步进电机

一、介绍

A4988是一款带转换器和过流保护的 DMOS 微步驱动器,该产品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步进模式时操作双极步进电动机,输出驱动性能可达 35 V 及 ±2 ,A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器,该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是 A4988 易于实施的关键。只要在“步进”输入中输入一个脉冲,即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988 界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。

二、特点

1、适合驱动8V~35V 2A以下的步进电机;

2、只有简单的步进和方向控制接口;

3、五个不同的步进模式:全、半、1/4、1/8和1/16;

4、可调电位器可以调节最大电流输出,从而获得更高的步进率;

5、自动电流衰减模式检测/选择;

6、过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护;

7、接地短路保护和加载短路保护

三、基本知识

(1)绕组

常用的步进电机有四根线,1A 1B 2A 2B,1A和1B是一个绕组,2A和2B是一个绕组,用万用表测试1A和1B之间是短路的,2A和2B之间是短路的,1A和1B,2A和2B是等效的。

通常状况下,步进电机可以自由转动(用手可以拧动),1A和1B接在一起的时候,用手拧会感到明显阻力,1A和1B,2A和2B分别接在一起,则阻力更大。

(2)步距角

所谓步进电机,就是可以一步一步进动的电机,每一步旋转的角度就是步距角。常用电机步距角1.8°的较多,也就是每次步进1.8°,旋转一圈需要200步,也说这个步进电机的分辨率是200步。

(3)细分

细分的意义就是提高步进电机分辨率,如果没有细分的话,步进电机每次步进的角度就是步距角,比如1.8°,有了细分,比如16细分,就是把1.8°平均分16份,那么电机的分辨率就变成200*16=3200步了,也就是旋转一圈需要3200步。

(4)电流

电流越大,电机扭矩越大。

四、引脚定义


(1)ENABLE,

使能,接低电平则模块开始工作,接高电平则模块关机。

(2)MS1,MS2,MS3

细分设置,通过这三个脚的高低电平设置细分,1,2,4,8,16这5种细分,具体见表:


(3)RESET

重置,通常悬空。

SLEEP
睡眠,接低电平则电机断电,用手拧可以自由转动,接高电平则电机上电,用手拧不动。

(4)STEP

脉冲输入,往这个脚输入一个方波,电机转动一步,也就是(1.8/16)°(以1.8°电机,16细分为例),往这个脚持续输入方波,则电机持续转动。

(5)DIR

方向控制,低电平正转,高电平反转。

(6)GND

地线,两个GND都是一样的,要连在一起接到地线。

(7)VDD

数字电源,数字电路部分的电源,3.3V或5V,如果这里是3.3V,那么之前说的高电平就是3.3V,低电平就是0V,如果这里是5V,那么之前说的高电平都是5V,低电平是0V。

(8)1A 1B 2A 2B

接电机的1A 1B 2A 2B。

(9)VMOT

功率电源,8-35V,给电机转动提供能源,因此需要较高的电压并有能力输出大的电流。

五、步进电机驱动方式

(1)供电

VMOT接8-35V的功率电源,VDD接3.3V或5V,GND接地,步进电机的4条线插在A4988对应的地方。

(2)设置细分

根据表设置步进细分,细分越高步进分辨率越高。

(3)Stm32发生方波

最简单的方法,类似于让一个Led闪烁,拉高,延时,拉低,延时,循环。

(4)控制方向和速度

通过DIR脚控制方向。控制速度其实就是控制脉冲频率,也就是控制拉高拉低之间的延迟时间。

每一个脉冲电机旋转一步,单位时间给出的脉冲数越多,单位时间旋转的角度就越大,所以速度越快。

(5)调节电流

A4988模块上有一个电位器,拧它可以调节电流。

来源:博客园
原文链接:
https://www.cnblogs.com/huayizi/p/12066665.html

围观 16

TMC2160是一款采用步进/ 方向接口和SPI的多功能高压栅极驱动器。它能够在从NEMA23到NEMA34及更高级别的步进电机中获得最佳性能。

制造商-TRINAMIC发布了全新的高性能步进电机驱动器TMC2160。该多功能芯片结合强大的外部MOSFET驱动级,涵盖了从工业和实验室自动化到数控铣削领域的广泛应用领域。

