步進(jìn)電機(jī)及其單片機(jī)控制

1、步進(jìn)電機(jī)及其單片機(jī)控制【摘要】： 隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī)是一種用于開(kāi)環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)元件。本文闡述了步進(jìn)電機(jī)的基本知識(shí)和特性,提出了基于單片機(jī)控制和集成電路驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方法以及軟硬件設(shè)計(jì)方法。【關(guān)鍵詞】： 步進(jìn)電機(jī);L297;L298;1. 步進(jìn)電機(jī)的基本知識(shí)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它將電脈沖信號(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。1. 步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)：1.1 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)一周后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性。1.2 由步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)

2、動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽俊Ｍ瑫r(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。1.3 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。1.4 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。1.5 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，它不能直接使用交流電源和直流電源。1.6 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。1.7 步進(jìn)電機(jī)自身的噪聲和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。2. 步進(jìn)電機(jī)的分類：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩

3、相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5 度或15 度；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5 度，但噪聲和振動(dòng)都很大，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80 年代已被淘汰?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8 度而五相步進(jìn)角一般為0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用很廣泛。我們以四相步進(jìn)電機(jī)35BYJ46 為例, 說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)的工作方式：35BYJ46 有四相ABCD，如果對(duì)各個(gè)相依次單獨(dú)通電，"A-B-C- D"，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相四次，則稱為四相單四拍；如果每次對(duì)兩相同時(shí)通電，"AB- BC- CD- D

4、A"，則稱為四相雙四拍；也可以每次對(duì)三相同時(shí)通電，"ABC- BCD- CDA- DAB"將單四拍和雙四拍交替使用，就稱為四相八拍，如："A- AB- B- BC- C- CD- D-DA"、"AB- ABC- BC- BCD- CD- CDA- DA- DAB"，此時(shí)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周需要換相八次。雙四拍每次對(duì)多相同時(shí)通電，與單四拍比較起來(lái)，每相通電的時(shí)間長(zhǎng)，消耗的電功率增大，電機(jī)所得到的電磁轉(zhuǎn)矩也大。同時(shí)，采用多相勵(lì)磁會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，會(huì)削弱或消除振蕩現(xiàn)象，使得電機(jī)不易產(chǎn)生失步。四相八拍與四相四拍相比較，步距角減小了一倍，有利于

5、削弱振蕩，提高電機(jī)的帶負(fù)載能力。一般說(shuō)來(lái)，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)需要以下部分,如圖1 所示。其中的脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率變化的脈沖信號(hào); 脈沖分配器根據(jù)方向控制信號(hào)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成有一定邏輯關(guān)系的環(huán)形脈_沖;功率放大器將脈沖分配器輸出的環(huán)形脈沖放大,用于控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，這些部分都可以由專門的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果用單片機(jī)加上專門的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，可以簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。2. 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式很多，有單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)和集成電路驅(qū)動(dòng)。由于集成電路集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片，使用起來(lái)非常方便。在實(shí)際應(yīng)用中, 我們選擇了L298N

6、 集成電路芯片作為35BYJ46 的驅(qū)動(dòng)芯片。L298 是采用15 腳的Multiwatt 或PowerSO20 封裝的單片集成電路芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖23。它內(nèi)部采用兩個(gè)高電壓、大電流的全橋電路A、B，每個(gè)橋需要兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平輸入，以驅(qū)動(dòng)繼電器、螺線管（電磁鐵）、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)（2 相或4 相）等負(fù)載。兩個(gè)使能引腳EnA、EnB 分別使能橋A、橋B。每個(gè)橋的三極管發(fā)射極連接在一起, 分別是引腳SenseA、SenseB，以外接電流反饋電阻。此外L298 還需要一個(gè)額外的電壓供應(yīng)端Vss 作為邏輯電路部分的電源。L298 可以用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，圖3 是直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，接兩個(gè)

7、直流電機(jī)A 和B。IOA1/IOB1,IOA2/IOB2 是兩個(gè)IO口，用于控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向；PWMA/PWMB 用于電機(jī)的調(diào)速控制，增大占空比可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，PWMA/PWMB 的產(chǎn)生可以由單片機(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以由硬件來(lái)產(chǎn)生。對(duì)于一些高檔的單片機(jī)如AVR、PIC 等，都有PWM輸出端口。VCC 選擇：7- 46V。圖4 是L298 驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)35BYJ46 的驅(qū)動(dòng)電路，每相流過(guò)的電流為2A。它采用了L297 來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，當(dāng)然，這也可以通過(guò)單片機(jī)的IO 口來(lái)軟件編程實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)以下的驅(qū)動(dòng)程序部分)。對(duì)于L297 芯片，重要的控制引腳如下：CW/CCW：電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制。CLOC

8、K：步進(jìn)時(shí)鐘脈沖，信號(hào)的上升沿觸發(fā)。HALF/FULL：高電平，HALF 有效，4 相8 拍；低電平，F(xiàn)ULL有效，4 相單4 拍(translator 為偶數(shù)狀態(tài))；低電平，F(xiàn)ULL 有效，4相雙4 拍(translator 為奇數(shù)狀態(tài))。RSTET：復(fù)位到HOME 初始狀態(tài)(STATE=1,ABCD=0101)。這四個(gè)控制線，可以由模擬電路產(chǎn)生。有關(guān)L297 的詳細(xì)的說(shuō)明可以參考L297 文檔資料。3. 編寫步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序有了上面的驅(qū)動(dòng)電路，可以方便地寫出單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序(Keil C51)。函數(shù)DriveMoto 通過(guò)參數(shù)cw、spd、num來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度和

9、轉(zhuǎn)動(dòng)步距。：#include <reg52.h> #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar CONTROL8= 0x30,0x10,0x90,0x80,0xC0,0x40,0x60,0x20; /四相八拍步進(jìn)電機(jī)換相的控制字。void Delay(uchar DelayTimes) /uS 微秒級(jí)延時(shí)while(- - DelayTimes); /12Mhz 下，延時(shí)DelayTimes*2+3 微秒/*cw轉(zhuǎn)動(dòng)方向，spd 速度和num轉(zhuǎn)動(dòng)的步距*void DriveMoto(uchar cw,uchar

10、spd,uint num)uint i;uchar j;if(cw) /正轉(zhuǎn)for(i=0,j=0;i<num;i+)/P2 端口高四位控制步進(jìn)電機(jī)換相 P2&=0x0F;P2|=CONTROLj+;Delay(spd); /高四位先清0,再賦值j=j&0x07; /j=j%8else /反轉(zhuǎn)for(i=0,j=7;i<num;i+)/P2 端口高四位控制步進(jìn)電機(jī)換相 P2&=0x0F;P2|=CONTROLj-;Delay(spd); /高四位先清0,再賦值j=j&0x07; /j=j%8參考文獻(xiàn):1. 王曉明，電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制M。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20022. 宋錦河，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)J。鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004.10,463. L298 DUAL FULL- BRIDGE DRIVER, 器件資料。ST Micr