摘要：L297單片步進(jìn)電機(jī)控制集成電路適用于雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)或四相單極性步進(jìn)電機(jī)的控制，與兩片H橋式驅(qū)動(dòng)芯片L298組合，組成完整的步進(jìn)電機(jī)固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)全步、半步控制斬波驅(qū)動(dòng)、恒力矩、使用簡便易于調(diào)試、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)；恒力矩；L297；L298；555震蕩器

　　0 引言

　　得益于電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)芯片很多，國內(nèi)許多廠家制作的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能很好，但是客戶對驅(qū)動(dòng)器基本要求是一樣的：性價(jià)比高、控制簡單、安全可靠等。筆者設(shè)計(jì)了一種基于L298+L297的恒流斬波兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器本身帶有脈沖信號源方便用戶進(jìn)行一些簡單控制，設(shè)置和使用。在整、半步控制時(shí)，能維持恒力矩輸出，比市場上同類產(chǎn)品性能更優(yōu)越。而且驅(qū)動(dòng)器斬波電流較大，恒轉(zhuǎn)矩輸出，工作可靠，內(nèi)建有脈沖信號源方便用戶進(jìn)行一些簡單控制，設(shè)置和使用非常方便。

　　1 L297功能分析

　　L297芯片采用模擬／數(shù)字電路兼容的I2L工藝，20腳DIP封裝，通常以5V供電，全部信號TTL／CMOS兼容，是非常適用于兩相步進(jìn)電機(jī)控制的專用芯片。L297的內(nèi)部邏輯框圖如圖1，其核心電路是變換器。

　　由變換器產(chǎn)生4個(gè)輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過2個(gè)PWM斬波器控制，斬波器包含有一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)外部檢測電阻如圖2，晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖,振蕩器輸出的振蕩脈沖頻率f由OSC的外接RC決定頻率=1/0.69RC。每個(gè)斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時(shí)檢測電阻上的電壓相對提高，當(dāng)電壓達(dá)到Vref時(shí)(Vref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的)，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個(gè)振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發(fā)器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A，B，C，D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時(shí)，對A，B，C，D有抑制作用；為低電平時(shí)，則對抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。

　　2 L298功能分析

　　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(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等感性負(fù)載。它具有兩個(gè)抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應(yīng)的外接線端可用來連接外設(shè)反饋電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。L298的內(nèi)部邏輯框圖如圖3。

　　圖3 L298的內(nèi)部邏輯框圖

　　L298的邏輯真值表如圖4，當(dāng)EnA為低電平時(shí)，IN1、IN2輸入電平被抑制，橋路斷開，電機(jī)停止。當(dāng)EnA為高電平，IN1、IN2輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)；IN1、IN2同為低電平或高電平,橋路斷開，電機(jī)停止。

　　3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

　　兩相步進(jìn)電機(jī)的線圈繞組分為+A/-A相和+B/-B相，忽略電磁轉(zhuǎn)矩與電流之間的非線性因素，要使電機(jī)平穩(wěn)勻速、恒力矩轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)鍵是控制電機(jī)繞組中的電流,如圖5所示。

  在基本步單相激勵(lì)驅(qū)動(dòng)方式下，相繞組電流將按 I_+A→I_+B→I_-A→I_-B 4拍進(jìn)行循環(huán)；在基本步兩相激勵(lì)驅(qū)動(dòng)方式下，相繞組電流將按I_+A 、I_+B→I_+B、I_-A→I_-A、I_-B→I_-B 、I_+A 4拍進(jìn)行循環(huán)，即整步驅(qū)動(dòng)方式的電流矢量把一個(gè)圓平均分割成四份；在半步單、兩相交替激勵(lì)驅(qū)動(dòng)方式下，相繞組電流將按，I_+A→I_+A 、I_+B→I_+B→I_+B、I_-A→I_-A→I_-A、I_-B→I_-B→I_-B 、I_+A 8拍進(jìn)行循環(huán)，即半步驅(qū)動(dòng)方式的電流矢量則可以把一個(gè)圓分割成8份。兩相激勵(lì)方式下產(chǎn)生的步進(jìn)電流將是各相的合成電流矢量，分別為，I₁、I₂、I₃、I₄，其幅值是單相電流值的 倍。因此，在半步單、兩相激勵(lì)驅(qū)動(dòng)方式下，為了保持力矩恒定，在電流由雙相轉(zhuǎn)換為單相時(shí)，如I_-B 、I_+A→I_+A，則+A-A相繞組的電流必須提高到雙相電流I_+A的 倍，半步恒力矩運(yùn)行電流隨時(shí)間的變化如圖6。

　　同樣，當(dāng)基本步兩相激勵(lì)驅(qū)動(dòng)方式改變?yōu)榛静絾蜗嗉?lì)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，要維持輸出力矩的恒定，相電流也必須為雙相電流的倍。由于半步單、兩相激勵(lì)方式步進(jìn)分辨率提高了一倍、且電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)更為平穩(wěn)，而基本步兩相激勵(lì)方式的相線圈利用率高，能產(chǎn)生較大的力矩，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁阻尼，削弱或消除振蕩現(xiàn)象，這兩種控制方式較常被采用。

　　由于繞組電感的影響，繞組中的電流將按規(guī)律上升。所以為了獲得好的高頻性能，使繞組中的電流上升波形變陡，可以用高電壓驅(qū)動(dòng)的方法來縮短電流上升到參考電流I的時(shí)間,能獲得較好的牽出力矩并改善電機(jī)的啟動(dòng)性能.