“我们在众多应用中选择步进电机而不是齿轮伺服驱动器的原因是步进电机固有的坚固性和精确性以及高扭矩。” Trinamic的创始人CEO Michael Randt说,“TMC2160采用了我们最新的电流控制技术可实现步进电机的最佳性能。”

该集成步进电机驱动器适合于8V至60V的电源电压,并且驱动栅电流高达500mA的N沟道MOSFETS,适用于具有最新MOSFET组件的+20A驱动级。

该组件通过步进和方向接口进行控制,并且可以与产生步进信号的工业典型运动控制器独立使用。通过使用1/16步或更低的脉冲,步进脉冲内插器MicroPlyer可实现高分辨率1/256微步。

该组件通过SPI或单线UART接口,可提供完整的诊断以及所有最新的Trinamic电流控制技术。两者都支持使用改进的StealthChop2实现完全无声定位。StealthChop2包括一个改进的基于模型的电流控制器和用于超快速定位模式的SpreadCycle。使用StallGuard2可以实现无传感器负载检测或回原点。

该驱动器可确保绝对无噪音运行,并具有最高效率和最佳电机扭矩。高集成度,高能效和小尺寸(9 x 9 mm)使小型化和可扩展系统成为经济高效的解决方案。

TMC2160于9月底上市,采用TQFP48封装。

特点和好处:

  •  2相步进电机驱动器,线圈电流高达20A(外部MOSFETs)

  •  8到60V直流电压范围

  •  步进/方向和SPI接口

  •  256次微步进

  •  被动制动

  •  中频共振的共振阻尼

  •  SpreadCycle,DcStep,Stallguard2和CoolStep技术

  •  紧凑型TQFP48封装

围观 509

1 系统设计原理

步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动/放大和PC上位机等4个模块组成,其中PC机模块是软件控制部分。为保护单片机控制系统硬件电路,在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图1 步进电机控制系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机模块

单片机模块主要由MSP430FG4618单片机及外围滤波、电源管理和晶振等电路组成。

MSP430FG4618单片机内部的8 KB RAM和116 KB Flash满足控制系统的存储要求,P1和P2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态,USART模块实现单片机和PC上位机之间的通信,实现PC机对步进电机控制。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图2 单片机模块设计结构框图

2.2 键盘/LED模块

为实现人机对话,该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数码管,可手动直接操作该控制系统。

系统上电后,通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等,由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制,减少单片机工作负担。

8279编程工作在键盘扫描输入方式,读入键盘时具有去抖动功能,避免误触发。图3为键盘LED模块设计结构框图。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图3 键盘LED模块框图

2.3 驱动/放大模块

控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)PMM8713,该器件是CMOS集成电路,相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20 mA,适用于控制三相或四相步进电机,可选择下列6种激励方式:三相步进电进:1相,2相,1-2相;四相步进电进:1相,2相,1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式,具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。

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图4 驱动放大电路

3 系统软件设计

3.1 单片机程序

利用单片机的定时器TIMER_A(TA)中断产生脉冲信号,通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数,通过PWM实现转速控制;利用P1.0端口的中断关闭TA中断程序,并推入堆栈,停止电机;P1.1中断则开启TA中断,堆栈推入程序计数器(PC),开启电机;P3.1端口输出高电平由PMM8713的U/D端口控制电机的转向;P3.0~P3.7端口接8279的8个数据接口,当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时,利用P2端口的中断设置TA,控制启停、调速和转向等,同时单片机反馈给8279控制LED管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。

