步进电机原理 与驱动控制技术\两相混合式步进电机PWM细分驱动器设计

维普资讯http://www.cqvip.com两相混合式步进电机PWM细分驱动矗设计一中国地质大学黄将军甘明关键词两相混合式步进电机细分驱动电流闭环PWM电脑绣花机电控系统中的许多驱动电机都采用了两等分，对应的细分之后的步距角为1．8／N。两相电流按相混合式步进电机。两相混合式步进电机是步进电机三i：sina，iB—COS口(为绕组额定电流，a为电机转大类型中应用最为广泛的一种，但是，如果不采取先进的过的角度，是细分电角度的倍数)变化时，即可实现电流矢驱动技术，则存在着驱动电路效率低、低频振荡、电磁噪声量恒幅均匀旋转。大、高频运行精度差等缺点。基于Microchip公司的PIC16F914单片机，根据合成电流矢量恒幅均匀旋转原2系统总体设计理，采用PWM细分技术和电流反馈闭环控制而设计的两系统由单片机、功率驱动、电流采样、过流保护以及其相细分驱动器，可以大大改善步进电机的运行效果，使其他相关电路组成，其系统框图如图3所示。单片机接收主运行平滑、无振动、定位精度高。板的控制信号后，由PWM模块产生PWM信号，通过功率驱动模块驱动电机运行，电机绕组中的电流经精密采样1步进电机恒力矩均匀细分原理电阻转换成电压，再经放大滤波后送人单片机内置1O位步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机A／D转换器进行转换。转换后的数据经过程序处理，用励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均于调整PWM信号的占空比，从而调整和控制电机绕组电匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。流，实现电流的闭环控制。过流保护电路在绕组电流过流细分的方法有多种，一般采用一相绕组电流恒定，另一相时产生单片机中断和封锁功率驱动的PWM输入，保护整绕组电流成阶梯状通人或切除的方式，但这样会造成合成个驱动电路和电机。电流矢量幅值不断变化，电机运行不平稳。以两相混合式I～I～步进电机为例，图1为采用一般细分方法四细分通电时的电流矢量图。从图中可明显地看到，合成电流矢量幅值不．．断变化，最高时可达1．414倍。lEIl＼＼＼．。『／§I|‘本设计采用电流矢量恒幅均匀旋转的细分方法，即分‘别给两相绕组同时通以正、余弦变化的电流，使合成的电流矢量恒幅均匀旋转，从而实现步进电机步距的均匀细分。图2是两相混合式步进电机四细分通电时的电流合成矢量图。电机转子由J到J转过9O。电角度，电机则转图1一般细分方法四细分图2恒幅电流矢量图电流矢量图过一个步距角。细分时，电角度等分成N(N为细分数)52《丰‘；机1；}入式系惋启用》__—i_I暖_咖adv(~mesnet．corn．cn(F告专用)维普资讯http://www.cqvip.com雎主lPWM+24VPIC16F914q-~IFQU13N10L而SSl10SS110T电路r33QllAIN4744AlT图3PWM微步细分系统框图A+A～FQU13N10L／~II-3硬件电路设计BL0＼I卜——仁=]_1_—1—卜s1103．1单片机电路33QII、0．5上rN47讹本llI10单片机的速度直接影响系统的响应频率，所以选用了w甲v．Microchip公司的PICl6F914单片机。其采用精简指令集图5步进电机全桥驱动电路RISC结构，仅30几条单字节指令，除跳转指令为双周期信号PWMA经过“非”门74LS14后形成了一组互补指令外，其余的均为单周期指令；CPU采用指令与数据分的PWM信号，经过IRS2110驱动功率MOS管。IRS2l10离的哈佛结构，两级流水线指令取数与执行，这使得PIC的输入关闭端(SD)连接到过流保护信号，一旦电机绕组在代码压缩与执行速度方面与同类的8位单片机相比，具电流超过给定参考值，过流保护电路就产生一个高电平，有较大的优势。PIC16F914单片机，采用CM0S工艺制IRS2l10切断PWM信号，关断功率MOS管。功率MOS造，功耗低，I／0口最多可达35个，扇出电流可达25mA，管选用Fairchild公司的FQU13N10L。其开关速度快，最驱动能力强；内置1个10位A／D转换器、2个CCP模块，高驱动电压为100V，最大驱动电流为10A，导通电阻为可以同时输出两路PWM，这正符合本设计的需求。在0．18Q，功耗较小。