基于A3992和单片机的两相步进电机驱动系统

1 引言

步进电机定位准确且与数字电路接口连接方便．无需反馈就能实现准确的角位移，在数控机床等许多领域中均得到了广泛应用。但是，传统的步进电机定位系统是由控制器件产生脉冲，然后加在环形分配器和功率驱动部分，最后连接至电机的控制方式，其软硬件的实现都较为复杂，成本偏高，难以满足现代工业发展所需的精度和集成度等要求。采用美国Allegro公司推出的一款易操作，内置功率驱动的A3992型两相步进电机微步距驱动器，以C805117300单片机为控制核心设计了一个驱动控制电路。该驱动控制电路能简单方便实现电机的微步距控制，不仅解决了步进电机步距角大的问题。提高了步进电机的分辨率，减弱或消除了步进电机的低频振动．也改善了电机的其他性能，具有控制灵活，维护简单，成本较低的特点，完全能满足中小企业的生产要求。

2 系统组成与工作原理

图1示出基于A3992和C805lF300控制的两相步进电机驱动系统组成框图。其中，上位机主要完成命令指示等控制功能；C8051F300主要用来接收上位机的指令参数。然后向A3992驱动器写控制字；A3992驱动电路主要完成按接收的控制字向电机提供相应的驱动电流。



2．1 C8051F300控制电路

C805117300是美国Cygnal公司的一款完全集成的混合信号系统级MCU器件(SOC)，其主要特点是：

(1)高性能指令处理能力 采用Cygnal专利的高速管线式CIP一51(与8051全兼容)微控制器内核：

(2)完善的时钟系统采用可编程25 MHz内部时钟发生器，不仅支持外部时钟，也支持使用过程中内外时钟发生器之间的切换：

(3)低功耗供电电压为2．7"3．6 V，其典型工作电流在25 MHz下为5 mA：

(4)片内模数转换 采用11通道真正的8位500 Ks／s．具有可编程前置放大器(PGA)和模拟多路复用器(AMUX)的A／D转换器；

(5)丰富的存储器资源 采用256字节片内RAM．8 KB片上Flash存储器，支持系统512字节(扇区)编程；

(6)增强的中断资源 采用内含12个中断源，适用于多任务、实时系统的开发；

(7)丰富的片上资源 采用片内温度传感器、电源监测器、片上电压比较器及上电复位、SMBUS／I2C和URAT接口、3个16位通用定时器、可编程定时器阵列(PCA)并带有比较／捕捉模块和WDT3种功能：

(8)可编程的数字I／O口和交叉开关(crossbar)在这种交叉开关配置的I／O端口系统中，可以通过配置相应的寄存器将内部数字资源连接到物理I／O引脚上。改变了传统MCS一51单片机的固定I／O模式：

(9)在线调试功能具有Cygnal2-Wire(C2)调试电路，支持存储器和寄存器的校验和修改、断点和单步。无需额外的RAM、程序存储器及定时器等。

C8051F300是连接上位机和A3992的桥梁。上位机的指令信号包含电机的正转、反转和加减速等信息，该信号通过C8051F300的I／O端口进入单片机，单片机利用3条与A3992相连的I／O数据线．控制驱动器按用户的要求驱动电机运转。

2．2 A3992驱动电路

A3992型双DMOS全桥微步距脉宽调制(PWM)步进电机驱动器可利用控制器件通过3线串行接口(CLK，DATA，STROBE)对其进行控制．并能方便地调节步进电机的运转方向，实现各种不同的步进法(从整步驱动到最高可达64细分的微步距驱动)，使步进电机的驱动方式具有很大的灵活性。

A3992是通过3线串口写控制字来实现的。A3992的控制字有Word0和Wordl两个，每个控制字包含19个位(D0～D18)，先传送高位D18，最后传送最低位DO。其中Word0是桥电流控制字，当DO=0时，A3992便进入WordO模式；Wordl是时间数据控制字，当DO=1时，A3992便进入Wordl模式。详细的各位数据设置参见文献。

A3992只需很少的R，C元件即可组成两相步进电机的微步距驱动电路。图2是A3992的典型应用电路，其连续输出的额定电流可达1．5 A。电压可达50 V。



C805lF300不断地通过3线串口向A3992写入控制字Word0，A3992根据所输入的控制字，调整桥电流的方向和大小，从而控制步进电机按用户的实际需要运转。需要注意的是，控制字Wordl是时间数据控制字，用于设置死区时间、关断时间和快速衰减时间等相关参数，所以C8051F300只需对A3992进行一次设置即可，不必反复进行写操作。

3 系统硬件设计

该系统硬件设计主要是由上位机与单片机接口、单片机控制电路和A3992驱动电路组成。其中，上位机主要实现用户与单片机的交互，并通过单片机的串口实现与单片机的通信。图3给出C8051F300串口和RS232的接口电路。



单片机控制电路由C8051F300单片机、供电电源、滤波电容和一系列的I／O端口构成。其中，供电电源采用了A1117稳压器，将5 V输入电压转换成C8051F300适用的3.3 V供电电压，从而保证了供电电源的精度。A3992驱动电路是整个系统的功率部分，接收来自控制电路的信号，两桥桥臂输出满足一定时序的相电流，从而实现驱动步进电机按用户的要求运转。图4所示给出了系统的主体硬件电路。