引言

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種重要執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移或轉(zhuǎn)速的控制電機(jī)，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。其機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例，可以通過(guò)改變脈沖頻率在大范圍內(nèi)調(diào)速，易于與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP（Digital Signal Processor數(shù)字信號(hào)處理器）的性能價(jià)格比得到很大提高，使得DSP在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。本文介紹由美國(guó)TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407和SGS公司的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PBL3717A構(gòu)成的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 DSP性能簡(jiǎn)介

美國(guó)TI公司的TMS320LF2407A是專為馬達(dá)控制而設(shè)計(jì)的一款DSP。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：2個(gè)16位通用定時(shí)器；CAN總線接口模塊；16位的串行外設(shè)（SPI）接口模塊；基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器；內(nèi)置正交編碼脈沖（QEP）電路；3個(gè)捕獲單元；16通道A/D轉(zhuǎn)換器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時(shí)，快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電阻、步進(jìn)電阻、多級(jí)電機(jī)和逆變器。

2 PBL3717A原理與步距控制方法

2.1 PBL3717A的原理簡(jiǎn)介

PBL3717A是SGS公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相繞組的驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部采用的是H-橋脈寬調(diào)制電路。利用外部邏輯電路構(gòu)成的邏輯分配器或微處理器分配信號(hào)，由若干片這種電路和少量無(wú)源元件可組成一個(gè)完整的多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可實(shí)現(xiàn)整步（基本步距）、半步或微步距控制。控制方式是雙極性、固定OFF（關(guān)斷）時(shí)間的斬波電流控制。下面簡(jiǎn)要介紹一下PBL3717A的各引腳功能。如圖1所示，它采用16腳雙列直插塑料封裝。1腳（OUTPUT B）和15腳（OUTPUT A）為輸出端，分別接一相繞組線圈的兩端；2腳（PULSE TIME）外接RC定時(shí)元件；3、14腳（Vs）是繞組線圈供電電源，可在10～46V的范圍內(nèi)選擇；4、5、12、13腳（GND）接地端，可接至熱片；6腳（Vss）是IC供電電源接+5V；7、9腳（INPUT 1，INPUT 0）用于選擇繞組線圈電流；8腳（Phase）為相位輸入端，用于控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向；16腳（Sense Resistor）外部繞組電流采樣電阻，采樣信號(hào)通過(guò)RC低通濾波器送至10腳（Comparator Input），與內(nèi)部電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；11腳（Reference）外接參考電壓，改變Reference可實(shí)現(xiàn)微步距控制，例如用1片單片機(jī)和2片DAC0808 8bit D/A轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)256細(xì)分控制。在整步、半步、1/4步工作方式下，REFERENCE接固定的+5V，本文僅討論這種情況。

2.2 PBL3717A的步距控制方法

本文所設(shè)計(jì)的是兩修配混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。其中，PHASE、INPUT 1、INPUT 0（圖中簡(jiǎn)寫為PH、I1、I0）為輸入端，OUTPUT A、OUTPUT B（圖中以MA、MB表示）為輸出端。因?yàn)楸疚牟豢紤]細(xì)分的情況，所以可以把圖中的DAC（11引腳）直接接+5V電源。

PHASE的作用是控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的方向。當(dāng)PHASE=0時(shí)，電流從MB流向MA；當(dāng)PHASE=1時(shí)，電流從MA流向MB。PBL3717A對(duì)步距的控制是通過(guò)選擇I1、I0的不同組合，從而控制繞組電流，達(dá)到步距控制的目的。電流的具體數(shù)值由VR、RS決定。計(jì)算公式如下：

Im=(Vr*0.083)/Rs[A]，100%級(jí)別；
     Im=(Vr*0.050)/Rs[A]，60%級(jí)別；
     Im=(VR*0.016)/Rs[A]，20%級(jí)別。

PBL3717A能實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式。在以下討論中，以A、B表示二相繞組正向電流工作，以A、B表示二相繞組反向電流工作。

