基于PIC16C621A和A3955的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘要： 本文介紹了利用A3955對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制的方法及其電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 步進(jìn)電機(jī)；PIC16C621A； A3955；脈寬調(diào)制

引言

步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，如機(jī)器人、打印機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、機(jī)械閥門控制器等。目前，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有由分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器、軟件環(huán)形脈沖分配器、專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器等。分散器件組成的環(huán)形脈沖分配器體積比較大，同時(shí)由于分散器件的延時(shí)，其可靠性大大降低；軟件環(huán)形分配器要占用主機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，降低了速度；專用集成芯片環(huán)形脈沖分配器集成度高、可靠性好，但其適應(yīng)性受到限制，同時(shí)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、需求費(fèi)用較高。

步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)和混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)。 步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制如下：

*控制換相順序—通電換相這一過(guò)程稱為脈沖分配。例如：混合式步進(jìn)電機(jī)的工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷，這就是所謂脈沖環(huán)形分配器。

*控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向—如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。

*控制步進(jìn)電機(jī)的速度—如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。

PIC16C621A和A3955

PIC16C621A是美國(guó)Microchip公司推出的一種性價(jià)比很高的8位單片機(jī)。它價(jià)格低、封裝小、采用CMOS工藝，具有OTP型，開(kāi)發(fā)起來(lái)很方便。它內(nèi)含4路8位高速ADC，將它擴(kuò)展到11位后，可以大大提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的性價(jià)比。主要特性為：高性能的RISC結(jié)構(gòu)CPU,精簡(jiǎn)的指定集。指令周期時(shí)間為200nS。八級(jí)硬件堆棧，直接，間接，相對(duì)三種尋址方式。雙向可編程設(shè)置I/O，2路比較輸出/PWM輸出，16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，內(nèi)置上電復(fù)位電路，程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝。A3955是美國(guó)Allegro公司推出的一款性價(jià)比很高的脈寬調(diào)制電流輸出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。主要特性為：最大1.5A的最大驅(qū)動(dòng)電流，最高50V的供電電壓，帶有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)電路，欠電壓鎖定(UVLO)保護(hù)，輸出抗浪涌的瞬間保護(hù)功能，自帶PWM 電流控制，3位的線性DAC，帶細(xì)分控制，不同組合不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，最多8細(xì)分。

硬件設(shè)計(jì)

通常步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制是由邏輯電路或?qū)Ｓ眯酒瑢?shí)現(xiàn)的脈沖環(huán)形分配的，因A3955不自帶環(huán)形分配功能，本設(shè)計(jì)采用兩片A3955驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖環(huán)形分配的實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)采用脈沖加方向的步進(jìn)電機(jī)控制方式，應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的出線方式不同，與驅(qū)動(dòng)器的連接也不同，一般有以下幾種方式：

*對(duì)于二相四根線電機(jī)，可以直接和驅(qū)動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)；

*對(duì)于四相六根線電機(jī)，中間抽頭的二根線懸空不接，其它四根線和驅(qū)動(dòng)器相連(見(jiàn)圖1)。

圖1  二相四根線電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接

具體硬件如圖2，CLK 為外部脈沖輸入端，DIR為外部方向輸入端，步進(jìn)脈沖信號(hào)CLK用于控制步進(jìn)電機(jī)的位置和速度，本驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)為CLK信號(hào)為上升沿有效，要求CLK信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流為8-15mA，對(duì)CLK的脈沖寬度也有一定的要求，一般不小于5mS。方向電平信號(hào)DIR用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。此端為高電平時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，此端為低電平時(shí)，電機(jī)為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)。CLK和DIR信號(hào)默認(rèn)幅值為5V，如果不是5V則須外部另加限流電阻R，如信號(hào)幅度為12V時(shí)，加680W的電阻。MS0,MS1,MS2 為細(xì)分輸入端，最多為8細(xì)分(見(jiàn)表1)。

圖2 具體硬件電路圖

軟件設(shè)計(jì)

為了防止程序進(jìn)入到非程序區(qū)，在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)，從而保護(hù)程序的正常運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)首先判斷細(xì)分?jǐn)?shù)，其次判斷方向信號(hào)DIR，最后判斷脈沖信號(hào)CLK,當(dāng)沒(méi)有脈沖信號(hào)時(shí)，程序進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備接收中斷來(lái)的信號(hào)，進(jìn)入程序區(qū)，根據(jù)判斷的細(xì)分?jǐn)?shù)和方向信號(hào)進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。代碼如下：
MAIN        CLRF     PORTA
            BSF      STATUS,5
            MOVLW    0x07               ；整步
            MOVWF    ADCON1
            MOVLW    0X06               ；半步
            MOVWF    OPTIONREG
            MOVLW    0x04               ；四細(xì)分
            MOVWF    TRISA
            CLRF     PORTB
            BSF      STATUS,5
            MOVLW    0X00               ；八細(xì)分
            MOVWF    TRISB
            BCF      STATUS,5
            MOVWF    TMR0
TEST        BTFSS    PORTA,0
            GOTO     CW          ；正轉(zhuǎn)
            BTFSC    PORTA,0
            GOTO     CCW        ；反轉(zhuǎn)
INT         MOVLW    0XFF   ；中斷接收脈沖
            MOVWF    TMR0
            BCF      INTCON,2
            RETFIE

結(jié)語(yǔ)

采用此設(shè)計(jì)的八細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)二相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高,而且專用芯片細(xì)分?jǐn)?shù)可選。在外觀采用鋁鎂合金，散熱性好，價(jià)格低廉，可廣泛應(yīng)用于需要驅(qū)動(dòng)電流小于1.5Ａ的混合式兩相或四相步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：
1.  PIC16CXX Datasheet，美國(guó)Microchip公司
2.  A3955 Datasheet，美國(guó)Allegro公司
3.  哈爾濱科利達(dá)智能控制公司的KLD-4H042NA使用說(shuō)明書
4.  王有諸、李拉成，PIC系列單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，2000年