基于單片機(jī)與CPLD的步進(jìn)電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移(或直線位移)的機(jī)電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)軸便轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的機(jī)械角度，他具有快速起停、精確步進(jìn)、沒有積累誤差且能直接接收數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能和他的驅(qū)動(dòng)器有密切的關(guān)系，驅(qū)動(dòng)器的性能的優(yōu)劣直接影響到步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的好壞。細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式可以減小步進(jìn)電機(jī)的步矩角，提高分辨率，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)均勻，可以減小或消除低頻振動(dòng)。利用恒流和細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大提高步進(jìn)電機(jī)的步矩分辨率，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，避免低頻共振及降低運(yùn)行噪聲。通常的步進(jìn)電機(jī)控制方法是采用CPU配合專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)，存在成本高、不同種類的電動(dòng)機(jī)必須要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器與之配對的問題。

1 混合式步進(jìn)電機(jī)原理分析

混合式步進(jìn)電機(jī)通常只有整步和半步兩種工作方式，當(dāng)要求更小的步進(jìn)角和更高的分辨率時(shí)，可通過改變定子繞組電流來實(shí)現(xiàn)。繞組電流給定采用經(jīng)量化處理后的正弦波并分段切人，將繞組電流給定與反饋進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果決定該相繞組的通斷，最終得到正弦化的定子繞組電流。步進(jìn)電機(jī)在高度細(xì)分運(yùn)行時(shí)需要在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場各項(xiàng)繞組的合成磁勢矢量，即各相繞組電流的合成矢量應(yīng)在空間作幅度恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就需要在各相繞組中通以正弦電流，三相混合式步進(jìn)電機(jī)的三相繞組A，B和C在空間位置上相差2π／3，如圖1所示。

給定三相繞組分別通過相位相差2π／3而幅度相同的正弦波電流，則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)三相電流分別為：

這是一個(gè)以3/2im為幅值、-α為幅角的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)矢量。對于三相混合步進(jìn)電機(jī)，三相繞組可以連接成星形或者三角形，按照電路的基本原理三相之和為0即：

通常對三相混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，需要產(chǎn)生相互獨(dú)立的三相給定信號(hào)，然而按照上述分析，只需要產(chǎn)生兩相繞組的給定信號(hào)，第三相繞組的給定信號(hào)可根據(jù)式(5)由其他兩相求得。同樣，只需要對相應(yīng)的兩相繞組的實(shí)際電流進(jìn)行采樣，第三相繞組的實(shí)際電流可根據(jù)式(5)求得。步進(jìn)電機(jī)是脈沖電路驅(qū)動(dòng)的伺服執(zhí)行器件，在環(huán)行脈沖分配器的控制下，設(shè)輸入一個(gè)控制脈沖，電機(jī)繞組的通電狀態(tài)改變一次，三相步進(jìn)電機(jī)在三相六拍的控制方式下，A，B，C三相的通電狀態(tài)為：A-AB-B-BC-C-CA-A……。

2混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

基于AVR單片機(jī)和CPLD的三相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要包括脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路、邏輯合成電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和電源等4個(gè)部分。本設(shè)計(jì)采用的方法是：單片機(jī)采集到現(xiàn)場信號(hào)后計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的控制信息，經(jīng)過參考電路與反饋信號(hào)發(fā)生相互作用，得到脈寬調(diào)制信號(hào)后再傳給CPLD，CPLD把接收到的信息轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)實(shí)際的控制信號(hào)，即轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，輸出給電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路模塊。下面具體介紹脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路和脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路部分。

