1、基于單片機和驅動芯片的步進電機控制系統設計魏守山, 莫以為, 黃云奇 (廣西大學, 530004摘要:本文介紹了步進電機的發展現狀、趨勢及其專用芯片TA 8435H 的特點, 提出了采用TA 8435H 控制步進電機的設計方案。方案硬件電路簡單, 軟件編程方便, 抗干擾和控制功能增強。實踐表明, 系統性能優于傳統的步進電機控制器, 而且性價比較高。關鍵詞:步進電機; S TC89C52單片機; TA 8435H; 細分驅動中圖分類號:T P368. 1 文獻標識碼:B 文章編號:1004-0420(2008 01-0043-02The design of control system of s

2、teppi ng motor based onSTC 89C 52chi p m icroco mputer and TA 8435H dri ver chi pW E I Shou shan , MO Y i w e, i HUANG Yun qi(GuangxiU niversity , 530004Ab stract :T he dev elopment current s i tuati on and trend o f stepping m o t o r and t he character i stics o f TA 8435H are i ntro duced i n th

3、i s paper . It brought for w ard t he design plan o f contro l stepp i ng m otor bas i ng on TA 8435H. There are so m e m er it , such as fac ilitated stepp i ng m oto r control secti on , the so ft wa re desi gning mo re si m p l e , strong an ti i nterference and contro lfunction . The practice sh

4、ow ed t hat the perfor m ance of this syste m outdid the traditiona l steppi ng m otor contro ller and h i ghe rfunction and price com pare .K ey w ords :steppi ng mo t o r ; S TC89C52ch i p m icro computer ; TA 8435H; d i v i ded dr i ve0 引言 步進電動機是數字控制電動機, 它將電脈沖信號轉變為角位移, 因此非常適合單片機控制, 在非超載的情況下, 電機的轉

5、速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數, 而不受負載變化的影響, 同時步進電機只有周期性的無累積誤差, 精度高。由于步進電機的眾多優點, 所以其應用越來越廣泛, 控制驅動要求越來越高。由硬件實現控制發展到單片機實現控制, 近幾年大量采用專用驅動芯片, 大大縮小了驅動器的體積, 提高了整機的性能。降低了生產成本1。TA8435H 是東芝公司生產的單片正弦細分二相步進電機驅動專用芯片, 其采用的是脈寬調制式斬波驅動方式。具有工作電壓范圍寬、可供選擇整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式及實現正/反轉控制功能等優點2。下面就給出該芯片控制步進電機的設計方案。1 硬件電路設計系統總體框圖如圖

6、1所示。圖1 系統總體框圖1 1 單片機和驅動芯片電路設計本系統采用STC89C52單片機產生控制信號。本芯片內部RAM 和ROM 能滿足本設計的要求。步進電機的信號通過STC89C52單片機的P1 0P1 5輸出的具有時序的方波經光電耦合器傳至TA8435H 芯片的C K 1、C K 2、C W /CCW 、M 1、M 2和REF I N , 然后再由其控制步進電機。電路圖如圖2所示。關于TA8435H 驅動芯片部分引腳功能及設計說明:引腳M 1、M 2決定步進電機轉動方式, 此處工作在1/8模式(M1、M 2接高電平, 減小低速時的振動, C W /CC W 控制電機正反轉動, CK 1、

7、CK 2時鐘輸入的最大頻率不能超過5k H z , 控制時鐘的頻率即可控制電機轉動的速率。REF I N 決定NFA 和NFB 的輸出電壓:當取值為1時, 輸出0 8V, 當取值為0時, 輸出0 5V 。這兩 圖2 控制電路圖個引腳控制步進電機輸入電流, 電流大小與NF 端外接電阻關系式為:I o =V r ef /R nf 即R n f =V ref /I o 。本設計選用的步進電機型號是57BYGA102。其額定電流是1 5A 。取REF I N =1, 即V r ef =0 8V 。由公式計算R nf =0 5333 , 實際選用0 5 的電阻。步進電機按二相雙極性使用。四相按二相使用時

