1引言
       步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號變換成相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件?？刂撇竭M(jìn)電機的輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機各項繞組的接通順序，可以得到各種需要的運行特性。尤其與數(shù)字設(shè)備配套時，體現(xiàn)了更大的優(yōu)越性，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。本文就是實現(xiàn)的單片機對步進(jìn)電機的數(shù)字控制系統(tǒng)。在這個控制系統(tǒng)中，控制器是它的，因為它擔(dān)負(fù)著產(chǎn)生脈沖，發(fā)送、接受控制命令的任務(wù)。本文對控制器的設(shè)計，尤其是脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計作了詳細(xì)的介紹。
2總體方案設(shè)計
     通過上面的系統(tǒng)框圖，我們可以看到本系統(tǒng)主要由四部分組成，即步進(jìn)電機控制器，步進(jìn)電機驅(qū)動電源，步進(jìn)電機和LED狀態(tài)顯示，本文著重介紹步進(jìn)電機控制器，步進(jìn)電機驅(qū)動電源，LED顯示狀態(tài)三部分。
步進(jìn)電機控制器     步進(jìn)電機驅(qū)動電路     步進(jìn)電機
 
LED狀態(tài)顯示

Fig1 system diagram
2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1步進(jìn)電機控制器
       步進(jìn)電機控制器主要由單片機、晶振電路、8K RAM 存儲模塊、光電隔離等電路組成，如圖2所示。

          晶振電路
 

                 
步進(jìn)時鐘
                        半/全                       ∶                    
           方向                       ∶    輸出        
單        啟動         光電隔離
片        控制          及驅(qū)動
機        出發(fā)點                       ∶                             
復(fù)位                         ∶  輸入                                         
                             
 
          
           8K RAM       

Fig2 compose of step-motor controll

1）晶振電路
     單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。內(nèi)部振蕩方式的外部電路如圖3所示。本系統(tǒng)選C1和C2值為30pF.

Fig3 oscillating circuit inside
2)光電隔離電路
     利用光隔離器組成的光電隔離電路將控制器與外部的驅(qū)動電路隔離開來，使得外部電路的變化不至于影響或者損壞控制系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的可靠性，增強抗千擾能力。光隔離器重要的參數(shù)是電流傳輸比CTR，應(yīng)注意通常其值為0.2^0.9.輸入數(shù)字信號提供一定的電流(5-10mA)時，光隔離器才會把放大的數(shù)字電平輸出。
光隔離器聯(lián)結(jié)時注意信號正負(fù)邏輯。光隔離器的輸入、輸出端地線必須互相隔開，并且輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，否則，如果使用同一電源外部干擾信號可能通過電源串到系統(tǒng)中來。
3)存儲模塊
    由于89C51單片機片內(nèi)只有128個字節(jié)的RAM，而本系統(tǒng)中需要存儲的數(shù)據(jù)比較多，需要擴展外部RAM。
4）步進(jìn)脈沖產(chǎn)生電路
    在采用單片機的步進(jìn)電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的CP脈沖的頻率或者換向周期實際上就是控制步進(jìn)電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現(xiàn)步進(jìn)電機的速度控制。一種是延時，一種是定時。
    延時方法是在每次換向之后調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復(fù)始就可發(fā)出一定頻率的CP脈沖或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是CP脈沖的周期。該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現(xiàn)，調(diào)用不同的子程序可以實現(xiàn)不同速度的運行。但占用CPU時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過程。
    定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能產(chǎn)生任意周期的定時信號，從而可方便的控制系統(tǒng)輸出CP脈沖的周期。當(dāng)定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對系統(tǒng)及其周期進(jìn)行加計數(shù)，當(dāng)定時器溢出時，定時器產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務(wù)程序中，定時中斷，電機換向，從而實現(xiàn)電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現(xiàn)定時，要對重裝的計數(shù)初值作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)整的重裝初值主要考慮兩個因素一是中斷響應(yīng)所需的時間。二是重裝初值指令所占用的時間，包括在重裝初值前中斷服務(wù)程序重的其他指令因。綜合這兩個因素后，重裝計數(shù)初值的修正量取8個機器周期，即要使定時時間縮短8個機器周期。
    用定時中斷方式來控制電動機變速時，實際上是不斷改變定時器裝載值的大小。在控制過程中，采用離散辦法來逼近理想的升降速曲線。為了減少每步計算裝載值的時間，系統(tǒng)設(shè)計時就把各離散點的速度所需的裝載值固化在系統(tǒng)的ROM中，系統(tǒng)在運行中用查表法查出所需的裝載值，這樣可大幅度減少占用CPU的時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。流程圖如圖4所示：