MOS管的栅极和源极之间并联CCP模块中设置好PWM信号的周期和占空比后，单片机+15V的稳压管IN4744A和10kQ的电阻，以保护功率自动产生PWM信号，不影响其他程序的执行，相比由程场效应管。B相的驱动电路与A相的完全相同。序产生的PWM信号有无可比拟的优势。3．3电流反馈电路3．2功率驱动电路电流的反馈采用0．25Q的精密采样电阻将电流转换功率驱动电路采用由桥式驱动芯片IRS2l10和功率成电压，经滤波、放大后直接进入单片机A／D输入通道进MOS管组成的全桥驱动电路。IRS2l10是一种双通道、行A／D转换，转换后的电流数值在程序中进行数据处理栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块；在后调节单片机发出的PWM信号的占空比，从而调节电流芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑的大小，实现电流的闭环控制。以A相为例，其电流采样电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠电路如图6所示。性一。功率MOS管不存在二次击穿，可以不用复杂的浪涌吸收电路，所以电路简单。A相的驱动电路如图4和图5所示。·I卜_1。-9NCH0丛QBYV26VNCVB7I+12+凼VDDVS+上+ⅢNNC13SDNC--A+12V图6电流采样电路LINvccVC0MA相采样电阻上的采样电压V经过一个RC滤波和NCL0一1一IRS2l1O运算放大器同相放大后，进入单片机的A／D转换输入端I口h0．1uF．上-98BHOBYV26VNCHO—口进行A／D转换。放大电路采用了同相放大，可以省掉2JNCVBI+12VVDDVS设计负电压电路。图6中放大倍数A一1+R／R，采样电12HINNC1gF13压放大了4倍。JSDNC+12VLINVcVCOM3．4过流保护电路．F1电机在运行中会受到驱动电压的波动或者其他干扰Ⅱ2l10而出现绕组电流过流，因此必须采取相应的保护措施来保图4IRS2110外围电路⋯一⋯一⋯一，m±m、⋯⋯⋯，。R|Fk。～⋯。53维普资讯http://www.cqvip.com舷护电机，过流保护电路如图7所示。经过处理的采样电压则电机绕组两端的电压平均值为：与参考电压相比较，一旦高于参考电压，比较器翻转得到V一Et一(T—t)]V／T(1)一个高电平。这个高电平接人单片机的外部中断口，引起一(2t一T)V／T-(2y一1)／V单片机的外部中断；单片机响应中断进入过流保护程序，由式(1)可知，当占空比y在5O时，电机绕组在一个待电流下降后返回到正常运行程序。同时，这个高电平连PWM周期内的合成电流为零，此时电机不转。当占空比接到IRS211O的输入关闭端，IRS211O切断PWM信号，以5O为基准在其左右以正、余弦规律变化时，电机绕组关断功率M0S管，起到双重保护。两端的平均电压就会成正、余弦变化，进而绕组电流也成正、余弦变化。占空比高于5O时，电流从A+到A一，设为A+；占空比低于5O时，电流从A一到A+，设为A一。B相雷同。PIC16F914单片机内部集成有两路PWM模块，PWM信号的周期和占空比取决于PWM模块周期寄存器和占空比寄存器的值，PWM周期寄存器的值不变(系统中PWM频率设定为20kHz)，改变占空比寄存器的值就图7过流保护电路可改变占空比。为了减小单片机的运算量，提高程序执行速度，根据电路参数、电机参数和细分数，以5O为基准，4软件设计占空比按正弦规律(7-50+Asin($7r／4N)，A为系数，S4．1系统程序为所走微步数，N为细分数)离线计算每走一微步的电流软件编程对于系统的微步细分、电流闭环、电机转向、所对应的占空比，再将占空比转化为单片机占空比寄存器位置控制等功能的实现至关重要。系统程序分为主程序的值，制成，程序通过查表来给定电机绕组电流。与和中断程序：主程序主要是端口初始化和寄存器的初始此同时，电流反馈回路将电机绕组电流的瞬时值送人单片化；中断程序是系统程序的主体，电机的微步细分、电流闭机的内置1O位A／D进行转换，经过数据处理后与给定的PWM占空比寄存器的值进行比较，对PWM的占空比进环、过流保护、电机转向等都在中断程序中完成，系统程序行调整，即电流闭环瞬时电流跟踪控制策略。根据查表的流程如图8所示。顺序，还可以控制电机正反转。