摘要： L297單片步進電機控制集成電路適用于雙極性兩相步進電機或四相單極性步進電機的控制，與兩片H橋式驅動芯片L298組合，組成完整的步進電機固定斬波頻率的PWM恒流斬波驅動器。該驅動器可實現全步、半步控制斬波驅動、恒力矩、使用簡便易于調試、高可靠性等優點。關鍵詞：步進驅動；恒力矩；L297；L298； 555震蕩器作者：言軍、劉春琴、毛紅琴、(振合直線電機(深圳)有限公司江蘇深圳)引言 得益于電子技術突飛猛進的發展，單片機、驅動芯片很多，國內許多廠家制作的步進電機驅動器性能很好，但是客戶對驅動器基本要求是一樣的：性價比高、控制簡單、安全可靠等。筆者設計了一種基于L298+L297的恒流斬波兩相步進電機驅動器, 該驅動器本身帶有脈沖信號源方便用戶進行一些簡單控制，設置和使用。在整、半步控制時，能維持恒力矩輸出，比市場上同類產品性能更優越。而且驅動器斬波電流較大，恒轉矩輸出，工作可靠，內建有脈沖信號源方便用戶進行一些簡單控制，設置和使用非常方便。1、L297功能分析L297芯片采用模擬／數字電路兼容的I2L工藝，20腳DIP封裝，通常以5 V供電，全部信號TTL／CMOS兼容，是非常適用于兩相步進電機控制的專用芯片。L297的內部邏輯框圖如圖1，其核心電路是變換器。

圖1 L297的內部邏輯框圖 由變換器產生4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電機良好的速度和轉矩特性，相序信號是通過2個PWM斬波器控制，斬波器包含有一個比較器、一個觸發器和一個外部檢測電阻如圖2，晶片內部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖, 振蕩器輸出的振蕩脈沖頻率f由OSC的外接RC決定頻率=1/0.69RC。每個斬波器的觸發器由振蕩器的脈沖調節，當負載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當電壓達到Vref時(Vref是根據峰值負載電流而定的)，將觸發器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出(即觸發器Q輸出)是一恒定速率的PWM信號，L297的CONTROL端的輸入決定斬波器對相位線A，B，C，D或抑制線INH1和INH2起作用。CONTROL為高電平時，對A，B，C，D有抑制作用；為低電平時，則對抑制線INH1和INH2有抑制作用，從而可對電機轉矩進行控制。

圖2 外部檢測電阻2、 L298功能分析 L298芯片是一種高電壓、大電流雙H橋功率集成電路，可用來驅動繼電器、線圈、直流電機和步進電機等感性負載。它具有兩個抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三極管的射級是連接在一起的，相應的外接線端可用來連接外設反饋電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。L298的內部邏輯框圖如圖3。

圖3 L298的內部邏輯框圖 L298的邏輯真值表如圖4，當EnA為低電平時，IN1、IN2輸入電平被抑制，橋路斷開，電機停止。當EnA為高電平，IN1、IN2輸入電平為一高一低，電機正或反轉；IN1、IN2同為低電平或高電平, 橋路斷開，電機停止。

圖4 L298的邏輯真值表3 、步進電機的驅動特性兩相步進電機的線圈繞組分為+A/-A相和+B/-B相，忽略電磁轉矩與電流之間的非線性因素，要使電機平穩勻速、恒力矩轉動，關鍵是控制電機繞組中的電流,如圖5所示。

圖5 電機繞組中的電流 在基本步單相激勵驅動方式下，相繞組電流將按 I+A→I+B→I-A→I-B 4拍進行循環；在基本步兩相激勵驅動方式下，相繞組電流將按I+A 、I+B→I+B、I-A→I-A、I-B→I-B 、I+A 4拍進行循環，即整步驅動方式的電流矢量把一個圓平均分割成四份；在半步單、兩相交替激勵驅動方式下，相繞組電流將按，I+A→I+A 、I+B→I+B→I+B、I-A→I-A→I-A、I-B→I-B→I-B 、I+A 8拍進行循環，即半步驅動方式的電流矢量則可以把一個圓分割成8份。兩相激勵方式下產生的步進電流將是各相的合成電流矢量，分別為，I1、I2、I3、I4，其幅值是單相電流值的倍。因此，在半步單、兩相激勵驅動方式下，為了保持力矩恒定，在電流由雙相轉換為單相時，如I-B 、I+A→I+A，則+A-A相繞組的電流必須提高到雙相電流I+A的倍，半步恒力矩運行電流隨時間的變化如圖6。

