单片机基于297,298的步进电机 驱动器.doc

编号： 单片机实训 (论文)说明书题 目： 步进电机控制器 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 0901130324 指导教师： 符强 严素清 2012 年 01 月 03 日16摘要步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件，具有快速起动和停止的特点。其驱动速度和指令脉冲能严格同步,具有较高的重复定位精度, 并能实现正反转和平滑速度调节。它的运行速度和步距不受电源电压波动及负载的影响, 因而被广泛应用于数模转换、速度控制和位置控制系统。本文在分析了步进电机的驱动特性、斩波恒流细分驱动原理和混合式步进电机驱动芯片L297L298的性能、结构的基础上，结合AT89C52单片机，设计出了混合式步进电机驱动电路。关键词：步进电机；AT89C52单片机；L297/L298驱动。AbstractStepping motors is a kind of will convert angular displacement or electrical impulses signal line displacement of precision actuator, have fast start and stop characteristics. The driving speed and instructions pulse can strictly synchronization, which has high repositioning precision, and can realize the positive &negative and smooth adjustable speed. Its operation speed and step distance from supply voltage fluctuation and load effect, which have been widely applied in analog-to-digital conversion, speed control and the position control system. Based on the analysis of the stepper motor driving characteristics, a chopper constant-current subdivided driving principle and hybrid stepping motor drive chip L297 / L298 the performance, structure in the foundation, the union AT89C52 single chip computer, designed a hybrid stepping motor driver circuit. Key words: Stepping motor; AT89C52 single chip computer; L297 / L298 driver. 目 录第一章 绪论11.1课题背景11.2设计目的与意义11.3选择方案11.3.1步进电机概述11.3.2步进电机工作原理 21.3.3控制方案 3第二章 步进电机驱动器42.1驱动器的选择42.2.1 L297L298驱动特性分析 42.1.2 L297298功能分析 42.2 驱动器的芯片连接 6第三章 单片机电路83.1步进电机控制器83.1.1脉冲产生电路83.2加速减速控制103.3显示及键盘电路123.4细分驱动123.5程序设计13第四章 总结16参考文献17附录：原理图 第一章 绪论1.1课题背景步进电机以其独特的特点可以在无速度传感器和无位置传感器系统中实现精确的开环状态定位或同步运行。我们通过调节发送给步进电机的步进脉冲个数来实现精确的位移或者角度定位，而调节发送的步进脉冲频率就可以实现速度调节，这些都有利装置或设备的小型化和低成本，因而在众多领域中得到广泛的应用。步进电机的使用性能与它的驱动电路有密切的关系，随着电子技术的发展 ，使步进电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使步进电机驱动电源的研制上了一个新台阶，使其性能指标有了显著的提高。国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进电机驱动电源却很少，而且国内的驱动电源方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便，国外虽然有通用的各种类型的步进电机驱动电源，但大都存在一些问题，如价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。如前所述，步进电机伺服系统的性能，不仅与步进电机本体的特性有关，而且还与步进电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系，特别是驱动电源技术方面，对步进电机运行性能的改善，如高频力矩的提高，步距分辨率的提高，单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。1.2设计的目的与意义掌握步进电机的工作原理及控制方法，本次设计任务要完成的目标是：利用单片机控制实现步进电机的启停、正转、反转、加速、减速、实现步进电机的细分控制、控制器满足步进电机的幅频特性等功能。