智能步进电机控制器设计

时间：2022-03-14来源：佚名

1.引言

步进电机驱动器是步进电机控制系统的核心，步进电机能否更好的应用，很大程度上取决于步进电机驱动器的水平。伴随着步进电机的产生，步进电机驱动器就一直在不断发展和进步，目前国内外步进电机驱动器种类很多，但是大部分功能比较单一，很多是针对固定的步进电机或者固定的应用领域，而且价格一般较高，很多不带细分功能，很难满足现实生活中需要灵活应用且成本较低的场合。

本设计的目的就是解决现实生活中需要灵活应用和低成本的问题，并且是使用应用最广泛的混合式步进电机而制作的步进电机控制器，步进电机采用三洋公司的2-4相两用混和式步进电机。系统可以实现正反转控制，多模式选择，圈数、速度设定和存储，速度调节范围宽，低速自动细分，输出转矩大且可调，各种数据的液晶显示，过热和掉电保护等功能。

2.设计分析与方案的确定

2.1 设计方案

方案1：细分完全靠软件实现，驱动电路采用三极管和A/D转换芯片;脉冲用单片机的定时器产生;显示采用数码管;存储采用单片机内部的特殊存储单元。这种方法侧重于软件设计，当脉冲太快时，定时器中断就会和细分程序产生冲突，造成程序的混乱;存储的数据容易丢失;显示内容比较单一;控制的实时性不易保证，调试也比较烦琐，可靠性较低;而且效率较低，大部分能量消耗在三极管得发热上。

方案2：驱动电路采用东芝公司最新推出的步进电机驱动芯片TB6560AHQ，它内部集成双全桥MOSFET驱动;最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A(峰值);具有整步、1/2、1/8、1/16细分方式;内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出;具有过流保护;配合单片机可以实现自动细分、电流和力矩自动控制、过流和温度过高自动保护等功能。掉电存储电路采用Atmel公司的AT24C04(EEPROM);显示电路采用1602液晶显示模块;输入设备采用4*4矩阵键盘。

2.2 方案对比及确定

用分立元件做的驱动电路比较复杂，调试繁琐，如果设计的电路稍有瑕疵，就会造成故障率急剧上升，效率较低，很大一部分能量浪费在驱动电路上，而且很难实现细分和正弦波电流驱动。集成芯片驱动方式具有外围电路简单，调试容易，稳定性高，效率高，体积小，功能齐全等优点，能做到自动细分和正弦波电流驱动，但是功率一般不能做的很大。

当速度增大时单片机定时器中断较快，因此细分不能全部用软件实现，若使用三极管和A/D转换芯片时必须大量依靠软件实现细分;圈数和速度必须牢靠的存储起来，方便应用，因此必须使用专业的掉电存储芯片;使用中必须实时显示速度和圈数，因此应该选用能显示多个数据的1602液晶显示模块;使用中对稳定性和实用性有很高的要求，使用集成芯片外围电路简单、功能强大，可以把单片机大量的资源用在其他地方，不仅增加了系统的整体稳定性和实用性，而且还能增加许多其他功能，使系统的实用性更强。

所以综合以上情况考虑，选用方案2来设计步进电机智能控制器。总体设计框图如图1。

3.主要模块设计

3.1 驱动模块

3.1.1 TB6560AHQ简介

TB6560AHQ是东芝公司最新推出的步进电机驱动芯片，通过采用BICD工艺将低电阻与高许可损耗封装相结合，使其与其它同类产品相比能够极大减少热量的产生，还能支持使用时钟输入控制的无微控制器应用环境下的微步驱动。自动产生纯正的正弦波控制电流，与其它高集成度步进电机控制芯片相比，在相同高转速下力矩不但不会下降，反而有所增加;支持各种步进电机选型。

TB6560AHQ的主要特点有：

●内部集成双全桥MOSFET驱动;

●最高耐压40V，单相输出最大电流3.5A(峰值);

●具有整步、1/2、1/8、1/16细分方式;

●内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出;

●具有过流保护。

3.1.2 硬件电路的设计及驱动原理

工作原理如下：M1(22)和M2(23)引脚通过单片机的程序控制细分，共有2、8、16三种细分模式，CW/CCW(21)引脚控制电机的正反转，当需要正转时单片机P1.2输出高电平，需要反转时输出低电平;PROTECT(19)引脚是芯片的保护输出端，当芯片正常工作时由于上拉电阻的作用，单片机P1.3口采集到高电平，当芯片过热保护时，把单片机P1.3口拉低，此时可令程序断开所有输出，从而保护芯片;MO(17)引脚是芯片初始化引脚，芯片初始化结束后会输出低电平，通过这个引脚单片机可以查询芯片初始化是否结束。

