基于l298的步进电机控制器设计

基于l298的步进电机控制器设计内容摘要：

体化设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来弥补。 采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果；采用升降频控制技术 ,则可以克服步进电机高速起停时存在的堵转、丢步或者过冲等问题，使步进电机转动得更加平稳、定位更加精确。 正弦细分驱动技术 步进电机的工作原理本质上靠励磁绕组产生的旋转的合磁场带动 转子做同步运动。 不细分时步进电机的合磁场将以一个固定的角度旋转，如果对这个角度进行细分，那么就可以实现对步距角的细分。 由于励磁绕组通电之后产生磁通量正比于电流的大小，因而只要控制流过各个绕组的电流的大小和方向就可以控制步进电机各个绕组产生的合磁场的大小和方向。 当步进电机工作在整步或半步时，只需对绕组进行正、反向通断电控制，工作在细分状态下就需要精确控制流过绕组电流的大小。 如图 ，以两相混合式步进电机为例，如果控制绕组电流分别按照如下的正余弦规律变化，那么绕组的合成电流矢量或者合成磁场矢。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 8 (1) ； (2) ； (3) ； (4) 其中， Ia:绕组 A的电流， Ib：绕组 B的电流， IPEAK ：绕组的电流最大值， I：合成电流矢量，θ 0：合成电流矢量的步进旋转角度， n:控制脉冲编号 ,m：步进电机细分数。 量将以恒定大小、均匀的角度θ 0 做圆周旋转，从而使得步进电机的输出力矩恒定 、细分步距角均匀。 图 两相正弦细分波形 脉冲宽度调制技术 目前一般采用脉冲宽度调制（ PWM）技术来精确控制绕组电流的大小。 PWM技术是建立在以下理论基础上：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上 ,效果基本相同。 步进电机的绕组由于电流不会突变，具有明显的惯性环节 ,因此可以用 PWM技术来控制电机绕组的电流大小。 如图 示，周期脉冲信号的导通阶段（ ton）对绕组进行充电，截止阶段（ toff）绕组通过续流回路进行放电。 当脉冲的频率和宽度达到一定值时，绕组的电流将基本是一个 恒定值，并带有微小的纹波信号。 当脉冲宽度改变时，绕组的电流也将发生变化。 所以 PWM可用来精确控制绕组电流的大小。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 9 图 绕组 PWM恒流斩波电压、电流波形 升降频控制技术 步进电机从静止启动时，由于惯性和摩擦力矩的作用，如果转动频率突变太大可能会丢步甚至堵转；当步进电机在高速运转时如果突然停下来，则可能会过冲，这些情况都会导致运动不平稳以及定位精度不高。 在实际应用场合中，步进电机经常要工作在高速转动和快速起停的状态下，为了克服堵转、丢步和过冲的问题，可采用升降速控制技术。 由于步进电 机升速过程当中输出力矩明显减少，因而步进电机的升速曲线的设计尤为重要。 步进电机的升速过程一般由突变频率和加速曲线过程。 突变频率不可太高否则会丢步甚至堵转。 由步进电机的运动方程可得出理想的加速曲线为指数曲线为(其中， fm 为最高连续运转频率，τ：时间常数 )。 实际上步进电机转动频率不是连续变化的而是离散的，因而升速曲线一般是指运行频率与脉冲数的关系曲线（如图 所示）。 由于单片机的硬件资源和计算能力都比较有限，一般采用各种方法来拟合升速曲线，常见的方法有台阶拟合法、直线拟合法以及查表法。 出于拟合精度和实现难度的折中考虑，实际使用中往往采取直线拟合法。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 10 图 指数型升速曲线 由于步进电机降速过程中输出力矩增大，因而对降速曲线的要求比升速曲线低得多，只要保证不因为惯性而过冲超步即可。 因而实际使用中，往往采用台阶拟合法。 步进电机控制系统 （ 1）步进电动机本体、步进电动机驱动电路和控制单元构成步进电动机 系统不可分割的三大部分。 控制单元和驱动电路为控制系统的核心部分。 （ 2）控制单元是整个系统最核心的部分。 用于协调各部分的运行，主要负责接收通信端口或输入电路送来的信息，并对其进行识别、译码，并做出相应的动作，发出控制信号用以控制步进电动机。 控制单元实质上时具有处理能力的微处 理器芯 片。 （ 3）驱动电路是负责将控制单元送来的微电流信号进行放大用以驱动步进电动机运转，驱动电路实质上是功率放大器。 常见的驱动电路：单电压型功放电路、高低压切换型功放电路、斩波恒流功放电路等，再就是采用专用的集成芯片。 （ 4）其他 显示 屏：人机交互的窗口，使用 JHD162A液晶屏。 输入电路：用于输入控制信息，告诉控制器如何运转。 课题研究的意义 步进电机作为数字式执行元件，具有成本低，易控制、定方位和步距误差不长期累积等优点，被被广泛应用在数控装置、绘图机、机械手、印刷和包装设备等工业、军事和医疗自动化领域中。 在多种步进电机中，混合步进电机集反应式和永磁式步进电机的优点于一身，应用更加普遍。 但步进电机在应用中存在一些制约性的因素，步进电机及其系统表现出诸如低速平稳性中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 11 差、高速反应能力差、效率低和能耗大等。 步进电机多用于开环控制的 场合，对转子位置不做检测，较容易在运行过程中产生失步，失步和震荡是较为严重的两个问题。 另外，步进电机不能简单的直接接到普通的直流电源上运转，它需要专门的驱动器，步进电机和与之配套的驱动器密不可分，在电机本体选定的情况下，驱动器的好坏很大程度上影响整个系统的运行性能。 通过研制高性能的步进电机驱动器可以大大改善步进电机的运行性能。 这对提高我国在这方面的科学技术水平起到了一定的促进作用，拓宽了步进电机的应用领域。 因此，研究开发出高性能的步进电机有着重大的现代意义。 本课题主要研究的内容 本课题主要研究的 内容包括如下几个方面： （ 1）分析和研究步进电机的特点及其驱动技术的控制方法。 深入了解步进电机及其驱动芯片的使用方法及工作原理。 （ 2）在深入了解步进电机的基本原理的基础上，采用 SGS公司生产的L297和 L298芯片及 AVR单片机设计两相四线步进电机驱动器。 （ 3）通过软件仿真和硬件焊接和调试等，设计出能用于实际的步进电机控制器。 