开始1【用户终止程序由于步进电机的结构使其呈现非线性，实际上按正、余I／O端口初始化中断返回弦规律变化的PWM占空比并不能使电机电流完全按照正、余弦变化，所以要根据实际电机参数在调试中不断修正PWM寄存器初始化调整占空比PWM占空比，使绕组电流矢量尽可能恒幅均匀旋转，以达A／D转换初始化比较电流偏差到更好的控制效果，例如采用线性加正、余弦的变化规律。打开中断计算采样电流5结论1开始计启动A／D转换基于电流矢量恒幅均匀旋转的细分方式和电流闭环瞬时电流跟踪控制策略的细分驱动电路，带动42BYGH循环等待中断计算给定电流型两相混合式步进电机在9O。电角中32细分时，低速运行进入中断醒表获得占空比平稳，无振荡，噪声小，力矩大，精度高；针对不同规格的两相}昆合式步进电机能方便地修改参数，目前已成功应用到图8系统程序流程了某公司的电脑绣花机电控系统中，在其他控制场合也有4．2PWM细分的软件实现较强的实用性。如果控制芯片选用DSP，其强大的数据处由图4及图5的驱动电路可知，电机绕组电流是在双理能力，能大大提高细分数和减小电流控制偏差，使系统极性PWM波形的电压下形成的，所以电机绕组电流的大性能进一步提升。●E小和方向取决于PWM波占空比的大小。设PWM波的参考文献周期为T，高电平的时间为t，忽略死区时间，则低电平的[1]张文超．步进电机PWM恒转矩细分驱动技术研究[J]．机械时间为T—t，PWM波占空比y—t／T；设电源电压为V，制造。2003(6)：33—34．54《丰‘；机嵌入式豪'il启冈》—卫瞳I匝豳_咖adv@mesnet．com．cn(I~告专用)维普资讯http://www.cqvip.com腿基于投影特征匹配的便携式美元面值识刖仪一无锡市商业职业技术学院李；弘介绍一种基于LPC2136的便携式美元面值识别仪。通过CMOS图像传感器读入美元任意一个角的信摘要息，并与内置的美元模版进行比对，可正确识别美元的面值，并用语音报读结果。由于采用了改进的算法，所以大大提高了识别的精度和速度，具有很高的实用价值。关键词ARM投影特征匹配图像传感器器分辨率比较高，图像数据速度较快。为了降低软件处理概述难度，保证数据采集的正确性，使用了高速的SRAM作为现在市面流通的美元纸币，无论是面积还是纸质，几图像数据缓存区。在采集图像时，MCU首先对CMOS传乎是一模一样的，而且没有盲文标记，对于失明和弱视人感器初始化，然后释放总线控制权，在CMOS图像传感器群，使用非常不便。统计数据显示，现时全美国大约有七输出的行场信号同步下，利用像素时钟对SRAM进行读／百万失明或弱视人士，预计到2015年会增加400多万人。写。当采集完一个完整场的图像数据后，场同步信号使很多人都是在45岁之后，视力出现问题；所以急需开发一MCU产生中断，MCU关闭CM()S传感器电源，恢复总线种便携式的美元面值识别仪来帮助他们。控制权，从而可以对SRAM进行读／写，并对图像数据进1硬件设计行处理。在图像采集时，CMOS图像传感器要求有足够的亮度整个识别仪主要由以下几个部分组成：图像采集电路、语音播放电路、控制和识别电路、电源系统电路。系统才能正确地采集图像，所以使用了高亮白光二极管提供照框图如图1所示。明。由于便携式系统使用3．3V的电源，而白光二极管的正向压降在3．6V左右，所以在使+3_3V用时需要提供升压电路才能使白光二极管发光。另外，为了使在整个图像区域内亮度均匀，需要选择照明角度较大的发光二极管。在实际使用中发现，使用角度为60。的白光LED可以保证整个区域内图1：1．1图像采集电路的亮度均匀，且能提供足够的照明图2图像采集使用CMOS图像传感器。由于使用的传感亮度，电路如图2所示。[2]杨红红．步进电机恒力矩均匀细分电路的实现[J]．电子技[6]李景男．基于DSP的二相混合式步进电机SPWM细分驱动术，2000(3)：39—41．[J]．中小型电机，2002，29(4)：31—33．[3]董健．基于电流矢量恒幅均匀旋转的步进电机细分控制及[7]李学海．PIC系列单片机实用教程——提高篇[M]．北京：光学检测技术[J]．电子工程师，2003，29(6)：25—27．北京航空航天大学出版社，2002．[4]彭树生．基于PIC16FF876的步进电机细分驱动电路设计[J]．计算机测量与控制，2004，12(1)：79—82．黄将军(硕士研究生)、甘明(剐教St)，主要研究方向为自动控希4。[5]楚斌．IR2110功率驱动集成芯片应用[J]．电子工程师，(收稿肆期：2007—06—04)2004，30(10)：33—35．paper@mesnet．corn．cn(投稿专用)Micr。c。ntr。IIers&EmbeddedSystems55