TQ2(1)和TQ1(2)控制驱动芯片的输出电流，通过这两个端的选择可以选择不同的工作电流，具体选择模式如表1。可以通过J1和J2跳线选择最大电流的100%、75%、50%和25%。改变电机的驱动电流也就改变了电机力矩的大小。

DCY2(24)和DCY1(25)是电流衰减模式控制端，通过这两个端的选择可以选择不同的衰减模式，具体模式如表2。可以通过J3和J4跳线选择0、25%、50%和100%四种衰减模式。

由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响，步进电机可能会产生高频噪声，通过选择不同的电流衰减模式可以很好的降低甚至消除这种噪声。

OSC(7)引脚是斩波频率控制端，所接电容的大小可以控制斩波频率的大小。当所驱动的步进电机固定后，电容值也随之确定。　　当单片机上电后，在初始化程序中对芯片进行复位(把RESET(5)拉低，然后再置高电平)，当检测到M0(17)出现低电平时，表示芯片已经初始化。然后根据按键输入或者24C04存储的信息输出脉冲，芯片在脉冲的作用下产生正弦波驱动电流，驱动步进电机运转。在芯片运行期间，保持ENABLE(4)引脚为高电平;当按下停止键或者PROTECT(19)引脚出现低电平时，保持ENABLE(4)引脚为低电平，断开所有输出。

3.1.3 软件程序流程

驱动芯片的控制程序采用C语言进行程序设计，便于主程序的调用，程序流程如下：

⑴初始化TB6560AHQ;

⑵根据速度的大小定义芯片细分管脚;

⑶发送脉冲和正反转信号;

⑷监控芯片保护端，当温度过高时自动断开所有输出。

驱动芯片的细分程序流程图如图3所示。

驱动芯片TB6560AHQ自带2、8、16三种细分模式，单片机通过M1(22)和M2(23)两个引脚可以实现对细分的控制。在程序设计中定义了一个细分标志位t2，当执行完上述程序后t2会自动的被覆上细分值，在圈数程序处理单元，把t2自动的乘上，因此就能实现在细分情况下，速度和圈数的准确对应。

3.2 掉电存储模块

3.2.1 硬件电路设计

掉电存储模块采用ATMEL公司生产的AT24C04芯片，它的容量是512字节×8位，既4k位，对于本系统来说已经足够了。电路的连接如图4所示。

电路中的SDA接单片机的P3.0口，SCL接单片机的P3.1口，由单片机模拟I2C的工作与存储芯片进行通信;上拉电阻如4图所示，选用5.1k的普通电阻。

3.2.2 软件程序设计

3.3 显示模块

3.3.1 硬件电路的选择与设计

显示电路使用RT1602C显示模块，其接线图如图5。

3.3.2 显示设置

本设计中，0—04h显示"MODE";06h—0Bh显示"SPEED:";0Ch—0Eh显示三位速度值;然后第二行和第一行对应显示模式、圈数。

设计中采用P2口作为数据口;采用P3.5、P3.6、P3.7三个接口作为控制接口，通过设置电平高低控制1602的工作状态。

3.4 单片机最小系统模块

3.4.1 硬件电路中晶振选择

单片机的外围电路选择：因为步进电机运行时的速度靠定时器的定时中断产生，因此中断频率要求高一些，所以晶振选用24MHZ。电容选用30PF的瓷片电容。

3.4.2 定时器初值计算

根据所用步进电机(三洋公司的2-4相两用混和式步进电机)的资料进行分析和现场试验得出：当用四相四拍方式运行时，每个脉冲周期走过1.8°，也就是200个脉冲周期走一圈;当用两相两拍(本设计所选驱动芯片驱动方式)时，每个脉冲周期走过0.9°，也就是400个脉冲周期走一圈。当使用细分驱动时，脉冲数还要乘上细分数。

因此可以得出公式如下：

S=M/(400*N) (1)

式中：S—速度，单位：圈数/分;M—定时器每分钟产生的脉冲数;N—细分数，有2、8、16三种。

脉冲的周期：

P=400*N*S/60*1000　 (2)

式中：P—脉冲的周期，单位：毫秒;定时器定时时间：T=P/2。

根据公式(1)和公式(2)可以得出：

T=10000*N*S/3 (3)

根据定时器计算公式：

T=(65536-T0初值)*振荡周期*12 (4)

式中：T0—定时器初值;振荡周期—1/24MHZ。

根据公式(3)和公式(4)可以得出：