基于89C2051的步進電機驅動系統設計

設計了一種基于89C2051單片機的步進電機驅動系統。該系統優化了電機在不同工作頻率下的能量供給，取得了高頻力矩提升、低頻功耗下降的優良效果。

關鍵詞：? ?可控電源; 步進電機；89C2051
引言

步進電動機驅動方式主要分為恒壓驅動、恒流驅動、細分驅動等，其中恒壓驅動是成本最低、最簡單的解決方案，但是它的顯著缺點是：高頻力矩下降較快，無法滿足某些應用場合的要求。另外，目前市場上幾乎所有的步進電機驅動器都存在著低頻熱耗散大的缺點。在成本壓力較大、對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。

本設計通過一個低成本可控電源，針對控制頻率的全程范圍，相應輸出若干段電壓，低頻低壓、高頻高壓。同時，在同一頻率下采用高低壓驅動法，在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓，從而實現了低成本下的高頻力矩提升、低頻功耗下降的優良效果。
硬件設計

系統硬件電路主要由單片機電路、可控電源電路和步進電機驅動電路構成。單片機采用ATMEL公司的89C2051。實際應用中，用其P1口低4 位輸出控制信號給可控電源電路，使可控電源輸出不同梯次的驅動電壓，當控制信號為“0000”時輸出電壓最低，控制信號為“1111”時輸出電壓最高，P1口高4 位用于輸出相序控制信號給四相步進電機驅動電路，單片機根據控制策略決定驅動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是一個降壓型開關穩壓源，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 為二極管結壓降，VREF 為參考電壓，Di 為單片機I/O口數字量輸出。電路中采用緩沖器是為了提高高電平輸出的穩定性和電流驅動能力，權電阻網絡在單片機I/O口數字量控制下向VREF 節點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為低電平時產生反相電流。本設計采用4 位I/O控制信號，形成了4位8級可調電源。

四相步進電機驅動電路

圖2所示為四相單極性步進電機驅動電路，主要由MOSFET、續流二極管、電阻組成。單片機I/O口輸出信號MA、MB、MC、MD為高電平時，相應的開關管MOSFET導通，Vout向對應的電機繞組供電。電路中為了減小驅動元件的壓降，采用了具有低導通電阻特性的MOSFET器件，利用二極管和電阻構成電機繞組的續流回路，避免了MOSFET器件在換相時由于瞬間電壓過高而擊穿。

圖2 四項步進電機驅動電路

控制方案及軟件設計

為了實現高頻力矩提升、低頻功耗下降的目的，設計中采用了高低壓驅動和驅動電壓根據頻率分段而調整相結合的控制策略。

高低壓驅動方案

圖3 所示為單片機輸出的步進電機相序控制信號 MA、MB、MC、MD與驅動電壓Vout的時序關系。控制相序依次為：AB→BC→CD →DA→AB...。圖中可見,步進電機每走一步驅動電壓首先變高為Uf，然后再變低為UO，即在電機啟動時刻提供高電壓，力矩保持階段提供低電壓。Uf值高于UO值的目的為了使電機保持較高的動態轉矩,經過T1時間后，驅動電壓變成U0，以便給電機提供較低的維持轉矩所需的電流。T1的值是固定的,當頻率較低時T遠遠大于T1，此時電源輸出的平均電壓低，功耗也低，電機做的功低。當頻率提高時，T減小，一個周期內U0電壓在時間軸上所占比例減小，電源消耗的功率增大，電機做功較大，當T小于等于T1時，驅動電壓為一個恒定值Uf。從而實現了低頻低功耗，高頻高能量供給的優化驅動模式，避免了常用驅動電路低頻熱耗散大的缺點。

圖3 相續控制信號與驅動電壓關系

頻率分段調整驅動電壓的控制

實際應用中，將工作頻率范圍分成若干段，不同頻率段對應不同的驅動電壓值，頻率越高驅動電壓越大。由于步進電機繞組是感性負載，換相過程中驅動回路電流變化率越大，電機的動態響應速度越快，動態轉矩越大。而電流變化率是與驅動電壓成正比的。所以本控制方案大大提高了步進電機的高頻轉矩。

步進電機驅動控制軟件

根據上述控制方案，設計了步進電機驅動程序。根據經驗值預先建立了不同段頻率與相應驅動電壓控制碼的對應關系表，并存入系統存儲器。運行過程中依據當前工作頻率，對應出每步周期T，再通過查表確定驅動電壓控制代碼，并由口P13--P10輸出給可控電源，同時口P17--P14輸出相序控制信號。另外，驅動電壓Uf建立時間T1決定了高壓輸出在每步驅動中所占的比例，T1時間到，則變成維持電壓U0(低壓)供電，從而實現了高低壓驅動。
應用情況與結果

本控制方案在XL21系列醫用點滴泵中已成功應用。XL21系列原型號醫用點滴泵采用工作電壓為8伏的恒壓驅動方案，最高流速可達820ml/hour，在流速500ml/hour以下出現整機發熱現象。現型號醫用點滴泵對應0-600ml/hour、600-670ml/hour、670-750ml/hour、750-800ml/hour、800-850ml/hour、850-900ml/hour、900-950ml/hour、950-1000ml/hour 8個流速段分別采用7.549V、7.868V、8.185V、8.345V、8.664V、8.981V、9.299V、9.616V共8個梯次電壓驅動的方式，使整機發熱得到很大緩解，同時最高流速上升到1000ml/hour。圖4為原型號和現型號醫用點滴泵在不同流速下的實測啟動轉矩對比。從圖中可見，原型號泵隨著設定流速的提高，輸出轉矩迅速衰減，而現型號泵隨著設定流速的提高，由于驅動電壓分段提高導致輸出轉矩更加平緩，使得在滿足同等力矩的條件下，流速范圍擴大。

圖4 兩種方案啟動轉據對比

進電機驅動方案與恒壓驅動方案相比，低速功耗明顯下降，而高速力矩得到顯著提升。在兼顧節能和改善步進電機矩頻特性的應用中，該設計是一種性價比很好的解決方案。
參考文獻
1.??王松武，常用電路模塊分析與設計指導，清華大學出版社，2007
2.??張占松、蔡宣三，開關電源的原理與設計(修訂版)，電子工業出版社，2004(9)
3.??黃繼昌，電源專用集成電路及其應用—集成電路應用叢書，人民郵電出版社，2006(6)
4.??吳紅星，電機驅動與控制專用集成電路及應用，中國電力出版社，2006