1.3选择方案1.3.1步进电机的概述步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角)。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多，输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机种类，根据自身的结构不同，可分为常用三大类：反应式(VR，也称磁阻式)、永磁式(PM)、混合式(HB)。其中混合式步进电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛。1.3.2步进电机工作原理 图1 是一个四相磁阻式步进电机的结构示意图，该电机定子上有8 个凸齿，相距180的两个凸齿构成一相，每一相上的线圈反相连接，这样8 个齿就构成四相，AA1、BB1、CC1、DD1，因此称为四相步进电机1。图1 四相磁阻型的步进电机结构示意图当有一相绕组被励磁时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他的六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被迫转动，使最近的一对齿与被励磁的一相对准。在图1 的a 图中B 相被励磁，转子与B相对准。在这个位置上，再对A 相进行励磁，则转子在磁场作用下顺时针转过15，如图1 的b 图所示，这样步进电机就转过了一个步距角。继续对C 相进行励磁，转子在磁场的作用下进一步顺时针转过15，到达c 图所示的位置，又转过了一个步距角。再对D 相进行励磁，又产生了一个新的磁场，在磁力的作用下转子又转过一个步距角15。这样步进电机的四相完成一个通电循环，若要继续转动，就继续顺次励磁，即步进电机按照ABCDA顺序顺次励磁，那么电机就不停地转动；若要电机反转，只需要改变电机的励磁顺序，按照ADCBA的次序励磁即可。一般对步进电机采用半步驱动，即四相八拍工作方式，使步进电机每次励磁转过1 /2 的步距角，即每次改变励磁方式步进电机转过7.5，它的励磁方式是AABBBCCCDDDAA，若要反转也是只需改变励磁方式即可，即按照AADDDCCCBBBAA，采用八拍工作方式使得电机的转动更加稳定，也进一步增强了步进电机的控制精度。改变控制绕组数（相数）或极数（转子齿数），可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算： L =3600 /(PNC) 式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数；C为通电方式。在图1中，步长为150，表示电机转一圈需要24步。1.3.3 控制方案步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制2。步进电机最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，步进电动机开环控制系统组成如图2。在本文中我们选用的步进电机为四相八拍混合式步进电机57BYG450，参数具体如下：电压12v，电流0.45A，步距角1.80/步，空载启动频率1200步/秒，空载运行频率20步/秒，转动惯量0.135kg/cm2。单片机 驱动器及细分步进电机LCD显示键盘输入 图2 步进电动机开环控制系统组成第二章 步进电机驱动器2.1驱动器的选择混合式步进电机广泛应用于数控机床、机器人、遥控、航天等领域，特别是微型计算机和微电子技术的发展，使步进电机获得了更为广泛的应用。但其步距角较大、分辨率低、易发热等缺点往往满足不了工业上的精确定位和大扭矩控制。为解决上述问题，本电路采用混合式步进电机驱动芯片L297L298。2.1.1 L297L298驱动特性分析一般情况下，步进电机根据环形分配器决定分配方式，各绕组的电流轮流切换，从而使步进电机的转子步进旋转。步距角的大小只有两种，即整步工作和半步工作，而步距角已由电机的结构确定。如果在每次输入脉冲切换时。不是将绕组电流全部通入或关断，只改变相应绕组中的额定电流的一部分，则转子相应的每步转动原有步距角的一部分，而额定电流分成多少次进行切换，转子就以多少步完成一个原有的步距角。这种将一个步距角细分成若干步的驱动方法即为细分驱动3。同时，在步进电机每相绕组通电周期中，常用的驱动方法采用恒定电流值驱动，该方法在驱动大力矩负载时往往发热现象严重。为了解决上述问题，提出了斩波恒流驱动方法，在斩波恒流电路中，采用高电压驱动，电机绕组回路不串联电阻，这样电流上升的速度会很快。同时在电路中设置采样电阻，在绕组电流达到额定值时，由于采样电阻的反馈作用，通过比较器使电源电压工作在关断状态，从而使绕组电流保持在额定值附近内波动。由于电源电压并不是一直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，具有很高的效率，降低了发热量。在驱动器中采用将细分和斩波恒流驱动结合技术，电机内电流波形图如图3（b）。2.2 L297L298功能分析L297单片步进电动机控制器集成电路适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制。用L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路，用来驱动 (a)普通方法驱动 (b)斩波恒流细分驱动图3 驱动电路电流波形电压为12V，每相电流为0.45A以下的步进电动机。