基于雙極步進(jìn)電機(jī)的雙極驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

基于雙極步進(jìn)電機(jī)的雙極驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

0步進(jìn)電機(jī)控制回路在今天的控制系統(tǒng)中，它被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的電機(jī)控制環(huán)境中，尤其是在需要電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、速度、位置和基于精確軸的定位控制環(huán)境中。它具有不需要反饋裝置、慣量低、定位精度高、穩(wěn)定性好、相對其他運(yùn)動控制系統(tǒng)便宜等特點(diǎn)。但是目前對步進(jìn)電機(jī)的控制主要由單片機(jī)和DSP實現(xiàn),雖然單片機(jī)實現(xiàn)在價格上有優(yōu)勢,但是外圍電路復(fù)雜,對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大的影響;DSP雖然在算法實現(xiàn)上速度快,但是外圍電路也較復(fù)雜,而且價格較貴。本文提出了基于增強(qiáng)型STM32F系列微控制器驅(qū)動雙極步進(jìn)電機(jī)的方法。以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32系列微處理器具有能產(chǎn)生PWM輸出的TIM和帶有獨(dú)立采樣電路的ADC,其控制系統(tǒng)外圍電路簡單,實時控制速度快,穩(wěn)定可靠,性價比較高,非常適合于步進(jìn)電機(jī)的控制。1雙極推進(jìn)電機(jī)1.1雙極性步長電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。一般分為永磁式(PM)、反應(yīng)式(VR)、混合式(HB)3種類型。雙極性步進(jìn)電機(jī)是指步進(jìn)電機(jī)線圈中的電流的流動方向不是單向的,即可以通過控制H橋電路來翻轉(zhuǎn)線圈中的電流,使繞組線圈輪流產(chǎn)生雙向電流。與單極性步進(jìn)電機(jī)相比,雙極性步進(jìn)電機(jī)的繞組線圈每次都有電流流過,它在整個電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生了一個均勻的磁場,使系統(tǒng)相對穩(wěn)定,輸出力矩也較大。1.2采用專用機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制器直流電機(jī)只要通電就可運(yùn)行,但是步進(jìn)電機(jī)必須有換向信號才可運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)有多種驅(qū)動方式,包括全步進(jìn)和半步進(jìn)方式。全步進(jìn)方式被用于全步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。這種控制模式只需要由PWM產(chǎn)生的4個具有固定占空比的矩形信號。半步進(jìn)模式復(fù)雜一點(diǎn)。如果使用半步進(jìn)驅(qū)動,電機(jī)在每個時鐘脈沖前進(jìn)半步,從而可以獲得高的位置分辨率和減少不穩(wěn)定性。因為在這兩種模式下,信號在某種程度上是相關(guān)的,所以他們可以用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯產(chǎn)生。但是一個好的邏輯實現(xiàn)是相當(dāng)貴的,因此專用集成電路是比較好的選擇。IC(集成電路)電機(jī)控制器只可運(yùn)行在3種模式:兩相全步進(jìn)、半步進(jìn)和波驅(qū)動。這種類型的集成電路需要4個信號控制器,它們是由微機(jī)或其他專用控制器芯片提供的。此外,這個方案還需要1個功率級和1個對每個電機(jī)產(chǎn)生不同控制信號的微處理器。在基于微處理器的應(yīng)用中,軟件和PWM定時器可以用來代替外部控制器。這種方法使用最小的硬件實現(xiàn)最高的速度,且創(chuàng)造了非常低的微控制器的CPU負(fù)載。