　　4 電路解決方案

　　本設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路包括電源電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、過流檢測電路組成。

　　電源電路，如圖7所示。內(nèi)部5V電源取自LM117，LM117內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路，允許的電源電壓+24到+40V，LM117前端接的C1、C2、C3用以抵消輸入端的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激效應(yīng)。C5是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不至于引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。LED是電源指示燈。

　　圖7 電源電路

　　控制驅(qū)動(dòng)電路及過流檢測電路，如圖8所示。

　　對于兩相恒流載波步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的基本功能就是電機(jī)的方向，速度可通過上位機(jī)發(fā)送的脈沖信號控制，并為設(shè)備安全運(yùn)行考慮，應(yīng)具有急停(使能)功能。L297的CLOCK接收可以來自上位機(jī)，每個(gè)CLOCK的上升沿使內(nèi)部的變換器改變狀態(tài)，產(chǎn)生控制時(shí)序并從a、b、c、d引腳輸出。L297還具內(nèi)部同步斬波輸出功能，以便于多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步；內(nèi)部半步/整步控制等。對于單一的設(shè)備，這樣的驅(qū)動(dòng)器或許已經(jīng)夠用，而當(dāng)面對各種客戶，不同的設(shè)備，需要的電機(jī)也不一樣，自然電流大小也是不一樣的，那么在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，還需要從這個(gè)經(jīng)濟(jì)性角度考慮，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具備調(diào)整電流大小的功能。如圖9，下滑滑動(dòng)變阻器R7，NPN管的集電極電位變小，那么開關(guān)作用的NPN管完全開啟時(shí)，發(fā)射極的電位約等于集電極電位，即L297上的Vref變小，L298反饋電阻上的最高電位也即Vref。此時(shí)從公式Vref=I*r(反饋電阻)，可以看出繞組內(nèi)的I也將變小，反之變大。本電路中的反饋電阻為R10、R11，值為1.0Ω/4W。所以電機(jī)電流I（A）=Vref/1.0Ω。只需萬用表測量JT2的1，2兩端的電壓值就可得到相應(yīng)的電流I。

　　雖然L297+L298驅(qū)動(dòng)器都具有內(nèi)部半步/整步控制，但是若不改進(jìn)控制電路，其輸出的峰值電流不變的，這樣會(huì)致使雙相整步時(shí)的輸出力矩是單相整步時(shí)的倍，同樣在半步狀態(tài)也會(huì)有這樣問題。那么力矩輸出的不平穩(wěn)會(huì)使驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍，可靠性大打折扣。

　　所以筆者為了保證步進(jìn)電機(jī)恒力矩?fù)Q相，如圖9，

　　將L297輸出時(shí)序信號a、b，c、d信號經(jīng)或門7432相或后再經(jīng)與非門7400相與后，置R16低電平或高電平，從而改變NPN管的基極電位，控制其輸入到L297的Vref電壓大小。當(dāng)L297輸出單相激勵(lì)信號或者半步單相激勵(lì)信號使相繞組單相工作時(shí)，將提升Vref電壓達(dá)倍?？紤]到轉(zhuǎn)矩電流特性的非線性，選取的元件參數(shù)使相應(yīng)增大約1.4倍即可。另一方面，為了延長步進(jìn)脈沖到來初始時(shí)刻的相繞組電流上升時(shí)間，需提高Vref電平。筆者將clock反相后輸入74123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器A，在L297的變換器改變狀態(tài)的同時(shí)，74123在其Q端輸出時(shí)間常數(shù)為0.45*R18*C9的高電平，從而通過R19去控制NPN管，使L297在該時(shí)間內(nèi)的Vref升高。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備需要調(diào)試、診斷等情況，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部擁有555震蕩器如圖8，通過調(diào)整滑動(dòng)變阻器R15，可改變震蕩器Q輸出脈沖頻率，頻率變化范圍為10HZ到2000HZ，通過L297的clock控制L298橋路的切換速度，提高了電機(jī)的步進(jìn)速度。如果要設(shè)置單步，只需要點(diǎn)動(dòng)開關(guān)SW-2即可實(shí)現(xiàn)。L297的CW/CCW方向也可通過SW-4開關(guān)的高低電平來控制。當(dāng)需要外部脈沖時(shí)，只需開關(guān)SW-6斷開內(nèi)部脈沖。

　　5 測試研究

　　將SIZE17兩相混合步進(jìn)電機(jī)接上驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器供電電壓24VDC，分別設(shè)置驅(qū)動(dòng)器工作于整步兩相激勵(lì)方式如圖10，整步單相激勵(lì)方式如圖11，半步單、兩相激勵(lì)方式如圖12。用示波器、電流鉗測得的某相繞組電流波形：

　　從單相激勵(lì)和半步激勵(lì)看，單相狀態(tài)的峰值電流高于兩相狀態(tài)的峰值，實(shí)際測試約為1.3-1.5倍，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

     6 結(jié)束語

　　該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適合于驅(qū)動(dòng)電壓不超過40V,電流不超過2.0A的兩相、四相雙極性步進(jìn)電機(jī)，基本涵蓋了SIZE23以下的主流混合步進(jìn)電機(jī)。廣泛用于醫(yī)療器械、分析儀器，基于主要芯片L297，L298技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，該款驅(qū)動(dòng)器性價(jià)比高，市場銷量大，反饋良好。

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