引言

電機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)的“肌肉”，推動(dòng)著工業(yè)的發(fā)展。步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)家族的“嬰兒”，在20世紀(jì)60年代早期才開始流行。它能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移、直線位移等諸多優(yōu)點(diǎn)，被構(gòu)想作為昂貴的位置控制應(yīng)用中伺服電機(jī)的低成本替代產(chǎn)品，在航空航天、精密機(jī)械加工、自動(dòng)化控制和辦公室自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域大量使用，如云臺(tái)、打印機(jī)、繪圖儀和雕刻機(jī)等。

一般的步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槭芟抻跈C(jī)械加工工藝，其步距角不能做到很小（如現(xiàn)在相數(shù)高的5相步進(jìn)電機(jī)步距角為0.72）還達(dá)不到對(duì)位移精度要求高的精密控制系統(tǒng)的要求，如精密儀器定位、數(shù)控加工等場合。另外，使用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，步進(jìn)電機(jī)還存在低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生共振和噪聲的固有特性。

采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅能有效解決這些問題，改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能，還提高了分辨率，增加了電機(jī)的輸出力矩。1975年美國學(xué)者T.R.Fredriksen首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法后，在國內(nèi)外被廣泛研究，成為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展趨勢。一些高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在國外被研究出來，但技術(shù)極為保密。國內(nèi)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)研究的文獻(xiàn)很多，主要對(duì)細(xì)分?jǐn)?shù)、均勻步距、恒定轉(zhuǎn)矩、低噪音、低振動(dòng)、抗干擾、細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的硬件實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行研究。

文章下面部分對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作原理及細(xì)分驅(qū)動(dòng)進(jìn)行原理詳細(xì)介紹，提出一種用PSoC設(shè)計(jì)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，并總結(jié)了相對(duì)于其它一些設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)工作原理及細(xì)分驅(qū)動(dòng)

圖1是某兩型步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部與外形結(jié)構(gòu)，從圖中可以大致看出其組成結(jié)構(gòu)。圖2是三相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，定子繞組磁極和轉(zhuǎn)子上都有小齒，一般分別是5個(gè)和50個(gè)，當(dāng)某一相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的小齒就會(huì)與相應(yīng)繞組上的小齒對(duì)齊，與另外兩繞組上的小齒錯(cuò)開一定的角度。

圖2 三相混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

以圖2為例，當(dāng)進(jìn)行單相輪流通電順序?yàn)锳→B→C→A時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；為A→C→B→A時(shí)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。也可以進(jìn)行雙相輪流通電AB→BC→CA→AB(逆時(shí)針轉(zhuǎn))或BA→AC→CB→BA（順時(shí)針轉(zhuǎn)）。還可以進(jìn)行單雙相輪流通電A→AB→B→BC→C→CA→A(逆時(shí)針轉(zhuǎn))或A→AC→C→CB→B→BA→A(順時(shí)針轉(zhuǎn))。單雙相輪流通電的步距角是其它兩種方式的一半，可以通過公式進(jìn)行計(jì)算，式中左邊為步距角，右邊m為定子的相數(shù)、Z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、C為通電方式(單雙相輪流通電時(shí)C=2，其它兩種C=1)。那么可以計(jì)算出三相步進(jìn)電機(jī)的步距角為。

由此可得出如下一些結(jié)論：①控制步進(jìn)電機(jī)各相定子繞組的通電順序可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；②控制輸入給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)目N可以控制步進(jìn)電機(jī)的角位移為；③控制輸入給步進(jìn)電機(jī)的脈沖的頻率可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

(轉(zhuǎn)/分鐘)

其實(shí)，仔細(xì)分析三種通電方式，應(yīng)該不難發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含于其中的細(xì)分原理。以單雙相輪流通電A→AB為例，如果在這個(gè)階段，我們使B相繞組中的電流慢慢增加到與A相繞組中電流相同，那么與A相繞組對(duì)齊的轉(zhuǎn)子就會(huì)慢慢轉(zhuǎn)到A與B相繞中間；再假設(shè)我們使B相繞組中的電流以定量大小增加，即一種階梯上升的電流，那么轉(zhuǎn)子就會(huì)以比0.6更小的步距角一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣的就實(shí)現(xiàn)了步距角的細(xì)分。

但這是一種只改變某一相繞組中電流大小的細(xì)分方法，以二相步進(jìn)電機(jī)為例，其A、B兩相繞組中的電流合成矢量理論上是如圖3左所示的形式；其相鄰兩次電流矢量的大小與夾角都不同，這直接導(dǎo)致步距角與輸出力矩的大小不均勻。而現(xiàn)在所用的細(xì)分方法，一般是如圖3右所示的均勻恒幅電流矢量法；要實(shí)現(xiàn)電流矢量的這種變化，需A、B兩相中的電流同時(shí)改變，且滿足iA=iH.cos(a)，iB=iH.sin(a)。