（1）基本步距（整步）工作方式

可用二相激勵(lì)四拍方式，即AB→AB→AB→AB實(shí)現(xiàn)，也可用單相激勵(lì)四拍方式，即A→B→A→B實(shí)現(xiàn)。

（2）半步距工作方式

半步距方式采用二相，單相交替激勵(lì)的二相八拍方式，即AB→B→AB→A→AB→B→AB→A，這種工作方式是兩相激勵(lì)和單相激勵(lì)交替出現(xiàn)，每一找不到的轉(zhuǎn)距不相等。在二相激勵(lì)時(shí)的轉(zhuǎn)距是單相的1.4倍，這是因?yàn)槎嗉?lì)時(shí)的轉(zhuǎn)距是單相激勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)距的矢量合成。如果兩相激勵(lì)時(shí)，采用I1I0=01方式，使電流降到60%，由于磁路原先有飽和效應(yīng)，此時(shí)每相轉(zhuǎn)距可能增大到70%左右，兩相合成的轉(zhuǎn)距接近于1。這樣電機(jī)就可以近似實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)距運(yùn)行。圖3示出了在第一象限的轉(zhuǎn)矩矢量圖。

（3）1/4步距工作方式

為了實(shí)現(xiàn)1/4步距工作方式，要在整步與半步間插入一個(gè)1/4步的狀態(tài)（如圖3）。例如上方的1/4步狀態(tài)，A相繞組取100%電流，B相繞組取20%電流。在第一象限由半步A狀態(tài)到半步B狀態(tài)要經(jīng)過(guò)4步，即A→A0.2B→AB→0.2AB→B。知道第一象限的矢量圖不難推出其它三個(gè)象限的矢量圖，一個(gè)循環(huán)需6步完成，即AB→0.2AB→B→0.2AB→AB→A0.2B→A→A0.2B→AB→0.2AB→B→0.2AB→AB→A0.2B→A→A0.2B，其中0.2A、0.2B分別表示A相、B相繞組取20%電流。

3 硬件部分

因?yàn)镈SP采用3.3V供電，而PBL3717A的工作電壓是+5V，所以要考慮3.3V和5V的電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題。如圖4所示，為5V CMOS，5V TTL和3.3V TTL電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電平，VIH表示輸入高電平的最低電平，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5V CMOS和3.3V TTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)不同，因此，3.3V器件（LVC）引腳不能直接與5V CMOS器件引腳相連接。在這種情況下，可以采用雙電壓（一邊是3.3V供電，另一邊是5V供電）供電的驅(qū)動(dòng)器，如TI公司的SN74ALVC164245，SN74LV4245等。而5V TTL和3.3V TTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)相同，所以它們可以直接相連。因?yàn)镻BL3717A是TTL兼容電路，所以可以直接將DSP的I/O口和PBL3717的相應(yīng)引腳相連。在這里，我們選DSP的端口B中的IOPB0，IOPB1，IOPB2，IOPB3，IOPB4，IOPB4分別與PBL3717A的I1B，I0B，I1A，I0A，PhaseA，PhaseB相連接（見(jiàn)圖5）。

4 軟件部分

本文以步進(jìn)電機(jī)工作在1/4步為例設(shè)計(jì)DSP控制軟件。DSP控制軟件采用C語(yǔ)言編寫。從第一拍到第十六拍的控制字分別為：0x0000、0x0004、0x000c、0x0014、0x0010、0x0011、0x0013、0x0031、0x0030、0x0034、0x003C、0x0024、0x0020、0x0021、0x0023、0x0001。將以上數(shù)值存放到數(shù)組Run_Table[]中，可通過(guò)循環(huán)程序調(diào)用數(shù)組中的相應(yīng)值賦給端口B的數(shù)據(jù)和方向控制寄存器PBDATDIR，從而通過(guò)DSP的端口B來(lái)驅(qū)動(dòng)控制PBL3717A的相應(yīng)引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。通過(guò)修改run_delay(int count)延時(shí)子程序的count的值可改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。下面給出了兩相步進(jìn)電機(jī)1/4步方式下正轉(zhuǎn)的控制程序清單。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用DSP或者其它微處理器，選用兩片或者更多片PBL3717A和少量的無(wú)源元件就可組成一個(gè)完整穩(wěn)定的多相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整步、半步或微步距控制。這樣種方法成本低、容易實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定，是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種較好選擇。

作者：郭成 翁盛隆 談士力 上海大學(xué)   來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2004年07期