圖6 半步恒力矩運行電流 同樣，當基本步兩相激勵驅動方式改變為基本步單相激勵驅動方式時，要維持輸出力矩的恒定，相電流也必須為雙相電流的倍。由于半步單、兩相激勵方式步進分辨率提高了一倍、且電機運轉會更為平穩，而基本步兩相激勵方式的相線圈利用率高，能產生較大的力矩，同時會產生電磁阻尼，削弱或消除振蕩現象，這兩種控制方式較常被采用。 由于繞組電感的影響，繞組中的電流將按規律上升。所以為了獲得好的高頻性能，使繞組中的電流上升波形變陡，可以用高電壓驅動的方法來縮短電流上升到參考電流I的時間,能獲得較好的牽出力矩并改善電機的啟動性能。4、電路解決方案 本設計的步進電機控制驅動電路包括電源電路、控制驅動電路、過流檢測電路組成。 電源電路，如圖7所示。內部5V電源取自LM117，LM117內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路，允許的電源電壓+24 到+40V，LM117前端接的C1、C2、C3用以抵消輸入端的電感效應，防止產生自激效應。C5是為了瞬時增減負載電流時不至于引起輸出電壓有較大的波動。LED是電源指示燈。圖7電源電路控制驅動電路及過流檢測電路，如圖8所示。

圖8 控制驅動及過流檢測電路 對于兩相恒流載波步進電機驅動器的基本功能就是電機的方向，速度可通過上位機發送的脈沖信號控制，并為設備安全運行考慮，應具有急停(使能)功能。L297的CLOCK接收可以來自上位機，每個CLOCK的上升沿使內部的變換器改變狀態，產生控制時序并從a、b、c、d引腳輸出。L297還具內部同步斬波輸出功能，以便于多個驅動器同步；內部半步/整步控制等。對于單一的設備，這樣的驅動器或許已經夠用，而當面對各種客戶，不同的設備，需要的電機也不一樣，自然電流大小也是不一樣的，那么在設計驅動器時，還需要從這個經濟性角度考慮，驅動器應具備調整電流大小的功能。如圖9，下滑滑動變阻器R7，NPN管的集電極電位變小，那么開關作用的NPN管完全開啟時，發射極的電位約等于集電極電位，即L297上的Vref變小，L298反饋電阻上的最高電位也即Vref。此時從公式Vref=I*r(反饋電阻)，可以看出繞組內的I也將變小，反之變大。本電路中的反饋電阻為R10、R11，值為1.0Ω/4W。所以電機電流I（A）=Vref/1.0Ω。只需萬用表測量JT2的1，2兩端的電壓值就可得到相應的電流I。 雖然L297+L298驅動器都具有內部半步/整步控制，但是若不改進控制電路，其輸出的峰值電流不變的，這樣會致使雙相整步時的輸出力矩是單相整步時的倍，同樣在半步狀態也會有這樣問題。那么力矩輸出的不平穩會使驅動器的應用范圍，可靠性大打折扣。 所以筆者為了保證步進電機恒力矩換相，如圖9，

圖9 恒力矩換相控制 將L297輸出時序信號a、b，c、d信號經或門7432相或后再經與非門7400相與后，置R16低電平或高電平，從而改變NPN管的基極電位，控制其輸入到L297的Vref電壓大小。當L297輸出單相激勵信號或者半步單相激勵信號使相繞組單相工作時，將提升Vref電壓達倍。考慮到轉矩電流特性的非線性，選取的元件參數使相應增大約1.4倍即可。另一方面，為了延長步進脈沖到來初始時刻的相繞組電流上升時間，需提高Vref電平。筆者將clock反相后輸入74123單穩態觸發器A，在L297的變換器改變狀態的同時，74123在其Q端輸出時間常數為0.45*R18*C9的高電平，從而通過R19去控制NPN管，使L297在該時間內的Vref升高。 在實際應用中，設備需要調試、診斷等情況，驅動器內部擁有555震蕩器如圖8，通過調整滑動變阻器R15，可改變震蕩器Q輸出脈沖頻率，頻率變化范圍為10HZ到2000HZ，通過L297的clock控制L298橋路的切換速度，提高了電機的步進速度。如果要設置單步，只需要點動開關SW-2即可實現。L297的CW/CCW方向也可通過SW-4開關的高低電平來控制。當需要外部脈沖時，只需開關SW-6斷開內部脈沖。5、測試研究 將SIZE17兩相混合步進電機接上驅動器，驅動器供電電壓24VDC，分別設置驅動器工作于整步兩相激勵方式如圖10，整步單相激勵方式如圖11，半步單、兩相激勵方式如圖12。用示波器、電流鉗測得的某相繞組電流波形：

圖10 整步兩相激勵

圖11 整步單相激勵圖12 半步激勵 從單相激勵和半步激勵看，單相狀態的峰值電流高于兩相狀態的峰值，實際測試約為1.3-1.5倍，達到了設計要求。6、結束語 該步進電機驅動器，適合于驅動電壓不超過40V,電流不超過2.0A的兩相、四相雙極性步進電機，基本涵蓋了SIZE23以下的主流混合步進電機。廣泛用于醫療器械、分析儀器，基于主要芯片L297，L298技術成熟，價格便宜，該款驅動器性價比高，市場銷量大，反饋良好。參考文獻：[1] ZHAO T．Applicatim of 3955 in steper motor microstep—ping control[J]． Mechanical＆ Electrical EngineeringMagazine，2003，20(2)：46—49．[2]史敬灼.步進電動機步進控制技術. 北京：科學出版社， 2006-7-1[3]鄧星鐘. 機電傳動控制. 華中理工大學出版社出版. 1998[4] 譚建成．電機控制專用集成電路[M]．北京：機械工業出版社，2003

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