基于A3992和C8051F300的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1 引言

步進(jìn)電機(jī)定位準(zhǔn)確且與數(shù)字電路接口連接方便.無需反饋就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的角位移，在數(shù)控機(jī)床等許多領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。但是，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)是由控制器件產(chǎn)生脈沖，然后加在環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)部分，最后連接至電機(jī)的控制方式，其軟硬件的實(shí)現(xiàn)都較為復(fù)雜，成本偏高，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展所需的精度和集成度等要求。采用美國(guó)Allegro公司推出的一款易操作，內(nèi)置功率驅(qū)動(dòng)的A3992型兩相步進(jìn)電機(jī)微步距驅(qū)動(dòng)器，以C805117300單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路。該驅(qū)動(dòng)控制電路能簡(jiǎn)單方便實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微步距控制，不僅解決了步進(jìn)電機(jī)步距角大的問題。提高了步進(jìn)電機(jī)的分辨率，減弱或消除了步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng).也改善了電機(jī)的其他性能，具有控制靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本較低的特點(diǎn)，完全能滿足中小企業(yè)的生產(chǎn)要求。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

圖1示出基于A3992和C805lF300控制的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成框圖。其中，上位機(jī)主要完成命令指示等控制功能;C8051F300主要用來接收上位機(jī)的指令參數(shù)。然后向A3992驅(qū)動(dòng)器寫控制字;A3992驅(qū)動(dòng)電路主要完成按接收的控制字向電機(jī)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流。

2.1 C8051F300控制電路

C805117300是美國(guó)Cygnal公司的一款完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU器件(SOC)，其主要特點(diǎn)是：

(1)高性能指令處理能力 采用Cygnal專利的高速管線式CIP一51(與8051全兼容)微控制器內(nèi)核：

(2)完善的時(shí)鐘系統(tǒng)采用可編程25 MHz內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，不僅支持外部時(shí)鐘，也支持使用過程中內(nèi)外時(shí)鐘發(fā)生器之間的切換：

(3)低功耗供電電壓為2.7~3.6 V，其典型工作電流在25 MHz下為5 mA：

(4)片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換 采用11通道真正的8位500 Ks/s.具有可編程前置放大器(PGA)和模擬多路復(fù)用器(AMUX)的A/D轉(zhuǎn)換器;

(5)豐富的存儲(chǔ)器資源 采用256字節(jié)片內(nèi)RAM.8 KB片上Flash存儲(chǔ)器，支持系統(tǒng)512字節(jié)(扇區(qū))編程;

(6)增強(qiáng)的中斷資源 采用內(nèi)含12個(gè)中斷源，適用于多任務(wù)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā);

(7)豐富的片上資源 采用片內(nèi)溫度傳感器、電源監(jiān)測(cè)器、片上電壓比較器及上電復(fù)位、SMBUS/I2C和URAT接口、3個(gè)16位通用定時(shí)器、可編程定時(shí)器陣列(PCA)并帶有比較/捕捉模塊和WDT3種功能：

(8)可編程的數(shù)字I/O口和交叉開關(guān)(crossbar)在這種交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，可以通過配置相應(yīng)的寄存器將內(nèi)部數(shù)字資源連接到物理I/O引腳上。改變了傳統(tǒng)MCS一51單片機(jī)的固定I/O模式：

(9)在線調(diào)試功能具有Cygnal2-Wire(C2)調(diào)試電路，支持存儲(chǔ)器和寄存器的校驗(yàn)和修改、斷點(diǎn)和單步。無需額外的RAM、程序存儲(chǔ)器及定時(shí)器等。

C8051F300是連接上位機(jī)和A3992的橋梁。上位機(jī)的指令信號(hào)包含電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和加減速等信息，該信號(hào)通過C8051F300的I/O端口進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)利用3條與A3992相連的I/O數(shù)據(jù)線.控制驅(qū)動(dòng)器按用戶的要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 A3992驅(qū)動(dòng)電路

A3992型雙DMOS全橋微步距脈寬調(diào)制(PWM)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可利用控制器件通過3線串行接口(CLK，DATA，STROBE)對(duì)其進(jìn)行控制.并能方便地調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)各種不同的步進(jìn)法(從整步驅(qū)動(dòng)到最高可達(dá)64細(xì)分的微步距驅(qū)動(dòng))，使步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式具有很大的靈活性。

A3992是通過3線串口寫控制字來實(shí)現(xiàn)的。A3992的控制字有Word0和Wordl兩個(gè)，每個(gè)控制字包含19個(gè)位(D0～D18)，先傳送高位D18，最后傳送最低位DO。其中Word0是橋電流控制字，當(dāng)DO=0時(shí)，A3992便進(jìn)入WordO模式;Wordl是時(shí)間數(shù)據(jù)控制字，當(dāng)DO=1時(shí)，A3992便進(jìn)入Wordl模式。詳細(xì)的各位數(shù)據(jù)設(shè)置參見文獻(xiàn)。

A3992只需很少的R，C元件即可組成兩相步進(jìn)電機(jī)的微步距驅(qū)動(dòng)電路。圖2是A3992的典型應(yīng)用電路，其連續(xù)輸出的額定電流可達(dá)1.5 A。電壓可達(dá)50 V。

C805lF300不斷地通過3線串口向A3992寫入控制字Word0，A3992根據(jù)所輸入的控制字，調(diào)整橋電流的方向和大小，從而控制步進(jìn)電機(jī)按用戶的實(shí)際需要運(yùn)轉(zhuǎn)。需要注意的是，控制字Wordl是時(shí)間數(shù)據(jù)控制字，用于設(shè)置死區(qū)時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和快速衰減時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，所以C8051F300只需對(duì)A3992進(jìn)行一次設(shè)置即可，不必反復(fù)進(jìn)行寫操作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是由上位機(jī)與單片機(jī)接口、單片機(jī)控制電路和A3992驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)用戶與單片機(jī)的交互，并通過單片機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。圖3給出C8051F300串口和RS232的接口電路。

單片機(jī)控制電路由C8051F300單片機(jī)、供電電源、濾波電容和一系列的I/O端口構(gòu)成。其中，供電電源采用了A1117穩(wěn)壓器，將5 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成C8051F300適用的3.3 V供電電壓，從而保證了供電電源的精度。A3992驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)系統(tǒng)的功率部分，接收來自控制電路的信號(hào)，兩橋橋臂輸出滿足一定時(shí)序的相電流，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按用戶的要求運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4所示給出了系統(tǒng)的主體硬件電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)軟件程序，完成系統(tǒng)初始化，接收來自用戶的輸入指令，控制驅(qū)動(dòng)器按要求運(yùn)轉(zhuǎn)等功能。具體的系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示。其中系統(tǒng)初化包括對(duì)單片機(jī)內(nèi)的看門狗、I/O端口和A3992的控制字Word0、Wordl參數(shù)的初始化。

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