C8051F020單片機的步進電機驅動器

    步進電機又稱脈衝電動機，是數字控制系統中的一種執行元件，其功能是將脈衝電信號變換為相應的角位移或直線位移。其輸出轉角、轉速與輸入脈衝個數、頻率有著嚴格的同步關係，因而常用於開環系統，在雷達伺服控制系統中也有應用。採用恆流和細分驅動技術可以大大提高步進電機的步矩解析度，減小轉矩波動，避免低頻共振及降低運行雜訊。
    目前步進電機控制和驅動的重要發展方向是大量採用專用晶元，其優點是可以提高驅動器的集成度、縮小體積、明顯提高驅動器的可靠性和運動性能，還可以減少電源數量、簡化電路。隨著以MCS51系列為代表的單片機的迅速普及，以前必須由硬體(GAL、EPROM、CPLD等可編程器件)實現的環形分配器被基於軟體的通用環形分配器取代，其優點是可以減少體積、發揮軟體的靈活性，通過寫入不同的軟體可靈活改變環形分配的方式。
    因此，本文通過對步進電機控制器電路的分析和研究，介紹一種基於C8051F020單片機的步進電機驅動器，實踐證明該驅動器設計合理、電路簡單、性能優良、應用靈活。

1 C8051F020單片機簡介
    Cygnal公司生產的C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級晶元(SOC)。採用全速、非侵入式在系統調試介面，提供C編譯調試環境，可以大大提高產品開發速度和效率。晶元為工業級溫度範圍(-40℃～+85℃)，滿足產品對室外環境溫度的要求。另外，晶元內置有8路12位A/D轉換器、8路8位A/D轉換器、2路12位D/A轉換器、2路UART、SPI、I2C、電壓比較器、內部晶振、看門狗、電壓監視器、溫度感測器、多路PWM輸出，支持20個中斷源、64個可編程I/O口(推挽輸出、漏極開路輸出、弱上拉輸出)、4 kB RAM、64 kB在系統編程Flash存儲器等外部設備，簡化了MCU晶元外圍電路的設計。這種高集成度的系統器件為設計低功耗、小體積、高可靠性和高性能的驅動器提供了方便，同時也降低了驅動器的成本 。

2 驅動器電路設計
    兩相混合式步進電機的兩相繞組相互獨立，每相採用全橋電路。
    驅動器恆頻PWM細分驅動電路是在斬波恆流驅動基礎上的改進。控制電路主要由單片機構成，實現脈衝接收、細分電流控制信號輸出、環形分配等功能。其電路原理見圖1。
 
圖1 驅動器電路原理
2.1 邏輯通電方式
    兩相步進電機驅動器邏輯通電方式一般有兩相4拍、兩相8拍和雙4拍3種。兩相4拍相序為：A—/B—/A—B，其特點是在任一時間僅有一相繞組通電；兩相8拍相序為：A—AB—B—/AB—/A—/A/B—/B—A/B，其特點是電機的步進角減半，但產生較小的正常轉矩；雙4拍的相序為：A/B—AB—/AB—/A/B，其特點是能輸出最大的轉矩。

2.2 控制斬波電路
    L6506是感測和控制電流的線性集成電路，適用於雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。L6506對感性負載進行恆流驅動，可實現從控制邏輯級到功率級的介面功能。其主要特點為：集成度高、適用範圍廣、PWM頻率範圍寬、輸入信號符合TTL電平規範，可直接用單片機、可編程邏輯器件等控制。其功能框圖見圖2。
 
圖2 L6506功能框圖
2.3 功率驅動電路
    功率驅動方案採用IR公司的驅動集成電路IR2304和MOSFET組合。與雙全橋驅動器L298等相比，可大大提高功率級供電電壓，使得步進電機驅動器功率範圍更廣。
    作為一種多功能的600 V高低端驅動集成電路，IR2304適於功率MOSFET驅動的特點使其在步進電機驅動中可得到良好的應用。其性能特點如下：
a)由於單電源+15 V供電經二極體隔離後分別作為其兩路高端驅動輸出的供電電源，這樣大大減小了電路體積，並減少了電源數目，集成度高，可靠性高；
b)動態響應快，典型通斷延遲時間為220ns/220 ns，內部死區時間100 ns；
c)一般步進電機的最高工作頻率小於10 kHz，IR2304可支持100 kHz或以下的高頻開關，頻率可以滿足工作要求；
d)IR2304的輸入輸出同相設計，可提供高端和低端獨立控制驅動輸出，兼容LSTTL、TTL、CMOS邏輯控制，使單片機可通過數字埠直接控制IR2304；
e)具有電源欠壓保護和關斷邏輯，可防止器件意外開通。
    步進電機驅動器的一相原理圖見圖3。
 
圖3 功率驅動一相原理

3 驅動器軟體設計
    驅動器軟體主程序包括初始化和主循環，以及串口0和1中斷服務程序模塊、定時中斷服務程序模塊。串口0和1中斷分別對應與上位機的RS232和RS422通信方式。定時中斷每隔100 us產生一次，用來查詢CP脈衝是否到來；同時根據當前細分和電流設定狀態輸出相應幅值的階梯正弦波信號，作為步進電機兩相的參考電壓。定時中斷服務程序流程如圖4。
 
圖4 定時中斷服務程序流程
   該兩路正弦波信號幅值與電流設定值成正比，頻率f為：
f=fin/C
    式中fin為輸入脈衝頻率；C為細分數。

4 結束語
    本步進電機驅動器電路應用斬波恆流細分驅動方式，充分利用了C8051F020單片機集成度高、功能多的特點，同時運用驅動集成電路IR2304，電路簡單可靠，驅動能力強，大大減小電路體積並減少電源品種；充分利用了電流控制器L6506的特性，使得電流控制響應快、精度高，電機運行平穩。本兩相步進電機驅動器已通過性能測試，能夠滿足使用要求。