8、可以提高步進電機的輸出轉矩, RF307快恢復二極管用來泄放繞組電流。1 2 電源由于系統中需要弱電和強電兩種電源。這里用USB 接口提供5V 弱電源, 用穩壓電源提供10V 40V 強電源, 兩電源不共地。低壓電源為單片機和驅動芯片供電, 穩壓電源為步進電機供電。2 軟件設計系統軟件程序主要功能模塊有鍵盤的識別處理、數碼管的顯示和控制信號產生模塊。其中控制信號產生模塊主要任務是控制步進電機的起動、按順序發出控制命令、控制步進電機的轉向和轉速。為減小低速時的振動采用1/8細分模式, 利用定時器向TA8435H 輸出單脈沖控制步進電機轉速程序如下:#i nclude ! reg51. h sbi

9、t REF I N =P13; sbitM 2=P15; sbitM 1=P14; sbit C W =P10; sbit CLK 2=P12; sbit CLK 1=P11;vo i d ti m e r(void i nterrupt 3CLK 2=! CLK 2; TH 0=0xe; f TL0=0x f; f vo i d m a i n(vo i d TMOD =0x00; EA =1; ET 1=1; TR1=1; REF I N =1; M 2=1; M 1=1; CLK 1=1; C W =1; W h ile(1; 3 可靠性設計3 1 光電隔離技術為有效地抑制干擾, 提高系

10、統工作的可靠性, 采用6N137光電隔離器件, 其優點有:a . 實現單片機和驅動芯片之間電平的轉換;b . 實現兩者之間信號的隔離, 防止產生干擾和保護作用。3 2 濾波技術在低電源(+5V 輸入端接C 3電容濾掉噪聲中的高頻干擾; V BB 接C 2和C 1電容, 前者功能(下轉47頁數, 否則起動T 0后再對PLG 進行計數。如圖6 所示。3 4 T 0中斷服務程序在外部中斷服務程序中, 當T 0定時時間到了以后, 就進入此程序。具體流程如圖7所示。3 5 I NT 1服務程序在T 0服務程序中, 當I N T 1端子接受下降沿時就進入此程序。關掉外部中斷1, 并且使定時器1停止計數,

11、保存計數值。如圖8所示。4 結論本系統用單片機作為直流電機調速系統的控制核心, 具有結構簡單, 運行可靠, 調節范圍寬, 電流連續性好, 響應速度快等特點。采用比例積分(P I 調節器算法, 有效地抑制轉速超調, 效率高, 具有廣泛的實用 價值。參考文獻:1 付家才. 單片機控制工程實踐技術M.北京:化學工業出版社, 2004.2 李伯成. 基于M CS-51單片機的嵌入式系統設計M .北京:電子工業出版社, 2004.3 張 深. 直流無刷電機原理及應用M.北京:機械工業出版社, 1996.4 康華光. 電子技術基礎. 數字部分(第四版 M .北京:高等教育出版社, 2000. 收稿日期:2

12、007-11-06作者簡介:楊 靖(1958-, 男, 助理實驗師, 主要從事交直流電機的控制技術。(上接44頁同上, 后者起濾掉噪聲中的低頻干擾的作用。4 結束語本系統采用單片機和驅動芯片組合設計步進電機控制電路, 實踐表明, 控制效果較好。該控制系統硬件電路設計簡單, 結構緊湊、功耗低、運行可靠、設計方便; 因使用專用驅動芯片, 編制軟件比較簡單。TA8435H 為脈寬調制式斬波驅動方式的芯片, 所以其具有同頻P WM 驅動器的優點:運行頻率高, 輸出轉矩大, 并能消除電磁噪聲等。較好地解決了高低頻運行時的一些問題。本控制器可以與反饋檢測環節連接, 組成閉環控制系統用于精度和穩定性要求較高的控制系統中。參考文獻:1 周明安, 朱光忠, 宋曉華, 等. 步進電機驅動技術發展及現狀J.機電工程技術, 2005, 34(2.2 東芝公司數據資料Z.TA 8435H. PDF. 2001.3 劉 升. 二相步進電機驅動芯片TA 8435H 及其應用J.新特器件應用.4 李忠杰, 寧守信. 步進電動機應用技術M .北京:機械工業出版社, 1988.5 劉國永, 陳杰平. 單片機控制步進電機系統設計J.安徽技術師范學院學報, 2002, 16