2.1 PWM信號(hào)產(chǎn)生

脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路主要有單片機(jī)和外圍的電路組成，如圖3所示。

單片機(jī)主要完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和細(xì)分?jǐn)?shù)的設(shè)定。脈沖信號(hào)(CP)和方向信號(hào)(CW)均由外部控制電路輸入，在脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路中通過高速光電耦合器件和外部控制電路隔離，盡量減少由脈沖信號(hào)引入干擾的可能性。中心控制器件采用ATMEL公司的ATTINY2313單片機(jī)，ATTINY2313單片機(jī)使用AVRRISC結(jié)構(gòu)，有32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于20 MHz時(shí)性能高達(dá)20 MIPS。內(nèi)部集成了128 B的系統(tǒng)內(nèi)可編程E2PROM和128 B的片內(nèi)SRAM，具有獨(dú)立預(yù)分頻器及比較模式的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，有兩個(gè)全雙工的串行通信口，集成看門狗復(fù)位電路，由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)電路變得更加簡潔和高效。在單片機(jī)的E2PROM內(nèi)存儲(chǔ)相應(yīng)的sin(α)和sin(α+2π／3)波形的函數(shù)值，單片機(jī)復(fù)位后，首先讀出PD3，PD4和PD5的值，來確定細(xì)分的大小，細(xì)分的數(shù)目可以任意設(shè)定，這使系統(tǒng)的通用性有了很大的提高。PD2口讀入脈沖，PD8讀入電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。波形發(fā)生器的工作原理：在輸入步進(jìn)脈沖CP和方向邏輯控制信號(hào)CW的同時(shí)，來判定細(xì)分的數(shù)目，E2PROM中有選擇的讀出需要的sin(α)和sin(α+2π／3)波形函數(shù)細(xì)分值，在經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器TLC7528變成模擬量。由于TLC7528只有兩路輸出，所以只能得到兩路模擬量，即在TL084B的第7(VOA)腳和14(VOB)腳得到相位差2π／3的正弦波。

由于需要的是三相相位差是2π／3的正弦波，可以用式(5)的方法，在VOA和VOB的輸出端用一個(gè)加法器和一個(gè)反相器就得到第三相正弦波信號(hào)，式(6)為其簡單的推導(dǎo)。

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電流控制采用芯片TL084B實(shí)現(xiàn)。該芯片內(nèi)部誤差放大器將電流給定和電流反饋進(jìn)行比較，再和基準(zhǔn)三角波進(jìn)行作用，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)后輸出PWM信號(hào)，如圖4所示，輸出端得到脈寬調(diào)制信號(hào)。 

 
2.2功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司的IPM功率模塊PS21564。PS21564是專用的電機(jī)控制器，適用于三相步進(jìn)電機(jī)控制。他內(nèi)部有三個(gè)相互獨(dú)立的高低端輸出通道，可以驅(qū)動(dòng)工作電壓不高于600 V的MOSFET和IGBT。他自身的工作電源電壓范圍13.5～16.5 V，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓為20 V，輸出最大正向峰值電流為30 A，他的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最小上升時(shí)間為600 ns，最小下降時(shí)間為300 ns，可以在較高的頻率下工作。通過外接采樣電阻，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)器件過流時(shí)，內(nèi)部的過流保護(hù)電路就會(huì)封鎖輸出，從而保護(hù)功率器件不被損壞。應(yīng)用HVIC實(shí)現(xiàn)集成電平轉(zhuǎn)移，高電平導(dǎo)通邏輯，可與DSP／MCU接口兼容。智能IPM功率模塊內(nèi)置短路、欠壓保護(hù)電路，輸入信號(hào)端內(nèi)置下拉電阻，外部無須再下拉電阻，熱阻低，易于散熱，2 500 V絕緣耐壓，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

信號(hào)在CPLD內(nèi)轉(zhuǎn)化為PS21564所需要的六路橋，經(jīng)74HC14反相器輸入到PS21564，處理轉(zhuǎn)換成U，V，W來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。FO引腳為故障輸出，當(dāng)為低電平時(shí)反饋給CPLD報(bào)警信號(hào)，CPLD收到信號(hào)后，關(guān)斷u_down，u_up，v_down，v_up，w_down，w_up，停止信號(hào)的傳送。

3結(jié) 語

利用本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)90BYG306三相混合步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，三相繞組用三角形接法，采用交流伺服控制原理，在控制方式上增加了全數(shù)字式電流環(huán)控制，三相正弦電流驅(qū)動(dòng)輸出，使三相混合式步進(jìn)電機(jī)低速無爬行、無共振區(qū)、噪音小。該系統(tǒng)具備細(xì)分和半流功能，多種細(xì)分選擇，最小步矩角可設(shè)置為0.036°。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)后扭矩波動(dòng)大大減小，從而消除了低頻振蕩對系統(tǒng)的影響，同時(shí)降低了高頻失步對系統(tǒng)的影響。單片機(jī)程序由ICCAVR編寫，復(fù)雜可編程邏輯器件程序由ISE 9.1i編寫。由于步矩角減小電機(jī)分辨率高，波形輸出穩(wěn)定，電機(jī)運(yùn)行更平滑，噪聲更小電機(jī)驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)。另外驅(qū)動(dòng)電路具備短路、過壓、欠壓、過熱等保護(hù)功能，可靠性高.