【摘 要】 本文为“运动控制专用集成电路及应用(续2)(见1992年《微电机》第4期)的续篇,介绍专用集成电路L297、L298步进电动动机控制器和驱动器的组成、原理及半步工作方式的改进。
单片的步进电动机控制器L297适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制,它的输出信号用以控制L298N(双全桥驱动器),满足驱动电压46V、每相2. 5A以下的步进电动机的要求(见图1)。L297也可以用来控制分立的达林顿晶体管电路,以驱动更高电压、更大电流的步进电动机,其工作方式是固定斩波频率的PWM恒流斩波控制。
它是内含两个H桥的高电压大电流单片集成电路(见图2),接收4路标准TTI,逻辑电平信号,可驱动如继电器、线圈、直流电动机和步进电机等电感性负载。每个桥的下臂晶体管发射极连在一起,其出脚(1,15)可以用来连接外加电阻,作电源检测用。9脚接逻辑电源,通常用+5V。6脚和11脚是使能控制端,分别用未控制两个桥的工作。采用所谓Multiwatt的15脚功率型塑封,可用螺钉将它固定在散热器上。
Vi,Vinh 输入和禁止信号电压-0. 3~ 7V
断续(百分之八十on,百分之二十OFF)2. 5A
3.2 L297步进电动机控制器
L297采用模/数兼容的I2L工艺,20脚DIP塑封,通常以5V供电,全部信号线是TTL/CMOS兼容。
L297的核心是逻辑转换器(translater),它产生三种相序信号对应于三种不同的工作方式:半步方式和基本步距方式(一相激励或两相激励)。它接受从上位计算机来的信号有三个:CW/CCW(正/反转)和HALF/FULL(半步/基本步距)两个工作方式信号,以及一个步进脉冲(step clock)信号。translator内部是一个3bit可逆计数器,加上一些组合逻辑,产生最基本的8步格雷码时序信号,这也就是半步工作方式的时序信号。此时HALF/FULL信号为高电平。输出波形见图3。
图中表示了8步工作,以ABCD -0101为初状态(HOME)。
若HALF/-FULL取低电平,得到基本步距工作方式,如果逻辑转换器工作于奇数状态(1,3,5,7)则是两相激励方式,如图4所示。如果逻辑转换器选择工作于偶数状态(2,4,6,8),则是单相激励方式,如图5所示.
禁止信号而雨百和NH2接到L298N的使能输入端,其功能是使进入断开状态的绕组电流加速衰减。这两个信号是低电平有效。但在图4两相激励基本步距工作方式时,此两信均为高电平,因为两相绕组一直在工作,没有断开状态。
禁止信号的作用由图6说明。图中表示一相绕组驱动。设A高电平,B低电平,有电流经Q1、Q4和R5流过电机一相绕组。当A变低电平,有环流流经D2、Q4、R5和绕组,衰减较慢,而且增加了在R5上的损耗。若同时作用将4个晶体管都关断,环流从地经D2、D3到电源V5,快速衰诚,从而加快了电机的动作。此时,R5不流过续流电流,可使用较小功率的电阻器。
两个禁止信号由A、B和C、D用“或逻辑”得到:
信号RESET是异步复位信号,其作用是将逻辑转换器复位,回到零位,即状态1,ABCD=0101。此时状态输出HOME信号。此信号与系统的机械零位传感器信号共同作用,以精确确定系统原点。
使能(ENABLE)信号连接到输出逻辑部分,它低电平时,使A、B、C和D强制为低电平。驱动器L298N不工作。
L297内设有两个PWM斩波器控制绕组电流,以获得良好的速度一转矩特性。每个斩波器由一个比较器、一个R-S触发器和外接电阻组成,并设有一个公用的振荡器,向两个斩波器提供斩波脉冲信号。该脉冲频率由外接RC网络决定(R>l0kΩ):
对于多L297系统,可由SYNC(1脚)实现其同步化。
振荡器脉冲使触发器置“1”,对应绕组电流上升,此时电阻Rs电压上升,到达Vref时,触发器被复位,开关关断。这样触发器的输出是恒频的PWM信号。这里Vref决定了峰值电流。
CONTROL信号(11脚)用来选择斩波信号作用。当它是低电平时,斩波信号作用;高电平时,斩波信号与A、B、C、D相信号作用。前者适用于单极性工作用、。对于双极性工作的电机,这两种方式都适用。
3.3半步工作方式的改进
半步工作方式时,一种状态是两相激励,而另一种状态只有一相激励,它们的转矩不相等,引起步进电动机总转矩的下降,采用图7的结构可以改进。
图中是利用信号控制参考电压Vref,从而使单相激励时,电机转矩比原来增加1. 41倍左右。
图8给出波形图,从而保持了转矩的均衡。