L297也可用来控制由达林顿晶体管组成的分立电路，驱动更高电压、更大电流的步进电动机。此器件的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻微处理机和程序设计的负担。此芯片是具有20个引出脚的双列直插式塑胶封装的器件，采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作。L297主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出逻辑控制组成，工作原理分述如下：L297的核心是脉冲分配器，它产生三种相序信号，对应于三种不同的工作方式：即半步方式(HALF STEP)；基本步距(FULL STEP，整步)一相激励方式；基本步距两相激励方式。脉冲分配器内部是一个3bit可逆计数器，加上一些组合逻辑，产生每周期8步格雷码时序信号，这也就是半步工作方式的时序信号。此时HALF/FULL信号为高电平。若HALF/FULL取低电平，得到基本步距工作方式，即4步工作方式。 L297另一个重要组成是由两个PWM斩波器来控制相绕组电流，实现恒流斩波控制以获得良好的转矩-频率特性。每个斩波器由一个比较器，一个RS触发器和外接采样电阻组成，并设有一个公用振荡器，向两个斩波器提供触发脉冲信号。图4中，频率f，是由外接16脚的RC网络决定的，当R10k时。F=1/0.69RC,当时钟振荡器脉冲使触发器置l，电机绕组相电流上升，采样电阻的Rs电压上升到基准电压Vref时，比较器翻转。使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，等待下一个振荡脉冲的到来。这样触发器输出的是恒频PWM信号，调制L297的输出信号，绕组相电流峰值由Pref整定。图4 L297内部斩波器电路示意圈2.2 驱动器的芯片连接L297和L298的芯片及其管脚功能如下图5所示，L297和L28的组合控制驱动的应用电路图如图6。 图5 L297/L298的芯片图图6 L298和L297的组合电路图L297和L298的组合驱动控制的真值表如下：励磁方式励磁相 （A相）（B相）（相）（相）四相八拍混合式步进电机A1000AB1100B0100BC0110C0010CD0011D0001DA1001第3章 单片机控制电路3.1步进电机控制器AT89C52是美国ATMEL的低电压、高性能8位CMOS单片机。片内置8K字节可重复擦写的Flash闪速存储器，256字节 RAM。3个16位定时器，可编程串行UART通道。对完成步进电机的简单控制已足以胜任4。 本控制器主要由AT89C52单片机晶振电路、3.1.1步进脉冲产生电路在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的 CP脉冲的频率或换向周期实际上是控制步进电机的运行速度。系统可用两种办法实现步进电机的速度控制：一种是延时，一种是定时。延时方法是在每次换向之后调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换向，这样周而复始就可发出一定频率的CP脉冲或换向周期。延时子程序的延时时间与换图8 步进电机速度控制器设计向程序所用的时间和就是CP脉冲的周期 。该方法简单，占用资源少，全部由软件实现，调用不同的子程序就可实现不同速度的运行；但占用CPU时间长，不能在运行时处理其他工作，因此只适合较简单的控制过程。定时方法是利用单片机系统中的定时器定时功能产生任意周期的定时信号，从而可方便的控制系统输出CP脉冲周期。当定时器起动后，定时器从装载的初值开始对系统及其周期进行加计数；当定时器溢出时，定时器产生中断，系统转去执行定时中断子程序。将电机换向子程序放在定时中断服务程序中，定时中断一次，电机换向一次，从而实现电机的速度控制。由于从定时器装载完重新起动开始至定时器申请中断止，有一定的时间间隔，造成定时时间增加。为了减少这种定时误差，实现精确定时，要对重装的计数初值作适当调整。调整的重装初值主要考虑两个因素：一是中断响应所需的时间；二是重装初值指令所占用的时间，包括在重装初值前中断服务程序中的其他指令因素。综合这两个因素后，重装计数初值的修正量取8个机器周期，即要使定时时间缩短8个机器周期。在定时中断方式控制电动机变速时，实际上是不断改变定时器装载值的大小。在 控制过程中，采用离散办法逼近理想升降速曲线。为 了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的ROM中，系统在运行中 用查表法查出所需的装载值，这样可大幅减少占用CPU的时间，提高系统的响应速度。其流程图如下：3.2 步进电机起动及加/减速控制方案 步进电动机的最高起动频率（突跳频率）一般为0.1KHz到3-4KHz,而最高运行频率则可以达到N*102 KHz.以超过最高起动频率的频率直接起动,将出现失步现象,甚至无法起动.较为理想的起动曲线,应是按指数规律起动.但实际应用对起动段的处理可采用按直线拟合的方法,即阶梯升速法.可按两种情况处理,已知突跳频率则按突跳频率分段起动,分段数n=f/fq.未知突跳频率,则按段拟合至给定的起动频率,每段频率的递增量（后称阶梯频率）f=f/8,即采用8段拟合.在运行控制过程中,将起始的速度（频率）分为n分作为阶梯频率,采用阶梯升速法将速度连续升到所需要的速度,然后锁定,按预置的曲线运行.如图2所示.用单片机实现步进电机的加/减速控制,实际上就是控制发脉冲的频率,升速时,使脉冲频率增高,减速时相反.