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图5 单片机程序流程

3.2 PC上位机模块

PC上位机模块实现PC机对步进电机的控制。利用MSP430单片机的USART模块实现与PC上位机的通信,PC机通过串口向单片机发送控制命令,实现电机控制。

单片机所接收到控制命令暂存在RXBUFFER中,然后与存储在片内Flash的中断程序的入口地址相比较,相同就进入中断,实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8 MHz晶振为USART模块设置波特率(设置波特率为9 600)。

控制软件由VB6.0编写,利用MSComm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。

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图6 控制软件界面

4 系统检测

为检验该控制系统的实际工作情况,在给定PMM2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的最大静转矩。选取输出电流间隔0.2 A,测到步进电机最大静转矩与电流之间关系的静特性曲线,如图7所示,说明该控制系统设计较合理。

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静特性曲线

来源:电子发烧友网

围观 509

步进电机是一种运用广泛的控制电机,其特征是不使用位置反馈回路就能进行速度控制及定位控制,即所谓的电机开环控制。相对于伺服电机,步进电机有着成本低廉,控制简单等优点,尤其是两相混合式步进电机,在工业运动控制系统中有着广泛的应用。然而,传统的驱动方式,比如单电压驱动、高低电压驱动、斩波恒流驱动等等,虽然已经应用十分成熟,但是只限于低速运行,并且细分度一般限制在1/2步距,无法很好消除低频振荡,以及定位精度差等缺点。细分驱动的出现很好地弥补了这一缺点。

常见的细分控制器一般由MCU、专用逻辑驱动芯片以及功率驱动模块组成,这样的驱动器虽然能满足多细分驱动,但由于细分数量和效果会受到逻辑驱动芯片的影响,并且无法调整细分数和限流值、从而造成系统调试困难、矩频特性差等缺点。

本文使用ST公司的32位ARM单片机,加上MOSFET驱动模块及电流传感模块,省去了逻辑驱动芯片。电机电流采用单片机内部AD采样,控制逻辑算法直接由单片机软件实现,MOSFET按照外部输入的脉冲速度及内部的时序来运行,从而大大简化了应用电路,提高了电路的通用性和驱动性能。

1、意法半导体STM32F103RB单片机简述

STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex-M3内核,具有运行速度高、处理能力强、外设接口丰富等特点。由于其低廉的价格和很强的控制、运算性能,被广泛运用于电机控制。其具体性能指标如下:1)工作频率:最高72 MHz;工作温度范围:-40~+85℃;宽电压供电:2.0~3.6 V;2)128 k字节的闪存存储器和16 k的SRAM;3)12位16通道AD转换器具有双采样和保持功能,转换时间最短1μs。4)3个16位通用定时器,每个定时器有多达4个通道,用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲输出;1个16位带死区控制盒紧急刹车,用于电机控制的PWM高级控制定时器。

2、细分驱动原理

一般两相步进电机驱动分为单极型和双极性驱动两种,单极型驱动适用于6线制电机,这样的驱动方法等于将两相电机转变为四相电机,从表面上看步距角缺损减小了,实则是以牺牲电机的拖动转矩换来的,这样电机的带负载能力就会大大下降。而双极型驱动则主要针对两相四线(或者八线制)电机,一般机械步距角为50齿1.8°(也可为100齿0.9°价格较贵),故细分驱动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制,使电机的以更小的单位步距角运行,从而减小步长和低频振荡。

细分驱动的思想是把原来简单的对转子电流的通断过程改变为逐渐的改变各相绕组的电流大小和方向,使电机内部的空间合成磁场逐步改变,这样就能把原来的一个步距角的通电方式改变成为跟随电流的阶梯波,变成多步。具体的计算方法如下:

转矩T在一般情况下可表示为:

T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)

式子中KT在理想状态下的比例常数,θ为转子的电角度位置。

如果两相步进电机的矩角特性是正弦波,则给绕组通入如下电流:

Ia=Im·cosβ

Ib=Im·sinβ (2)

