路所需的速度，必須把細分所需的階梯電壓參數(shù)以及速度參數(shù)固化到ROM中。階梯電壓由兩路12位DAC產(chǎn)生，兩個DAC的數(shù)據(jù)寄存器DAC0與DAC1所需的具體參數(shù)由下式確定：（46）（47）根據(jù)上式，利用Turbo C ，具體的C程序流程如圖45。細分代碼生成程序流程圖 I/O口設置及各參數(shù)意義本次設計使用的單片機端口資源為1O個通用I/O引腳（GPIO），兩路DAC，RXD0，TXD0。各個引腳對應的名稱及說明見表41：表41 單片機引腳名稱對照表參數(shù)名稱引腳說明TX0 串口發(fā)射RX0串口接收RESET控制L297復位HALF_FULL控制L297半步/全步選擇CLOCKL297步進時鐘信號CW/CCW控制L297方向HOME檢測L297是否在初始位置ENABLE控制L297的使能細分選擇細分選擇細分選擇key1使能控制信號key2方向控制信號key3速度控制信號DAC0DAC0A相的參考電壓DAC1DAC1B相的參考電壓步進電機運行的速度是由Timer2的重裝載寄存器RCAP2確定的L297步進時鐘CLOCK的頻率F與RCAP2的關系為：F=SYCLOCK/RCAP2 式中SYCLOCK為單片機所使用的系統(tǒng)時鐘頻率。步進電機的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速為： （43） 本章總結編程中如果使用中斷就要分析確定使用哪幾個中斷，中斷較多時還要考慮中斷的優(yōu)先級。使用寄存器要注意合理安排使用，考慮哪些寄存器是全局變量，這種變量在整個過程中都在使用，一處改變影響到整個程序，使用時要仔細考慮。還有一些寄存器只在子程序、中斷服務程序或某幾句程序中使用，使用時只考慮相關的程序。正確合理的使用標志寄存器可給編寫程序帶來極大方便。有于單個模塊程序功能單一、益于編寫、調(diào)試修改，所以編寫程序時應計量結構化和模塊化。第五章 驅(qū)動控制器的調(diào)試主要是對L297/L298組成的步進電機細分驅(qū)動控制器的性能進行測試，檢測它能否完成一定的任務，是否能達到預定的目標。為了是測試方便，使用實驗室現(xiàn)有的C8051F020單片機開發(fā)板作為測試用的控制電路如圖51所示。 圖51 C8051F020單片機開發(fā)板步進電機使用兩相混合式步進電機，型號為PJ55E1U97D如圖52所示使用的L297與L298芯片如圖53（a）、（b）所示，L297/L298共同組成的驅(qū)動電路如圖54所示。（a）L297 （b）L298圖53 L297與L298圖52 步進電機 圖54 L297/L298調(diào)試中使用的直流穩(wěn)壓電源與整流橋電源如圖55所示。圖55穩(wěn)壓電源由C8051F020與L297/L298組成的步進電機驅(qū)動電路帶動步進電機運行如圖56所示。 圖56驅(qū)動電路整體電路圖使用編譯軟件下載調(diào)試程序軟件，如圖57所示。圖57keil編譯系統(tǒng)（1）工作電壓檢測：調(diào)整好電路測量L298的供電電源電壓，測試結果為42V符合要求可以正常運行。（2）電機運行檢測：接通電源后，按key1鍵，是電機運行或停止；按key2鍵調(diào)整電機的運動方向；案key3鍵調(diào)整電機的運行速度；由撥碼開關設置不同的細分數(shù)。（3）控制信號波形檢測：測試這些波形主要是對電路控制部分、程序設計進行實踐驗證。圖58（a）、（b）取自C8051F020的DAC0口。所測脈沖頻率為100Hz，其中圖（a）為16細分時參考電壓波形圖（b）為128細分時參考電壓波形。從圖可以看出參考電壓為線性與正弦波的疊加。與前面所介紹步進電機非線性化設計所介紹的內(nèi)容一致。（a）128 細分 （b）16細分圖58 L297參考電壓波形圖59為L297的CLOCK脈沖波形圖59圖510為L297輸出的PWM斬波波形圖510 L297輸出的PWM斬波波形 圖511為L298采樣電阻上的波形，與參考電壓相一致 圖511 L298采樣電阻上的波形 結 論本文根據(jù)工程目標以C8051F020為控制核心設計的步進細分電機驅(qū)動系統(tǒng)，完成了硬件、軟件的設計，以及驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試工作。主要工作如下：（1） 完成系統(tǒng)的整體設計。（2） 根據(jù)步進電機的細分驅(qū)動原理，設計出合理的細分驅(qū)動方法。（3） 學習C8051F020單片機，實現(xiàn)編程與調(diào)試。（4） 完成系統(tǒng)的硬件與軟件設計（5） 根據(jù)設計好的電路進行電路焊接與安裝（6） 對設計好的電路進行調(diào)試。最終實現(xiàn)了混合式步進電機的恒流細分驅(qū)動器，結構簡單，控制靈活，提高了步進電機分辨精度與定位準確度，較好地降低了步進電機運行中發(fā)熱現(xiàn)象，具有很高的效率。參考文獻[1] 李玲娟，劉景林，2007.[2]陳興文。.[3]沈正海。2005[4]唐國棟。微計算機信息2006，22（34）：134136.[5]Cygnal Integrated Products,Inc,Inc著(潘琢金等譯),C8051F單片機應用解析，北京：北京航空航天大學出版社，[6]童長飛，C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程，北京航空航天大學出版社，2005。[7]顧德英等，計算機控制技術，北京郵電大學出版社，2007。[8]L29L298英文PDF.[9] 楊韜儀,王輝 ,徐鋒. 兩相步進電動機細分方法研究. 10016848 (2007) 09006903[10]。1004 7018( 2005) 04 0028 03[11]?！缎录夹g新工藝》 1996年 第4 期[12]陳新, A3983和 AT89C2051兩相步進電機驅(qū)動器的設計1671 1041 (2009) 01 0059 03[13] 徐志躍 ,文招金 , FPGA 　2008 年 第38 卷 第4 期[1