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 12 2 步进电机驱动芯片 L298 的简介 L298 简介： L298N 为 SGSTHOMSON Microelectronics 所出产的双全 桥步进电机专用驱动芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，内部包含 4信道逻辑驱动电路，是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动 2 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 HBridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑准位信号，可驱动 46V、 2A 以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号， 但在本驱动电路中用 L297 来提供时序信号，节省了单片机 IO 端口的使用。 L298N 之接脚如图 所示， Pin1 和 Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、 OUT2 和 OUT OUT4 之间分别接 2 个步进电机； input1~input4 输入控制电位来控制电机的正反转； Enable 则控制电机停转。 图 (1) L298 引脚图 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 13 图 (2) L298 引脚图 图 L298 内部逻辑图 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 14 L298 的 绝对最大额定值 ： (表 ) 表 L298 的 绝对最大额定值 Symbol 符号 Parameter 参数 Value 数值 单位 VS Power Supply 电源 50 V VSS Logic Supply Voltage 电源电压 7 V VI,Ven Input and Enable Voltage 输入电压和启用 – to 7 V IO 峰值输出电流 (每通道 ) A 非重复性 (t= 100ms) 3 重复 (80% on – 20% off。 ton = 10ms) 直流运行 2 Vsens Sensing Voltage 感应电压 – 1 to V Ptot Total Power Dissipation (Tcase=75℃) 总功率耗散(Tcase=75 ℃) 25 W Top Junction Operating Temperature 结工作温度 – 25 to 130 ℃ Tstg,Tj Storage and Junction Temperature 储存温度 – 40 to 150 ℃ 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 15 L298 引脚功能： （表 ） 表 L298 引脚功 能 引脚 PowerSO Name Function 功能说明 1。 15 2。 19 Sense A。 Sense B 电流监测端 , 15和PowerSO 的 19用法一样， SEN SEN2分别为两个 H 桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地 2。 3 4。 5 Out 1。 Out 2 1Y 1Y2输出端 4 6 VS 功率电源电压 ,此引脚与地必须连接 100nF 电容器 5。 7 7。 9 Input 1。 Input 2 1A 1A2输入端， TTL电平兼容 6。 11 8。 14 Enable A。 Enable B TTL 电平兼容输入 1EN、 2EN 使能端，低电平禁止输出 8 1,10,11,20 GND GND 地 9 12 VSS 逻辑电源电压。 此引脚与地必须连接 100nF 电容器 10。 12 13。 15 Input 3。 Input 4 2A 2A2 输入端， TTL电平兼容 13。 14 16。 17 Out 3。 Out 4 2Y 2Y2 输出端 监测引脚 15 – 3。 18 . Not Connected 空 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 16 L298 的 电气特性： （表 ） 表 L298 的 电气特性 Symbol 符号 Parameter 参数 Test Conditions 测试条件 最小 典型 最 大 单位 VS Supply Voltage (pin 4) 电源电压（引脚 4 ） Operative Condition VIH + 46 V VSS Logic Supply Voltage (pin 9)逻辑电路电源电压（引脚9 ） 5 7 V IS Quiescent Supply Current (pin 4) 静态电源电流（引脚 4 ） Ven =H。 IL=0 Vi =L 13 22 mA Vi =H 50 70 mA Ven =L Vi =X 4 mA ISS Quiescent Current from VSS (pin 9) VSS 的静态电流 (引脚 9) Ven =H。 IL=0 Vi =L 24 36 mA Vi =H 7 12 mA Ven =L Vi =X 6 mA ViL Input Low Voltage 输入低电平电压（引脚 5， 7， 10， 12） – V ViH Input High Voltage 输入高电平电压（引脚 5， 7， 10， 12） VSS V IiL Low Voltage Input Current 低电平输入电流（引脚 5， 7，10， 12） Vi = L – 10 μA 中国矿业大学徐海学院 2020 届本科生毕业设计 17 IiH High Voltage Input Current 高电平输入电流（引脚 5， 7，10， 12） Vi = H ≤VSS – 30 100 μA Ven = L Enable Low Voltage 使能端高电平电压（引脚 6， 11） – V Ven = H Enable High Voltage 使能端低电平电压（引脚 6， 11） VSS V Ien = L。