圖3 單相細(xì)分電流矢量和均勻恒幅電流矢量

下面分析一下兩相步進(jìn)電機(jī)中每相繞組中的電流，圖4、5、6分別是整步(單相輪流通電)、半步和四細(xì)分運(yùn)行時(shí)繞組中電流波形示意圖。分析可知，細(xì)分原理就是通過精確控制相電流來產(chǎn)生均勻旋轉(zhuǎn)的磁場，即把原來每相電流的矩形波變?yōu)殡A梯波，原來走一步只給一個(gè)矩形波，現(xiàn)在把一個(gè)步距角分為N步來走，給N個(gè)階梯的階梯波，N就是細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分?jǐn)?shù)越大，相電流相鄰兩次的變化就越小，步距角就越小，為原來固有步距角的1/N，電機(jī)運(yùn)行性能更好。還可得出另外兩點(diǎn)結(jié)論：①進(jìn)給繞組的細(xì)分電流的階梯數(shù)量m控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移為；②細(xì)分電流大小變化的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要靠D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器來精確控制每小步的相電流，用8位的D/A最大能實(shí)現(xiàn)256級(jí)細(xì)分，位數(shù)越多，細(xì)分?jǐn)?shù)越大。要用D/A輸出的正弦規(guī)律變化的電流或電壓信號(hào)來控制相電流，根據(jù)末級(jí)功放管的工作狀態(tài)可以分為放大型和開關(guān)型兩種。一般步進(jìn)電機(jī)的工作電壓是幾伏到四十幾伏，工作電流是幾百毫安到幾安，從而不能用D/A的輸出直接驅(qū)動(dòng)。

放大型驅(qū)動(dòng)電路就是讓功放管工作在放大狀態(tài)來放大D/A的輸出，可以進(jìn)行電壓放大也可以進(jìn)行電流放大，但用放大后的正弦規(guī)律變化的電壓加在繞組上，會(huì)由于繞組電感的作用而不會(huì)產(chǎn)生正弦規(guī)律變化的電流，所以一般應(yīng)進(jìn)行電流放大。這種驅(qū)動(dòng)方式，電路較簡單，只要選擇精度高一點(diǎn)的電子元件，電流的控制精度也較高；但由于功放管工作在放大狀態(tài)，功耗較大、發(fā)熱較嚴(yán)重，所以一般用在驅(qū)動(dòng)電流較小、控制精度較高、散熱環(huán)境較好的場合。

開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路就是讓功放管工作在開關(guān)狀態(tài)，從而其功耗和發(fā)熱都會(huì)降低；但電路較復(fù)雜，輸出的電流會(huì)像如圖7所示有一定的波紋；因此一般用于驅(qū)動(dòng)力矩較大的電機(jī)。隨著大力矩輸出的步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展，這種電路很常見，并且許多日本公司還生產(chǎn)了這種電路的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，如TA8435、A3955SB、THB8128等。

要實(shí)現(xiàn)開關(guān)型電路，常用的有兩種方法：斬波式和脈寬調(diào)制式(PWM)。斬波式電路典型結(jié)構(gòu)如圖8所示，其原理是用采樣電阻對(duì)電機(jī)繞組中的電流進(jìn)行采樣，使之與D/A輸出的細(xì)分電壓進(jìn)行比較，若采樣值大于D/A輸出，則功放管截止，反之功放管導(dǎo)通。這樣D/A輸出正弦規(guī)律變化的階梯型控制電壓，繞組中就流過階梯型的電流，這也是電流會(huì)有波紋的原因。這種電路應(yīng)該選用開關(guān)性能比較好的功放管和比較器。

圖4 整步運(yùn)行相電流 　　圖5 半步運(yùn)行相電流 　　圖6 四細(xì)分運(yùn)行時(shí)相電流

圖7 有紋波的細(xì)分相電流

圖8 斬波式電路原理圖

另一種脈寬調(diào)制方式電路原理如圖9所示，其原理是用最大幅值相同的D/A輸出的正弦規(guī)律變化的電壓與恒幅三角波(也可為鋸齒波)進(jìn)行比較，D/A輸出的電壓越大，脈寬調(diào)制電路輸出的PWM脈沖的寬度也越大，而脈沖間的間隔則越小；反之則PWM脈沖的寬度也越小，而脈沖間的間隔則越大。圖10很好的說明了這種比較過程及輸出結(jié)果。這種方式調(diào)制出的PWM波，其脈沖寬度時(shí)間占空比是按正弦規(guī)律變化的，用它來控制功放管的通斷將產(chǎn)生比斬波式精度更高正弦變化的階梯型細(xì)分電流。這種方式是通過對(duì)功放管通斷時(shí)間的控制來改變輸出到繞組上的平均電流，這是因?yàn)槔@組的電感特性對(duì)電流變化有阻礙作用，并且要求所用三角波的頻率一般應(yīng)大于20kHz。其實(shí)這種方法不一定要用真正的D/A與三角波發(fā)生器，完全可以用軟件的方法實(shí)現(xiàn)，只要輸出的PWM波的占空比按正弦規(guī)律變化。