2硬件設(shè)計本文使用了增強(qiáng)型STM32和L6208全集成的雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī),是一個能獲得最小CPU負(fù)載的最便宜和最簡單的方法。2.1dma控制器增強(qiáng)型STM32有80個GPIO口,這些I/O口可以用來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向(順時針或逆時針)、步進(jìn)方式(全步進(jìn)或半步進(jìn))、衰減模式(快速或慢速)和L6208芯片的使能信號。在增強(qiáng)型STM32內(nèi)部包括1個高級定時器(TIM1)和3個通用定時器(TIM2、TIM3、TIM4),它們具有高達(dá)72MHz的內(nèi)部時鐘頻率和4個16位獨(dú)立的高分辨率的捕獲通道。這4個獨(dú)立通道可用于PWM產(chǎn)生和輸出比較模式。PWM產(chǎn)生和輸出比較的特點(diǎn)是能產(chǎn)生有規(guī)則的時鐘作為L6208的輸入來控制步進(jìn)電機(jī)。本次設(shè)計通過控制TIM2在輸出比較觸發(fā)模式下產(chǎn)生恒定50%占空比和變化的頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的速度。后者是用來根據(jù)典型的速度分布來改變電機(jī)速度。當(dāng)時鐘頻率改變時,需要一個最小的CPU負(fù)載來阻止步進(jìn)電機(jī)的延時。另外,STM32具有強(qiáng)大的DMA功能。它的DMA控制器有7個獨(dú)立的可配置通道,每個通道有3個事件標(biāo)志:DMA半傳輸、DMA傳輸完成和DMA傳輸出錯。對于所有的定時器,它們的DMA通道中都有一個請求更新事件,這使得定時器可以在同一時間驅(qū)動不同的步進(jìn)電機(jī)。DMA可以提供外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在這里,DMA用來傳輸定時器的周期,無需CPU的任何干預(yù),通過DMA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速移動,加快了CPU的運(yùn)行。2.2基于dm電流的控制器因為繞組線圈沒有中心抽頭,所以雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路比較復(fù)雜。為了翻轉(zhuǎn)電機(jī)繞組的磁場方向,就必須通過使用H橋電路來翻轉(zhuǎn)繞組中的電流。目前市場上有很多的H橋驅(qū)動器。本文選用的驅(qū)動器是L6208,它是1個為驅(qū)動兩極步進(jìn)電機(jī)專門優(yōu)化的powerSPIN系列的芯片,這個芯片集成了由8個功率DMOS晶體管組成的2個全橋、1個執(zhí)行相位生成功能的集中式邏輯電路和關(guān)斷時間恒定的PWM電流控制器。L6208為每個全橋集成1個關(guān)斷時間恒定的PWM電流控制器。電流控制電路通過檢測連接在兩個小功率MOS晶體管的源極與接地之間的外部敏感電阻器的壓降來決定全橋的開關(guān)。每個電機(jī)的繞組電流流經(jīng)相應(yīng)的敏感電阻器,造成的壓降用來控制負(fù)載的峰值電流。當(dāng)敏感電阻器上的壓降大于參考輸入(VrefA或VrefB)的電壓時,敏感比較器就會觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路,關(guān)閉全橋。2.3硬件電路步進(jìn)電機(jī)主電路主要包括驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩大部分,系統(tǒng)總的原理框圖如圖1所示。2.3.1通插裝閥的應(yīng)用驅(qū)動電路工作電壓范圍廣(8～52V),平均輸出電流可以達(dá)到2.8A,峰值5.6A。電源引腳(VSA和VSB)和L6208接地引腳之間接入一個100～200nf的陶瓷電容器來改善高頻電源上的濾波,且可以減少開關(guān)產(chǎn)生的高頻瞬變。在EN輸入和地之間接入1個電容器來設(shè)置關(guān)斷時間,進(jìn)行過流保護(hù)。兩個電流感應(yīng)輸入端應(yīng)盡可能近的與敏感電阻器相連以穩(wěn)壓。為了提高抗噪性能,把未使用的引腳(除了EN)連接到5V(邏輯高電平)或地(邏輯低電平)。CONTROL輸入端用來選擇關(guān)斷期間全橋的狀態(tài)。