如果使用定时中断来控制电机的速度,加减速控制就是不断改变定时器的初值.速度从V1V2如果是线性增加,则按给定的斜率升/降速；如果是突变,则按阶梯升速法处理.在此过程中要处理好两个问题： 3.2.1速度转换时间应尽量短 为了缩短速度转换的时间,可以采用建立数据表的方法.,结合各曲线段的频率和各段间的阶梯频率便可以建立一个连续的数据表,并通过转换程序将其转换为定时初值表.通过在不同的阶段调用相应的定时初值,控制电机的运行.定时初值的计算是在定时中断外实现的,并不占用中断时间,保证电机的高速运行.3.2.2保证控制速度的精确性 要从一个速度准确达到另外一个速度,就要建立一个校验机制,以防超过或未达到所需速度.3.2.3步进电机的换向问题 步进电机换向时,一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向,以免产生较大的冲击而损坏电机.换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出.如图3所示.对于CP脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度（一般不小于5s）、脉冲序列的均匀度及高低电平方式. 在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向升速三个过程.32.4速度与定时器初值的转换 本系统的速度控制是依靠定时产生CP脉冲来完成的,设定的速度与产生CP脉冲的定时器初值间存在一定关系.C51定时器的工作方式有多种,本设计定时器工作在连续方式下.在连续模式,定时器从它的当前值开始计数,当计到0FFH后又从0开始重新计数.在该方式下,将定时器的当前值和比较寄存器CCRX相比较,如相等则产生中断,并在该中断服务程序中可以将下一个事件发生的时间加到比较寄存器CCRX上,如图4,如此这样便会得到连续的定时时间间隔,并在每一个定时间隔到来产生中断请求.定时初值=所需定时值/计数周期；对于步进电机其速度值常以频率形式给定,诸如运行在20KHZ下,因此上式可转换为：定时初值=计数频率/速度值.（其中计数频率为系统时钟频率）3.3 显示及键盘电路：3.4 细分电路的设计针对上述两种现有的细分技术状况，本论文的目的在于： (1)、从理论和实践的角度，建立一种新的步进电动机高精度细分方法和数学模型，以消除现有技术方案中不可克服的滞后角值所引起的问题，使细分技术提高到更高的水平。 (2)、在新原理方法指导下设计相应的硬件控制电路。 (3)、设计细分控制函数修正的电路及其相应的计算机自动控制程序。本电路的构思及技术解决方案叙述如下： 为了实现高精度的定位，对步进电机步距进行高分辨细分的关键，也是本系统的难点所在。从以上的分析可知，步进电动机的细分驱动电路都是通过电流合成矢量的旋转来实现的。一般的细分方法只改变某一相的电流，该方法的缺陷是电流合成矢量的幅值是不断变化的，使步进电机的传距亦随之变化，从而引起滞后角的变化，最终就影响可细分数的增加，即限制了分辨率的提高。 采用现有技术细分方法时的电流矢量旋转示意图（图2.2） ：图2.2 电流矢量旋转示意图为了能够从根本上解决这个问题，消除现有技术中由于滞后角的变化引起的值大于微步距角而导致不可继续细分的问题，只有使电流合成矢量 ih 形成新的距角特性曲线，为达到这一点，必须满足一下两个条件： (1)、电流合成矢量旋转时每次变化的角度要均匀； (2)、电流合成矢量的大小或幅值要保持不变。 基于这个条件，即可建立“电流矢量恒幅均匀旋转”细分驱动方法。同时改变两相电流的大小，使电流合成矢量恒幅均匀旋转。这种方式可称为步进电机的模拟运行，它是一种基于交流同步电机概念的特殊细分技术， 实质是对运行于交流同步电机状态的步进电机所受的交流模拟信号在一个周期内细分，即每个细分点对应于一个交流值。当细分数相当大时，例如本系统中将一个四分之一周期分成 4096 个点，电机绕组的电流信号就逼近模拟连续信号。这种细分技术可以极大地提高步进电机的分辨率和运行稳定性。3.5程序设计在程序的编制中，要特别注意步进电机在换向时的处理。为使步进电机在换向时能平滑过渡，不至于产生错步，应在每一步中设置标志位。在正转时，不仅给正转标志位赋值，也同时给反转标志位赋值;在反转时也如此。这样，当步进电机换向时，就可以上一次的位置作为起点反向运动，避免了电机换向时产生错步。本设计应用单片机和L297、L298集成电路构成步进电机控制驱动器.使用LCD1602做显示，包括实时速度显示和状态显示，L297自带正反转控制功能，1/2细分功能等，单片机主要是产生脉冲，显示及控制L297的正反转，停止，半步全步等。此次编程及调试是用keil软件进行的，程序的编写及调试步骤如下：1. 根据步进电机步进电机的相序，编好正反转相序表，这个是关键，不能编错。2.定义各个变量及相关液晶显示符3. 定义各个按键：4. 编写各个子程序。5. 编写主程序，进入主程序即开始进行键盘扫描及调用液晶显示。6. 定时器T0的中断服务程序，进入中断，若满足条件，即向步进电机送脉冲。1602LCD的一般初始化（复位）过程：脉冲产生：本系统的速度控制是依靠定时产生CP脉冲来完成的,设定的速度与产生CP脉冲的定时器初值间存在一定关系.C51定时器的工作方式有多种,本设计定时器工作在连续方式下.在连续模式,定时器从它的当前值开始计数,当计到0FFH后又从0开始重新计数.在该方式下,将定时器的当前值和比较寄存器CCRX相比较,如相等则产生中断,并在该中断服务程序中可以将下一个事件发生的时间加到比较寄存器CCRX上,如图4,如此这样便会得到连续的定时