步进电动机的工作原理是什么？怎样设计一个基于单片机和L297/L298芯片的步进电机控制驱动器？

1 引言

步进电动机是将电脉冲激励信号转换成相应的角位移或线位移的离散值控制电动机，这种电动机每当输入一个电脉冲就动一步，所以又称脉冲电动机。步进电动机把电脉冲信号变换成角位移以控制转子转动的微特电机。在自动控制装置中作为执行元件。每输入一个脉冲信号，步进电动机前进一步，故又称脉冲电动机。步进电动机多用于数字式计算机的外部设备，以及打印机、绘图机和磁盘等装置。 在数字控制系统中具有精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。

2 工作原理

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器典型步进电机控制系统如图1所示：控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。

图1 典型步进电机控制框图

3 硬件组成

文中所控制的步进电机是四相单极式35BY48HJ120减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器的框图如图2所示。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。

图2 本文提出的步进电机控制驱动器框图

L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口如图3所示。这种方式结合的优点是，需要的元件很少，可靠性高和占空间少，并且通过软件开发，可以简化和减轻微型计算机的负担。

L297芯片是一种硬件环分集成芯片。芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。它可产生四相驱动信号，用于计算机控制的两相双极或四相单极步进电机，这一部分是由两种输入模式控制，方向控制（CW/CCW） 和HALF/FULL 以及步进式时钟CLOCK.它将译码器从一阶梯推进至另一阶梯。译码器有四个输出点连接到输出逻辑部分，因此L297能产生三种相序信号，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。

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矩频特性。图3中，频率f是由外接16脚的RC网络决定的， 当R=10kΩ 时，f=1/0.69RC。当时钟振荡器脉冲使触发器置1，电机绕组相电流上升，采样电阻的R 上电压上升到基准电压Uref时，比较器翻转，使触发器复位，功率晶体管关断，电流下降，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Uref确定。CONTROL为高电平时，对A、B、C、D有控制作用；而为低电平时，则对INH1和INH2起控制作用，从而可对电动机转向和转矩进行控制。

L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机 具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。

AT89C52通过串口经MAX232电平转换之后与微机相连。接受上位机指令。向L297发出时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制等信号。电路中，电阻R13，R15用来调节斩波器电路的参考电压，该电压将与通过管脚13，14所反馈的电位的大小比较，来确定是否进行斩波控制，以达到控制电机绕组电流峰值。

4 软件组成

在该电路中，将P1.0口设为电机开始按钮，P1.1，P1.2，P1.3为速度选择按钮。速度由低到高，P1.4为电机停止按钮。并设三档速度的最高速度依次为500pps、1000pps、2000pps 。RXD，TXD 已由MAX232电平转换接出串口。此外，步进电机其启动，停止的频率较低，一般在100-250Hz之间，而最高运行频率要求较高。通常为1-3kHz，为使其在启动、运行和停止整个过程中，这采用常用的离散办法来逼近理想的近似梯形的升降速曲线，如图5所示。

把各离散点的速度所需的装载值用公式转化为各自所需的定时时间固化在系统的ROM 中，这里用TH0=（65536-time）/256，TL0=（65536-time）％256来计算装载值，time表示各阶梯所需定时时间。该程序主要由控制主程序、加减速子程序组成，主程序框图如图4所示。

5 结论

本文创新点在于提出应用单片机和L297、L298集成电路构成步进电机控制驱动器。使之具有元件少。可靠性高、占空间少、装配成本低等优点。另外，在上面提出的在加减速程序中定时器的装载值用式子计算不精确，这两条赋值要执行不少的时间。具体做的时候。可直接把初值计算出来或把除号用相加来计算。