低電平時為快速衰減模式且全橋的兩個晶體管在關(guān)斷時間內(nèi)被關(guān)閉;高電平時選擇慢速衰減模式,全橋的下橋臂晶體管在關(guān)斷時間內(nèi)被關(guān)閉。相位序列信號發(fā)生器是1個狀態(tài)機(jī),為這兩個電橋提供Phase和Enable輸入信號,以全步進(jìn)或半步進(jìn)的方式驅(qū)動1個步進(jìn)電機(jī)。正反轉(zhuǎn)控制信號cw/cwˉˉˉˉcwˉ控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn),高電平時為順時針轉(zhuǎn)動,低電平則為逆時針轉(zhuǎn)動。2.3.2tm波形輸出邏輯控制電路中,TIM2的通道1被配置成觸發(fā)輸出比較模式來輸出PWM波形,作為L6208的時鐘輸入,通過控制PWM輸出可以改變時鐘的頻率;GPIOC分別被連接到L6208的控制端,通過軟件編程控制芯片的使能和選擇電機(jī)的運(yùn)行方式。3中斷服務(wù)子程序設(shè)計控制系統(tǒng)軟件主要有主程序和中斷子程序構(gòu)成。為了控制步進(jìn)電機(jī),軟件部分采用了3個中斷:加速過程中的DMA中斷、系統(tǒng)時鐘中斷和減速過程中的另一個DMA中斷。這些中斷每38ms產(chǎn)生1次,每個中斷例程需要12個周期進(jìn)入中斷和12個周期退出中斷。這3個中斷總更需要72個周期。因時鐘頻率為72MHz,所以它們只需不到1μs就可進(jìn)入和退出中斷。主程序主要完成系統(tǒng)初始化和步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)定、電機(jī)轉(zhuǎn)速計算和起?？刂频?中斷服務(wù)子程序主要完成DMA傳輸完成中斷和系統(tǒng)時鐘精確定時中斷的功能。主程序軟件流程圖如圖2所示。加減速過程中的DMA中斷流程圖如圖3所示。在加速階段,當(dāng)完成對步進(jìn)電機(jī)加速緩沖器的數(shù)據(jù)傳輸時,產(chǎn)生DMA傳輸完成中斷。這個中斷停止了DMA的數(shù)據(jù)傳輸,并且使能Systick產(chǎn)生一個8ms的周期計數(shù)。計數(shù)完成后,產(chǎn)生一個Systick中斷,且使能DMA使其在減速緩沖階段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中Systick中斷流程圖如圖4所示。4驅(qū)動電壓和頻率在本次設(shè)計中,將該系統(tǒng)應(yīng)用到了實際的電腦橫機(jī)工作環(huán)境中。在電腦橫機(jī)中步進(jìn)電機(jī)作為重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它的穩(wěn)定、精確、可靠的工作是設(shè)計中的一個重點(diǎn)問題。本次設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°,在橫機(jī)中電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要400個脈沖,所以設(shè)定為半步,400個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)1圈;因本電路中L6208使用的驅(qū)動電壓是通過電機(jī)的工作電壓分壓得來,根據(jù)實際調(diào)試得知,參考電壓在0.4V左右比較合適,否則會變得不穩(wěn)定;還有電機(jī)的占空比最好設(shè)置為50%,否則會失步;電壓采用24V,在電源端一定要加電容,否則容易燒毀芯片;頻率在1.5kHz左右均可以正常轉(zhuǎn),不同頻率對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速,但頻率過高會導(dǎo)致失步,太慢達(dá)不到速度要求;衰減需要根據(jù)不同電機(jī)進(jìn)行選擇,在這里采用慢速模式。在硬件設(shè)計成功的前提下,利用STM32控制的靈活性,通過不斷調(diào)整設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的參數(shù),驗證了步進(jìn)電機(jī)在橫機(jī)中可以穩(wěn)定可靠的工作,不失步,電機(jī)不發(fā)熱,很好的滿足了橫機(jī)的穩(wěn)定