论文部分内容阅读
摘 要： 介绍一种基于C8051F330单片机的步进电机控制驱动器设计，利用串口通信将电机的速度、方向等参数传送给驱动器CPU（C8051F330），CPU根据相关参数，直接产生脉冲信号，并完成环分任务，最后由功率驱动器L298N完成步进电机的功率驱动。
关键词： C8051F330；步进电机；功率驱动
0 引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移，广泛应用在各种自动化控制系统中。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成控制回路，调试复杂、元器件多、改变控制方案需要重新设计电路。因此，计算机通过软件来控制步进电机已成一种必然趋势。本文介绍一种基于C8051F330单片机控制的新型步进电机驱动器的设计方法。
1 驱动器的设计方案
1.1 两相步进电机工作原理
两相四线制步进电机模型如图1所示。如果控制绕组按A→
、B→ 、 →A、 →B顺序通电，转子就会一步一步地连续转动。转子的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率，旋转方向则取决于控制绕组轮流通电的顺序。如果上述通电次序改为 →B， →A、B→ 、A→ 、则电机反向旋转。
步进电机步距角的大小由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，存在关系：
为步距角，m为电机相数，C为通电状态系数，当单极性通电时C=1，而双极性通电时C=2， 为电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变是由外加输入脉冲驱动电路来实现。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次。与此对应的是步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，步进电机的转速为：
为电机通电的脉冲频率，单位Hz；n为电机转速，单位r/min。转速用步距角表示：
由式（1）、（2）和（3）可知，电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就即改变转速。改变步进电机各绕组的通电顺序就可以实现其方向控制[1]。
1.2 驱动器设计方案
驱动器的控制核心器件采用C8051F330单片机，是使用Silicon Labs公司的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，在1片上集成了包括ADC、UART、定时器、内部晶体振荡器、片内集成外部RAM等在内的几乎所有数字外设功能部件，不仅为驱动器的设计开发提供了方便，而且与传统的8051系列MCU单片机相比较C8051F330能够极大的简化外围电路和硬件结构，降低成本提高可靠性[2][3]。
驱动器的功率驱动芯片采用ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片L298N，特点是可实现电机正反转及调速、启动性能好、启动转矩大、工作电压可达到36V，4A。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用方便。
C8051F300接收外部设备传送的电机速度和方向控制信号，C8051F330完成环分，L298N完成功率放大进而驱动步进电机按要求运行，同时通过拨码开关选择电机以整步或半步运行，其结构如图2所示。
2 驱动器的软件实现
3 结束语
本文介绍的步进电机驱动器将脉冲信号的产生、环分與驱动融合到一起，简化了电路结构，外设通过串口发送步进电机速度参数即可准确地控制步进电机。该驱动器用于两相制的步进电机控制驱动效果良好，并在数控机床的步进电机控制上获得了成功的应用。
参考文献：
[1]王晓明，电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：181-208.
[2]何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，2003：1-30.
关键词： C8051F330；步进电机；功率驱动
0 引言
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移，广泛应用在各种自动化控制系统中。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成控制回路，调试复杂、元器件多、改变控制方案需要重新设计电路。因此，计算机通过软件来控制步进电机已成一种必然趋势。本文介绍一种基于C8051F330单片机控制的新型步进电机驱动器的设计方法。
1 驱动器的设计方案
1.1 两相步进电机工作原理
两相四线制步进电机模型如图1所示。如果控制绕组按A→
、B→ 、 →A、 →B顺序通电，转子就会一步一步地连续转动。转子的转速取决于控制绕组接通和断开的变化频率，旋转方向则取决于控制绕组轮流通电的顺序。如果上述通电次序改为 →B， →A、B→ 、A→ 、则电机反向旋转。
步进电机步距角的大小由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式决定，存在关系：
为步距角，m为电机相数，C为通电状态系数，当单极性通电时C=1，而双极性通电时C=2， 为电机转子齿数。控制绕组通电状态的改变是由外加输入脉冲驱动电路来实现。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通电状态即改变一次。与此对应的是步进电机将转动一个步距角。因此步进电机转过的步距角数等于外加脉冲数，步进电机的转速为：
为电机通电的脉冲频率，单位Hz；n为电机转速，单位r/min。转速用步距角表示：
由式（1）、（2）和（3）可知，电机的相数和转子的齿数一定时，转子的转速和输入脉冲频率成正比。因此，改变输入的脉冲频率就即改变转速。改变步进电机各绕组的通电顺序就可以实现其方向控制[1]。
1.2 驱动器设计方案
驱动器的控制核心器件采用C8051F330单片机，是使用Silicon Labs公司的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，在1片上集成了包括ADC、UART、定时器、内部晶体振荡器、片内集成外部RAM等在内的几乎所有数字外设功能部件，不仅为驱动器的设计开发提供了方便，而且与传统的8051系列MCU单片机相比较C8051F330能够极大的简化外围电路和硬件结构，降低成本提高可靠性[2][3]。
驱动器的功率驱动芯片采用ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片L298N，特点是可实现电机正反转及调速、启动性能好、启动转矩大、工作电压可达到36V，4A。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用方便。
C8051F300接收外部设备传送的电机速度和方向控制信号，C8051F330完成环分，L298N完成功率放大进而驱动步进电机按要求运行，同时通过拨码开关选择电机以整步或半步运行，其结构如图2所示。
2 驱动器的软件实现
3 结束语
本文介绍的步进电机驱动器将脉冲信号的产生、环分與驱动融合到一起，简化了电路结构，外设通过串口发送步进电机速度参数即可准确地控制步进电机。该驱动器用于两相制的步进电机控制驱动效果良好，并在数控机床的步进电机控制上获得了成功的应用。
参考文献：
[1]王晓明，电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：181-208.
[2]何立民，MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，2003：1-30.