步进电机驱动模块_基于AT90CAN128步进电机控制驱动系统模块设计
摘要:本文介绍了一种采用AT90CAN128单片机为控制核心,L297、L298集成电路为驱动电路的步进电机控制系统。阐述了步进电机控制特性,控制和驱动系统的硬件电路设计及其软件的编制流程。经测试,模块能同时控制2路步进电机的方向,启/停,转速,性能优良。
关键词:单片机 步进电机 控制及驱动
步进电机是一种将脉冲信号转化成直线或角位移的执行单元,转子角位移的大小和转速分别与电脉冲的个数及其频率成正比。由于步进电机具有定位精度较高,无位置累积误差,易于实现开环控制等优点,特别是在机器人,工业自动控制,仪表等等中得到广泛应用。本系统采用当前流行的AT90CAN128单片机为核心组成控制器部分,精确度高,可同时控制2路步进电机;驱动部分采用混合式步进电机驱动芯片L297+L298,结构简单,使用方便。并且步进电机旋转方向,频率,均可通过CAN总线设定。脉冲信号输出支持步进电机匀加速,匀减速,过流,过温保护等优点,可带动2.0A一下所有39BYG,42BYG,57BYG系列二相或四相混合式步进电机。其综合性能优于传统步进电机控制器。
2 步进电机控制系统硬件设计
步进电机控制系统由AVR单片机,驱动器部分,步进电机,过流、过温保护装置等组成。如图1所示。
2.1 控制器部分设计
采用ATMEL公司的AT90CAN128来实现步进电机控制脉冲的产生。AT90CAN128是一功能强大的,低功耗的的具有RISC内核的单片机。具有128K的系统内可编程FLASH,4K EEPROM和4K SRAM,53个通用I/O口,4个具有比较模式的定时器/计数器,1个8通道10位A/D转化器,1个可编程看门狗定时器,1个JTAG测试接口等。运动控制中由AT90CAN128单片机发出脉冲信号CP,启/停状态信号POS以及方向信号DIR给脉冲分配器L297,从而控制步进电机运动状态。
此外,AT90CAN128芯片内部集成了CAN控制器,与CAN标准帧2.0A和扩展帧2.0B完全兼容,使电路大大简化了复杂性,使用户把更多精力放在软件的设计上。
单片机通过TJA1050 CAN总线收发器将报文发送到CAN的物理总线上,达到与CAN网络通讯的目的。同时单片机通过光耦P113与TJA1050 CAN总线收发器相连,以保护单片机;由于步进电机驱动器的负载功率较大,所以需要将单片机脉冲信号CP,启/停状态POS以及方向控制信号DIR通过光耦817C与驱动器部分L297+L298的强电流隔离开来。使得外部电路的干扰不至于影响和损坏单片机为核心的控制器部分,从而提高系统的可靠性,增强抗干扰能力。
2.2 驱动器部分设计
驱动器部分采用L297+L298集成电路芯片组成两相双极性的步进电机驱动电路。L297是步进电机控制器芯片,其核心是脉冲分配器。L297还设有两个PWM斩波器来控制线绕组电流,实现恒流斩波控制,以获得良好的转矩频率特性。可有半部,整部和波状三种驱动模式。H/F悬空表示整部工作方式。该器件的一个显著特点是仅需要脉冲CP,方向DIR以及启/停状态POS信号,步进电机所需相位由电路内部产生,大大减轻了CPU的负担。接线时启/停状态POS接L297的enable管脚。L297的基准电压输入端ref 用于确定电机绕组电流的稳定值。sen1,sen2引脚接电流检测电阻,用来跟ref比较确定是否斩波。inht1,inht2引脚输出斩波控制信号,而由 A、B、C、D端来控制绕组的通断与极性。如图2所示。
L298是双H桥高电压大电流功率集成电路,它接受标准 TTL逻辑电平信号,可以用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。D1到D8是由8个MOSFET功率开关管IRF540组成两个H桥电路。由于电机是感性负载,容易产生反向电动势,易烧坏芯片,这时需要功率开关管用消除反向电动势,保护芯片。W1A+,W1A-,接电机线A相;W1B+,W1B-接电机线B相。L297+L298组成完整驱动系统,驱动两相步进电动机,最高电压为46 V,每相电流达2 A。
3 电源设计
由于系统包含强电弱电两部分需要分别提供5V和18～32V两种电源,弱电给单片机供电,强电给步进电机驱动供电,且两电源不共地。
4 系统程序设计
主程序设计流程图如图3所示。程序在初始化时,由于本系统定时器设置成比较匹配清0模式,所以初始化时需要把两台电机发出脉冲CP对应的端口B和端口E的OC1A口和OC3A口设置成0,否则无法产生触发脉冲。状态信号POS1,POS2和方向信号DIR1,DIR2均设置成0,用于初始化的基态设置,表示电机停止,正方向。同理设置成1逻辑相反。采用16位定时/计数器工作于相位修正,匹配清0产生正向PWM。例如电机1对应的定时器1设置中,由ICR1输入捕获单元决定TOP值,ICR1最大值为65535。比较数据为OCR1A,当计数器往TOP计数时,若ICR1与OCR1A发生匹配,OC1A将清0为低电频。时钟频率为内部8M,预分频为8。
电机控制子程序设计:如果电机停止则可以重新设定电机方向和转速,再启动运行。步进电机的转速可以通过改变PWM波的占空比来调节,也就是改变定时器的OCR1A的比较值,OCR1A设定值越大,步进电机频率就越大,但是由于步进电机的物理限制,实际电机工作频率应设定在启动频率和最大运行频率之间。否则会产生失步和堵转现象。从而给工程项目和步进电机本身带来较大影响。
5 结语
用AT90CAN128,L297及L298集成电路组成的步进电机控制系统,具有步角距小、转矩恒定、体积小、成本低等优点。并且通过CAN口可实现和CAN网络的连接,在实际应用当中对两相、四相混合式步进电机控制和驱动效果良好,工作可靠。
参考文献
[1] 李继英.基于AT90CAN128单片机CAN总线实验方案研究.兰州交通大学学报,2007.2.
[2] 沈文.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京:清华大学出版社,2003.
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