基于89C2051的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),Stepper motor drive system design based on 89c2051

引言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要分為恒壓驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等，其中恒壓驅(qū)動(dòng)是成本最低、最簡(jiǎn)單的解決方案，但是它的顯著缺點(diǎn)是：高頻力矩下降較快，無(wú)法滿(mǎn)足某些應(yīng)用場(chǎng)合的要求。另外，目前市場(chǎng)上幾乎所有的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都存在著低頻熱耗散大的缺點(diǎn)。在成本壓力較大、對(duì)功耗和高低頻力矩都有較高要求的情況下，如何取舍是一件很難抉擇的事情。

本設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)低成本可控電源，針對(duì)控制頻率的全程范圍，相應(yīng)輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時(shí)，在同一頻率下采用高低壓驅(qū)動(dòng)法，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實(shí)現(xiàn)了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優(yōu)良效果。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)電路、可控電源電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。單片機(jī)采用ATMEL公司的89C2051。實(shí)際應(yīng)用中，用其P1口低4 位輸出控制信號(hào)給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)控制信號(hào)為“0000”時(shí)輸出電壓最低，控制信號(hào)為“1111”時(shí)輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號(hào)給四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)根據(jù)控制策略決定驅(qū)動(dòng)電壓的高低和相序的變化。

可控電源

可控電源部分主要由LM2576-ADJ、緩沖器、電阻、二極管組成，電路如圖1所示。圖中LM2576-ADJ是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓源，其輸出電壓為：

圖1 可控電源電路

其中VH 為緩沖器輸出的高電平電壓，VD 為二極管結(jié)壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機(jī)I/O口數(shù)字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩(wěn)定性和電流驅(qū)動(dòng)能力，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)在單片機(jī)I/O口數(shù)字量控制下向VREF 節(jié)點(diǎn)提供電流從而改變輸出電壓Vout，二極管的作用是防止控制信號(hào)為低電平時(shí)產(chǎn)生反相電流。本設(shè)計(jì)采用4 位I/O控制信號(hào)，形成了4位8級(jí)可調(diào)電源。

四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2所示為四相單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要由MOSFET、續(xù)流二極管、電阻組成。單片機(jī)I/O口輸出信號(hào)MA、MB、MC、MD為高電平時(shí)，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管MOSFET導(dǎo)通，Vout向?qū)?yīng)的電機(jī)繞組供電。電路中為了減小驅(qū)動(dòng)元件的壓降，采用了具有低導(dǎo)通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構(gòu)成電機(jī)繞組的續(xù)流回路，避免了MOSFET器件在換相時(shí)由于瞬間電壓過(guò)高而擊穿。

圖2 四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

控制方案及軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設(shè)計(jì)中采用了高低壓驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電壓根據(jù)頻率分段而調(diào)整相結(jié)合的控制策略。