β为电机希望定位的电角度。

将式(2)代入式(1),则

T=KT·Im·sin(β-θ) (3)

从而可见,两相混合式步进电机的细分就是控制两相绕组中的电流大小。理想状态下,电机内部的磁场为圆形空间旋转磁场,使步进电机按照交流同步电机的方式旋转。而AB相的理想电流为正弦波,而一般情况下通过阶梯波来模拟正弦波,从而达到恒转矩幅值的控制效果。而转矩的大小由合成磁场的矢量来决定,即相邻两个合成磁场的夹角为细分步距角。

每当β变化一度,则步进电机走过1/360的电角度,例如一般的8细分控制,则β的步长为π/16。所以为了实现对两相混合式步进电机的恒转矩细分控制,就需要在电机的两相绕组中通以按正弦规律变化并互差90°相位的的两相电流,阶梯越细小,越接近于正弦波,步距角也越小,细分效果越好。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3 系统硬件设计

基于STM32F103RB驱动系统的硬件部分主要由信号输入端、电源输入端、电源模块、MOSFET驱动模块、H桥模块和采样放大模块组成。总体硬件图如图3所示。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3.1 输入信号

在硬件设计中,需要从外部输入3种信号:Enable使能信号、Dir电机转向信号以及Frequency速度脉冲信号。Enable信号为使能信号,为防止电机在停止时,定子绕组仍然通电造成的电机发热而设置的电机转子断电信号。Dir信号控制电机的转向;而Frequency信号为外部控制器件发出的方波脉冲信号,此信号的频率将决定电机的转速,3个控制信号均由光耦与内部隔离。

驱动器上电前需通过拨码开关设置细分数和限流值,目前细分最多支持16细分,限流值一般为电机绕组可承受的最大电流的1.2倍左右,可以设置6档限流值。驱动器最大可承受4 A的电流。

3.2 系统电源

驱动系统的电源由一个外部输入的24~48V的直流电源输入接线端,然后通过BUCK降压芯片至5 V为内部光耦、比较器和运放供电,然后将5 V通过LDO降至3.3 V给MCU供电,这样MCU能获得相对干净的电源。另一路外部电源经过电阻分压,产生一个15 V电源用于MOSFET驱动芯片IR2010的供电。

3.3 驱动电路

MOSFET驱动部分采用IR公司的IR2101S驱动芯片来驱动双H桥,从而靠双H桥来控制一个四线制步进电机。IR2101是IR公司生产的一款高性价比驱动器,使用方法非常简单,性价比高,能输出100~210 mA电流。IR2101驱动器可驱动一组功率管,整个功率电路需4片即可,这样不但节约制造成本,而且还提高系统稳定性。其驱动电路如图4所示。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3.4 电流检测和过流保护

本系统使用采样电阻来采集经过H桥(即电机的定子电流)。此处采样电阻阻值比较大时,会使电阻分压过大,造成H桥的低端电压高于地电压,影响系统的稳定性,而阻值太小又会使信号过小影响检测精度,所以本系统选用0.1Ω电阻作为采样电阻。然后经过LMV358放大后,成为0~3 V的电压信号,在经过一个跟随器后,进入MCU片上AD,进行数模转换,放大后的信号还连接一个比较器用于过流保护。

4、系统软件设计

系统软件主程序框图如图5和图6所示,图5为主程序软件框图,图6为ADC中断软件流程图。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

主程序处于死循环状态,每次外部信号Enable后,就会锁存外部的控制频率,方向,限流值,细分度等信号,然后进行内部参数初始化,等待刷新定时器计时完毕后就开始按照计时中的ADC中断及定时器中断完成的参数计算进行调节位置和速度。

其中ADC在每个PWM的上升沿触发,采样两相电流进行处理,并且将其送给PI调节器调节PWM占空比,并且每次都会与限流值进行比较,一旦电流超过限流值,则自行执行脱机。这些程序在中断中完成,可以是系统更具有实时性。另外,每次走完一个阶梯的波形后,程序将触发timer3计数器,进行细分步数的计算,从而快的调整个周期的细分数。Timer3程序流程图如图7所示。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