Fig4 Acceleration and deceleration control flow chart
2.2 步進(jìn)電機驅(qū)動電路
     步進(jìn)電機驅(qū)動電路是應(yīng)用的專用芯片L297、L298組合而成。L297單片步進(jìn)電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機的控制，與H橋式驅(qū)動芯片L298組合，組成完整的步進(jìn)電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動器。
       L297步進(jìn)電機控制集成電路產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用以控制雙極性兩相步進(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機，可以采用半步、兩相勵磁和單相勵磁三種方式的切換。使用L297的突出的特點是外部只需時鐘、方向和工作方式三個輸入信號，同時L297自動產(chǎn)生電機勵磁相序減輕了微處理器控制和編程負(fù)擔(dān)。L297具有DIP20和SO20兩種封裝形式，可用來控制集成橋式驅(qū)動電路或分立元件組成的驅(qū)動電路。
       L297主要由譯碼器、兩個固定斬波頻率的PWM恒流斬波器以及輸出邏輯控制組成。
       L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成電路，可用來驅(qū)動繼電器線圈、直流電機和步進(jìn)電機等感性負(fù)載。每個H橋的下側(cè)橋臂晶體管的發(fā)射極連接在一起，相應(yīng)的外接線端可用來連接電流檢測電阻。
       由L297、L298組成的步進(jìn)電機驅(qū)動應(yīng)用電路如下圖。該電路微固定斬波頻率恒流斬波驅(qū)動方式，適用于兩相雙極性步進(jìn)電機或四相單極性步進(jìn)電機，電壓46V，每相電流可達(dá)2A。用兩片L298和一片L297配合使用，可驅(qū)動更大功率的兩相步進(jìn)電機。
                               1    
       輸入          L       相A     L      4          M     M1                                           
                     2       相B     2                                                                        
                     9       相C     9                 
                     7       相D      8           
                                截至1             2
                                截至2             3            M     M2
 
 
      L297有三種工作方式：半步工作方式、雙向勵磁工作方式和單項勵磁工作方式。下面給出了雙向勵磁工作方式下的相序波形。
       當(dāng)L297的 為低電平，如譯碼器工作在奇數(shù)狀態(tài)（1、3、5、7）時，為雙向勵磁工作方式，該模式下，禁止信號 和 輸出保持高電平；如譯碼器工作在偶數(shù)狀態(tài)下（2、4、6、8）為單相勵磁方式；當(dāng) 為高電平時，譯碼器產(chǎn)生半步工作方式相序，也就是8步格雷碼時序。下面給出雙相勵磁工作方式下的相序波形和格雷碼。
 
 
                                           
                                   1  3   5  7  1  3   5  7   1  3   5  7
                              
3     4     5          A  
                            B          
2           6           C
                            D      
1     8     7
                           INH1                                            
                                 
                            INH2                                             

2.3、LED運行狀態(tài)顯示
       在本系統(tǒng)中，用74LS164作為顯示驅(qū)動，帶鎖存，采用串行接法，這樣可以節(jié)約I/0口資源，但要使用SIO，發(fā)送數(shù)據(jù)時容易控制。


3總結(jié)
     步進(jìn)電機開環(huán)控制系統(tǒng)具有成本低、簡單、控制方便等優(yōu)點。在此方案中，負(fù)載位置對控制電路無反饋。因此步進(jìn)電機必須正確響應(yīng)每次勵磁變化。如果勵磁頻率選擇不當(dāng)，電機不能夠到新的要求位置，那么實際的負(fù)載位置相對于控制器所期待位置便會出現(xiàn)性誤差，也就是“失步”和“過沖”現(xiàn)象。我們可以采用位置反饋或位置反饋確定與轉(zhuǎn)子位置相適應(yīng)得正確相位轉(zhuǎn)換，可以大大改善步進(jìn)電機的性能，這樣就可以獲得更加的位置控制和高的多、平穩(wěn)的多的速度了。
    信息（www.dian168.com）