基于PIC16C621A和A3955的步進電機驅動器設計

摘要：本文介紹了利用A3955對步進電機實現(xiàn)控制的方法及其電路設計。

關鍵詞：步進電機；PIC16C621A；A3955；脈寬調制

引言

步進電機廣泛應用于對精度要求比較高的運動控制系統(tǒng)中，如機器人、打印機、軟盤驅動器、繪圖儀、機械閥門控制器等。目前，對步進電機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，同時由于分散器件的延時，其可靠性大大降低；軟件環(huán)形分配器要占用主機的運行時間，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，但其適應性受到限制，同時開發(fā)周期長、需求費用較高。

步進電機控制

步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應式步進電機(VR)、永磁式步進電機(PM)和混合式步進電機(HB)。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本控制如下：

*控制換相順序—通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：混合式步進電機的工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴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。

*控制步進電機的轉向—如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。

*控制步進電機的速度—如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。

PIC16C621A和A3955

PIC16C621A是美國Microchip公司推出的一種性價比很高的8位單片機。它價格低、封裝小、采用CMOS工藝，具有OTP型，開發(fā)起來很方便。它內含4路8位高速ADC，將它擴展到11位后，可以大大提高單片機應用系統(tǒng)的性價比。主要特性為：高性能的RISC結構CPU，精簡的指定集。指令周期時間為200nS。八級硬件堆棧，直接，間接，相對三種尋址方式。雙向可編程設置I/O，2路比較輸出/PWM輸出，16位定時器/計數(shù)器，內置上電復位電路，程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝。A3955是美國Allegro公司推出的一款性價比很高的脈寬調制電流輸出的電機驅動芯片。主要特性為：最大1。5A的最大驅動電流，最高50V的供電電壓，帶有過熱自動關斷保護電路，欠電壓鎖定(UVLO)保護，輸出抗浪涌的瞬間保護功能，自帶PWM電流控制，3位的線性DAC，帶細分控制，不同組合不同的細分數(shù)，最多8細分。

硬件設計

通常步進電機的脈沖控制是由邏輯電路或專用芯片實現(xiàn)的脈沖環(huán)形分配的，因A3955不自帶環(huán)形分配功能，本設計采用兩片A3955驅動步進電機的兩個線圈，來實現(xiàn)脈沖環(huán)形分配的實現(xiàn)。

本設計采用脈沖加方向的步進電機控制方式，應用于驅動二相或四相混合式步進電機。電機的出線方式不同，與驅動器的連接也不同，一般有以下幾種方式：

*對于二相四根線電機，可以直接和驅動器相連(見圖1)；

*對于四相六根線電機，中間抽頭的二根線懸空不接，其它四根線和驅動器相連(見圖1)。

圖1二相四根線電機與驅動器連接

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，步進脈沖信號CLK用于控制步進電機的位置和速度，本驅動器的設計為CLK信號為上升沿有效，要求CLK信號的驅動電流為8-15mA，對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DIR用于控制步進電機的旋轉方向。此端為高電平時，電機逆時針方向轉，此端為低電平時，電機為順時針方向轉。CLK和DIR信號默認幅值為5V，如果不是5V則須外部另加限流電阻R，如信號幅度為12V時，加680W的電阻。MS0，MS1，MS2為細分輸入端，最多為8細分(見表1)。

圖2具體硬件電路圖

軟件設計

為了防止程序進入到非程序區(qū)，在非程序區(qū)設置攔截措施，使程序進入陷阱，然后強迫程序回到初始狀態(tài)，從而保護程序的正常運行。程序設計首先判斷細分數(shù)，其次判斷方向信號DIR，最后判斷脈沖信號CLK，當沒有脈沖信號時，程序進入休眠狀態(tài)，隨時準備接收中斷來的信號，進入程序區(qū)，根據判斷的細分數(shù)和方向信號進行電機的驅動。代碼如下：

MAINCLRFPORTA

BSFSTATUS，5

MOVLW0x07；整步

MOVWFADCON1

MOVLW0X06；半步

MOVWFOPTIONREG

MOVLW0x04；四細分

MOVWFTRISA

CLRFPORTB

BSFSTATUS，5

MOVLW0X00；八細分

MOVWFTRISB

BCFSTATUS，5

MOVWFTMR0

TESTBTFSSPORTA，0

GOTOCW；正轉

BTFSCPORTA，0

GOTOCCW；反轉

INTMOVLW0XFF；中斷接收脈沖

MOVWFTMR0

BCFINTCON，2

RETFIE

結語

采用此設計的八細分步進電機驅動器，在驅動二相或四相混合式步進電機時運動平穩(wěn)，速度快，噪音低，控制精高，而且專用芯片細分數(shù)可選。在外觀采用鋁鎂合金，散熱性好，價格低廉，可廣泛應用于需要驅動電流小于1。5Ａ的混合式兩相或四相步進電機的系統(tǒng)中。