电机的细分步数为每次Enable之后方能调整,而细分值表则由计算好的正余弦参数存于MCU Flash中。

5、结论

本系统采用电流实时采样并进行PI调节,使两相混合式步进电机的恒转矩运行,真正达到了电流矢量不变控制,在测试中能够有效的降低低频振荡,并且,在16细分的状态下控制工作,大幅度的减小了噪声和阻尼振荡,是一种有效的控制步进电机的手段。

转自: 广电电器

围观 375

这里不说步进电机的 "细分" 实验,只说一下有关步进电机的基础概念以及步进电机的三种工作方式——单拍、双拍、单双拍,现在步进电机的编程一般都要用到专门的步进电机驱动芯片(如:L6219芯片),所以具体的编程下次再讲。先说一下相、线和极性。

一:线、相、极性

"相" 就是说明步进电机有几个线圈(也叫做绕组)。

"线" 就是说明步进电机有几个接线口。

"极性" 分为 单极性 和 双极性。如果步进电机的线圈是可以双向导电的,那么这个步进电机就是双极性的,相反,如果步进电机的线圈是只允许单向导电的,那么这个步进电机就是单极性的。

上面的三个只要知道其中两个,就可以推断出第三个。

如:

五线四相步进电机 就是有5个接线口,4个线圈。

由于有五个接线头,即接线头的个数是奇数个,也就是说有一个接线头是公共接头,所以它的线圈的导电方式就只允许是 单向的 ,即这个步进电机是单极性的。如下图:

51单片机--巧记步进电机相关知识

四线双极性步进电机就是有4个接线口,导电方式是允许双向的。

由于有四个接线口,且导电方式是双向的,所以这个步进电机是两相的。

51单片机--巧记步进电机相关知识

二、步进电机的步进方式:单拍、双拍、单双拍

1、单拍:(单四拍工作方式)

单拍工作方式就是说每次只给一个线圈通电,通过改变每次通电的线圈从而使步进电机转动。

先说五线四相步进电机,假设它的四个线圈叫做 A、B、C、D,那么在单拍工作方式下,线圈的通电方式依次是:A、B、C、D;

然后是四线双极性步进电机,假设它的两个线圈叫做 A、B,那么在单拍工作模式下,线圈依次是:A、B、-A、-B;

【注】A、B指的是A、B线圈通正向电流,-A、-B指的是A、B线圈通反向电流。由于五线四相步进电机无法通反向电流,所以只有A、B、C、D。

当然上面说的都仅仅只是理论,我们记忆的话自然有简便方法:

下面是五线四相步进电机:

51单片机--巧记步进电机相关知识

下面是四线双极性步进电机:
51单片机--巧记步进电机相关知识

2、双拍:(双四拍工作方式)

双拍工作方式就是:每次给两个线圈通电,通过改变通电的线圈从而使步进电机转动。
五线四相步进电机:在双拍工作方式下,线圈的通电方式依次是:AB、BC、CD、DA;
四线双极性步进电机,在双拍工作模式下,线圈的通电方式依次是:AB、B-A、-A-B、-BA;
大家很容易找出规律吧。

3、单双拍(八拍工作方式)

单双拍工作方式就是单拍工作方式和双拍工作方式交替进行。

五线四相步进电机:A、AB、B、BC、C、CD、D、DA;

四线双极性步进电机:A、AB、B、B-A、-A、-A-B、-B、-BA;

大家只要对照上面我画的那张图,就可以会很容易的记住了。

最后再说一下步距角:

51单片机--巧记步进电机相关知识

步距角一般用在步进电机的高级应用中,我们初学者(我也是初学者)一般还不用考虑,我只是为了讲解全面一些加上了步距角,大家有兴趣的可以看看上面的图片。

好了,有关步进电机的相关基础就说到这里了。

转自: :C博客:飞鸟丶岚

围观 459

步进电机是一种运用广泛的控制电机,其特征是不使用位置反馈回路就能进行速度控制及定位控制,即所谓的电机开环控制。相对于伺服电机,步进电机有着成本低廉,控制简单等优点,尤其是两相混合式步进电机,在工业运动控制系统中有着广泛的应用。然而,传统的驱动方式,比如单电压驱动、高低电压驱动、斩波恒流驱动等等,虽然已经应用十分成熟,但是只限于低速运行,并且细分度一般限制在1/2步距,无法很好消除低频振荡,以及定位精度差等缺点。细分驱动的出现很好地弥补了这一缺点。

常见的细分控制器一般由MCU、专用逻辑驱动芯片以及功率驱动模块组成,这样的驱动器虽然能满足多细分驱动,但由于细分数量和效果会受到逻辑驱动芯片的影响,并且无法调整细分数和限流值、从而造成系统调试困难、矩频特性差等缺点。

本文使用ST公司的32位,加上MOSFET驱动模块及电流传感模块,省去了逻辑驱动芯片。电机电流采用单片机内部AD采样,控制逻辑算法直接由单片机软件实现,MOSFET按照外部输入的脉冲速度及内部的时序来运行,从而大大简化了应用电路,提高了电路的通用性和驱动性能。

1 意法半导体STM32F103RB单片机简述

STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex-M3内核,具有运行速度高、处理能力强、外设接口丰富等特点。由于其低廉的价格和很强的控制、运算性能,被广泛运用于电机控制。其具体性能指标如下:1)工作频率:最高72 MHz;工作温度范围:-40~+85℃;宽电压供电:2.0~3.6 V;2)128 k字节的闪存存储器和16 k的SRAM;3)12位16通道AD转换器具有双采样和保持功能,转换时间最短1μs。4)3个16位通用定时器,每个定时器有多达4个通道,用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲输出;1个16位带死区控制盒紧急刹车,用于电机控制的PWM高级控制定时器。

2 细分驱动原理

一般两相步进电机驱动分为单极型和双极性驱动两种,单极型驱动适用于6线制电机,这样的驱动方法等于将两相电机转变为四相电机,从表面上看步距角缺损减小了,实则是以牺牲电机的拖动转矩换来的,这样电机的带负载能力就会大大下降。而双极型驱动则主要针对两相四线(或者八线制)电机,一般机械步距角为50齿1.8°(也可为100齿0.9°价格较贵),故细分驱动技术主要是通过对步进电机的相电流进行阶梯化控制,使电机的以更小的单位步距角运行,从而减小步长和低频振荡。

细分驱动的思想是把原来简单的对转子电流的通断过程改变为逐渐的改变各相绕组的电流大小和方向,使电机内部的空间合成磁场逐步改变,这样就能把原来的一个步距角的通电方式改变成为跟随电流的阶梯波,变成多步。具体的计算方法如下:

转矩T在一般情况下可表示为:

T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)

式子中KT在理想状态下的比例常数,θ为转子的电角度位置。

如果两相步进电机的矩角特性是正弦波,则给绕组通入如下电流:

Ia=Im·cosβ
Ib=Im·sinβ (2)

β为电机希望定位的电角度。

将式(2)代入式(1),则

T=KT·Im·sin(β-θ) (3)

从而可见,两相混合式步进电机的细分就是控制两相绕组中的电流大小。理想状态下,电机内部的磁场为圆形空间旋转磁场,使步进电机按照交流同步电机的方式旋转。而AB相的理想电流为正弦波,而一般情况下通过阶梯波来模拟正弦波,从而达到恒转矩幅值的控制效果。而转矩的大小由合成磁场的矢量来决定,即相邻两个合成磁场的夹角为细分步距角。