由于本文的設(shè)計(jì)方案是SPWM細(xì)分驅(qū)動(dòng)，所以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①三角波的頻率決定PWM的頻率，而PWM的頻率決定了細(xì)分電流的紋波大小；②D/A輸出值的大小決定PWM的脈寬，而PWM的脈寬和頻率共同決定了細(xì)分電流的大小；③D/A的位數(shù)n決定細(xì)分?jǐn)?shù)為2n ，細(xì)分后電機(jī)的最小步距角為固有步距角θ/2n-1，SPWM的占空比的值即有2n種，并且其取值是按正弦規(guī)律變化及每個(gè)階梯電流對(duì)應(yīng)一種占空比；④D/A輸出值大小變化的頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，并應(yīng)遠(yuǎn)小于三角波的頻率，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不能超過其啟動(dòng)頻率，在電機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)不能超過其最高工作頻率；⑤三角波的頻率不能大于功率管的截止頻率，選擇開關(guān)性能越好的功率管，三角波的頻率可以越大，細(xì)分電流的紋波就越小。

當(dāng)然，除了上面介紹的幾種常用方法，還有其它的方法，比如PID控制等。總之，目標(biāo)就是精確控制繞組中流過正弦變化的階梯型波。

另外，有文獻(xiàn)指出由于步進(jìn)電機(jī)制造工藝引起的誤差和相電流由小變到大引起的相電流及其產(chǎn)生的勵(lì)磁存在非線性而導(dǎo)致的誤差等，會(huì)使細(xì)分后的步距角并不是完全均勻的；為了進(jìn)一步提高步距角，需要對(duì)正弦規(guī)律的D/A值進(jìn)行修正，即修正每小步的相電流值。當(dāng)然，對(duì)于細(xì)分后能達(dá)到精度允許的誤差的應(yīng)用場合完全可以不必耗費(fèi)過多的資源來進(jìn)行這種修正了。

通過以上對(duì)步進(jìn)電機(jī)及其細(xì)分驅(qū)動(dòng)的分析，讀者應(yīng)該對(duì)其有了充分的認(rèn)識(shí)，下一節(jié)將對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于PSoC的二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行介紹。

基于PSoC的二相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器

隨著細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)“多”和固有的步距角“小”已經(jīng)沒有多大意義。對(duì)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器而言，相數(shù)多了反而增加了其復(fù)雜性，因?yàn)橐敵龅募?xì)分相電流多了；且由于混合式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢，現(xiàn)在很多產(chǎn)商也是以生產(chǎn)這種電機(jī)為主，二相混合式步進(jìn)電機(jī)將成為主流，所以本文針對(duì)其設(shè)計(jì)了一種基于PSoC的并使用上述脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

賽普拉斯公司生產(chǎn)的CY8C系列PSoC可編程的片上系統(tǒng)，集成了M8C內(nèi)核微控制器以及用戶可配置的嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數(shù)字模塊，模塊可配置成放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART等數(shù)字功能。

由于本驅(qū)動(dòng)器是為二自由度的云臺(tái)設(shè)計(jì)，需要同時(shí)控制二個(gè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)同時(shí)要兩路PWM控制，而每個(gè)PWM需占用一個(gè)數(shù)字模塊，因此選擇有8個(gè)可配置數(shù)字模塊的CY8C27443-24PXI型號(hào)28引腳封裝的芯片，其有3個(gè)8位的可復(fù)用可配置的I/O口P0、P1、P2。其功能模塊組成如圖11所示。