每当β变化一度,则步进电机走过1/360的电角度,例如一般的8细分控制,则β的步长为π/16。所以为了实现对两相混合式步进电机的恒转矩细分控制,就需要在电机的两相绕组中通以按正弦规律变化并互差90°相位的的两相电流,阶梯越细小,越接近于正弦波,步距角也越小,细分效果越好。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3 系统硬件设计

基于STM32F103RB驱动系统的硬件部分主要由信号输入端、电源输入端、电源模块、MOSFET驱动模块、H桥模块和采样放大模块组成。总体硬件图如图3所示。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3.1 输入信号

在硬件设计中,需要从外部输入3种信号:Enable使能信号、Dir电机转向信号以及Frequency速度脉冲信号。Enable信号为使能信号,为防止电机在停止时,定子绕组仍然通电造成的电机发热而设置的电机转子断电信号。Dir信号控制电机的转向;而Frequency信号为外部控制器件发出的方波脉冲信号,此信号的频率将决定电机的转速,3个控制信号均由光耦与内部隔离。

驱动器上电前需通过拨码开关设置细分数和限流值,目前细分最多支持16细分,限流值一般为电机绕组可承受的最大电流的1.2倍左右,可以设置6档限流值。驱动器最大可承受4 A的电流。

3.2 系统电源

驱动系统的电源由一个外部输入的24~48V的直流电源输入接线端,然后通过BUCK降压芯片至5 V为内部光耦、比较器和运放供电,然后将5 V通过LDO降至3.3 V给MCU供电,这样MCU能获得相对干净的电源。另一路外部电源经过电阻分压,产生一个15 V电源用于MOSFET驱动芯片IR2010的供电。

3.3 驱动电路

MOSFET驱动部分采用IR公司的IR2101S驱动芯片来驱动双H桥,从而靠双H桥来控制一个四线制步进电机。IR2101是IR公司生产的一款高性价比驱动器,使用方法非常简单,性价比高,能输出100~210 mA电流。IR2101驱动器可驱动一组功率管,整个功率电路需4片即可,这样不但节约制造成本,而且还提高系统稳定性。其驱动电路如图4所示。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

3.4 电流检测和过流保护

本系统使用采样电阻来采集经过H桥(即电机的定子电流)。此处采样电阻阻值比较大时,会使电阻分压过大,造成H桥的低端电压高于地电压,影响系统的稳定性,而阻值太小又会使信号过小影响检测精度,所以本系统选用0.1Ω电阻作为采样电阻。然后经过LMV358放大后,成为0~3 V的电压信号,在经过一个跟随器后,进入MCU片上AD,进行数模转换,放大后的信号还连接一个比较器用于过流保护。

4 系统软件设计

系统软件主程序框图如图5和图6所示,图5为主程序软件框图,图6为ADC中断软件流程图。

基于ARM单片机的双相步进电机细分驱动器设计

主程序处于死循环状态,每次外部信号Enable后,就会锁存外部的控制频率,方向,限流值,细分度等信号,然后进行内部参数初始化,等待刷新定时器计时完毕后就开始按照计时中的ADC中断及定时器中断完成的参数计算进行调节位置和速度。

其中ADC在每个PWM的上升沿触发,采样两相电流进行处理,并且将其送给PI调节器调节PWM占空比,并且每次都会与限流值进行比较,一旦电流超过限流值,则自行执行脱机。这些程序在中断中完成,可以是系统更具有实时性。另外,每次走完一个阶梯的波形后,程序将触发timer3计数器,进行细分步数的计算,从而快的调整个周期的细分数。

电机的细分步数为每次Enable之后方能调整,而细分值表则由计算好的正余弦参数存于MCU Flash中。

5 结论

本系统采用电流实时采样并进行PI调节,使两相混合式步进电机的恒转矩运行,真正达到了电流矢量不变控制,在测试中能够有效的降低低频振荡,并且,在16细分的状态下控制工作,大幅度的减小了噪声和阻尼振荡,是一种有效的控制步进电机的手段。

来源: 捷配电子

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