圖9 脈寬調(diào)制式原理圖

其中，UART串口用來連接上位機(jī)，使上位機(jī)程序能發(fā)送命令控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（包括啟動(dòng)、停止、方向和速度）和細(xì)分?jǐn)?shù)等，下位機(jī)可向上發(fā)送一些狀態(tài)信息等。每個(gè)PWM模塊輸出通過內(nèi)部總線連到P1口的兩個(gè)引腳上，即每個(gè)PWM模塊從兩個(gè)引腳上輸出相同的波形，但是可以通過引腳的可配置功能使其中一個(gè)引腳輸出高或低電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊的分時(shí)復(fù)用；因?yàn)楹笪倪x用集成雙H橋芯片L298n作為末級(jí)功放，其每個(gè)橋的兩個(gè)輸入口同一時(shí)刻只有一個(gè)為高電平才導(dǎo)通，因此只用一個(gè)PWM模塊就能控制它，引腳連接如表1所示。定時(shí)器模塊用來產(chǎn)生中斷源以編寫分時(shí)處理結(jié)構(gòu)的程序。A/D模塊的輸入連接PGA輸出，PGA的輸入可以通過MUX模塊連接4個(gè)不同的引腳（P01、P03、P05、P07），從而一個(gè)A/D模塊就能分時(shí)通過4個(gè)引腳輸入來實(shí)現(xiàn)采樣4組不同的反饋相電流，以此可實(shí)現(xiàn)如過流保護(hù)等閉環(huán)控制功能。這些模塊都可以通過在程序中調(diào)用其提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)和功能的設(shè)置，如要實(shí)現(xiàn)PWM模塊輸出的PWM波的脈寬和周期(頻率)設(shè)置，可分別調(diào)用函數(shù)：

void PWM8_WritePulseWidth(BYTE bPulseWidth);

void PWM8_WritePeriod(BYTE bPeriod).

當(dāng)然，要使其正常工作還需要用其它函數(shù)，這種調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行編程的方法，使得開發(fā)相對(duì)于用其它芯片的設(shè)計(jì)方案更簡單。

細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的末級(jí)功放使用兩片集成的雙H橋路芯片L298n。該芯片的開關(guān)頻率最高可達(dá)40kHz，最高工作電壓可達(dá)46V，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A，其使用方法請(qǐng)參考芯片手冊(cè)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的原理圖如圖13所示。圖中選用42BYGH4417混合式2相4線步進(jìn)電機(jī)，其相電流為1.7A，因此4個(gè)采樣電阻選擇0.02Ω、1W、2512封裝的精密電阻，采樣電壓分別通過P01、P03、P05和P07被A/D模塊分時(shí)讀取；正常情況下，每相繞組的采樣電壓最大值為0.034V，經(jīng)過PGA模塊放大48倍后約為1.63V，給片內(nèi)以2.5V作為參考電壓、分辨率約為0.02V的8位A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖12 PSoC內(nèi)部模塊配置

圖13 細(xì)分驅(qū)動(dòng)器原理圖

驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的最大細(xì)分?jǐn)?shù)為128，當(dāng)頻率固定時(shí)，則決定細(xì)分電流大小的SPWM波的占空比即有128種。這128個(gè)脈寬值從小到大排列與四分之一個(gè)正弦波的128級(jí)量化后的值成比例關(guān)系，這樣只需要知道任意一個(gè)細(xì)分電流值(細(xì)分電流值=m×最大相電流/128，0≤m≤128)的大小對(duì)應(yīng)的脈寬值，就可計(jì)算出所有的脈寬值，這個(gè)值需要通過實(shí)驗(yàn)得到，并且不同的電機(jī)由于相電阻等參數(shù)的不同所得到的這個(gè)脈寬值也不同。編程時(shí)把這128個(gè)脈寬值放在代碼段，調(diào)用API函數(shù)設(shè)置PWM波脈寬時(shí)使用時(shí)用查表方式進(jìn)行查找。對(duì)這128個(gè)值進(jìn)行2的倍數(shù)值等距采樣使用，就能實(shí)現(xiàn)64、32、16、8、4、2和1等細(xì)分，從而很容易實(shí)現(xiàn)“電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使用低細(xì)分，慢速時(shí)使用高細(xì)分”的控制策略。四個(gè)PWM模塊，每兩個(gè)的脈寬值是同時(shí)變化的，PWM1與PWM2同時(shí)(控制圖2-3中上面的那個(gè)L298n)，另兩個(gè)同時(shí)，并且一個(gè)是從小到大變化，另一個(gè)是從大到小變化，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；脈寬值變化的越快，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快，不變時(shí)電機(jī)處于自鎖狀態(tài)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計(jì)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)快速和慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)都能很穩(wěn)定地工作，電機(jī)輸出力矩和步距角均勻、運(yùn)行平穩(wěn)，充分發(fā)揮了步進(jìn)電機(jī)的功能。

總結(jié)

本文首先詳細(xì)分析了步進(jìn)電機(jī)的工作和細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，最后選擇理論上比較好的SPWM細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法，使用PSoC結(jié)合L298n實(shí)現(xiàn)了最高128細(xì)分的、能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

本文的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案很好地解決了使用其它方案時(shí)遇到的電路復(fù)雜和編程困難等問題，成本也比其它方案低很多，所用電子元件很少、功耗低、體積小，非常適合用于對(duì)體積和重量要求嚴(yán)格的場合，如無人機(jī)等。