新的步進電機控制器/驅動器優(yōu)化步進電機系統(tǒng)設計

現代步進電機驅動系統(tǒng)通常使用集成電路功率芯片驅動電機運轉，有時可能還會集成一些簡單的控制功能，像電流控制。有些較先進的控制芯片還集成一個狀態(tài)機，對步進電機的步進順序進行相應的控制。一般而言，步進時序和運動曲線是由一個外部微控制器或專用的ASIC邏輯電路控制的。如果需要控制多臺電機，解決辦法無非是給每臺電機安裝專用邏輯電路或者在微控制器上安裝每臺電機的控制軟件。通過在一顆芯片上集成一個數字控制內核和驅動電路，意法半導體的新產品 L6470可簡化多電機控制系統(tǒng)的設計。這款新IC采用電壓控制模式，能夠以1/128微步進管理用戶設置的運動曲線，而且這些操作對主微控制器的負荷影響微乎其微。在采用該控制器的系統(tǒng)中，因為微控制器只需向控制器發(fā)出高級運動命令，所以只用一個微控制器即可輕松管理多臺電機。

前言

意法半導體新推出的步進電機控制芯片L6470在一顆芯片上集成了功率級和一個數字控制內核。這款步進電機控制芯片能夠通過SPI接口接收微控制器的運動曲線命令，按照預制的加速度和速度曲線自動執(zhí)行運動，還能自動加快電機的運轉速度，并使之保持預設的轉速。

該控制器的結構如圖1所示?？刂七壿嬰娐肥且粋€可以設置的狀態(tài)機，能夠接收并保存各種參數，例如：加速度、減速度、啟動轉速、轉速、相電流控制 (PWM)和步進模式。從全步進到1/128微步進，該控制器共支持8種步進模式。內部絕對位置計數器負責計算所選步進模式的步進或微步進的數量，以相當于該步進模式的分辨率跟蹤電機轉子位置。每步旋轉1.8 度，1/128微步電機轉子旋轉一整圈后，位置計數器將自動增加25600（128 × 200步）。

所有的運動參數和命令都是通過SPI接口送到控制器。控制邏輯電路負責解釋前進步數等運動命令，控制電機從靜止開始做加速運轉再返回到停止狀態(tài)所需的步進時間和步數輸出，同時執(zhí)行命令中的步進總數。該芯片還能給這些運動命令排隊和發(fā)送，進行復雜的運動控制，從而能夠大幅減少微控制器的開銷。

圖1: 結構框圖

運動和位置命令

數字內核可執(zhí)行五種運動命令和4種停止命令:

Run (Direction, Speed) 加速運轉直到接到停止命令為止

Move (Direction, N_Steps) 沿命令方向運動N步

GoTo (Position) 沿最直接路徑運動到絕對位置

GoTo (Direction, Position) 沿指令方向運動到絕對位置

GoUntil (Act, Direction, Speed) 加速運轉直到有外部事件發(fā)生為止

SoftStop 減速直到停止

Hard Stop 緊急制動（無減速過程）

SoftHiZ 減速到停止，然后關閉電橋

HardHiZ 緊急制動，并關閉電橋

在開始任何運動之前，通過SIP接口使用SetParam命令設置運轉參數：最低轉速、最高轉速、加速度、減速度以及其它運動參數值。為確保運動的完整性，在電機運動過程中，運動曲線的很多參數值是鎖定的，只能在電機被制動后才能更改這些參數。

圖2所示是Move命令的一個典型運動曲線。當接收到一條 Move命令時，控制器將計算電機從靜止開始做加速運轉再返回到起始位置所需的步數N的運動曲線，整個過程都是由數字內核硬件獨立完成的。

GoTo命令指示驅動器根據內部22位絕對位置計數器的數值驅動電機旋轉到一個特定位置。 GoTo命令分為兩種：一種沿特定方向旋轉；另一種是沿最直接路徑旋轉，即確定以最少步數達到所需位置的運動方向。對于每步旋轉1.8度的1/128微步電動機，22位計數器的解析率相當于電機旋轉大約164周。即便齒輪減速比很大，有效解析率仍然在位置計數器的范圍內。GoTo命令的運動曲線看起來與Move命令曲線相同，但是有一點不同，在GoTo命令中，達到命令指定的絕對位置所需步數是自動計算結果。

Run和GoUntil命令用于使電動機保持恒速旋轉，直到接到一條制動命令 (適用于Run命令)或者有外部事件發(fā)生(適用于GoUntil)為止。當接收到一條制動命令時，控制器執(zhí)行下面兩種操作之一：緊急制動或減速制動。該器件還能執(zhí)行緊急制動或減速停止，然后提供三態(tài)輸出。

圖 2:典型運動曲線

如圖3所示，使用一系列Run命令可以執(zhí)行復雜的運動。每接到一個新的Run命令后，控制器都會驅動電機做加速或減速旋轉到新命令指定的位置，并以指定速度保持旋轉，直到接收到下一條Run命令或一條Stop命令為止。當接收到一條反向運轉命令時，電機減到最低速度，然后再向相反方向加速運轉。

圖 3:多條Run命令可實現復雜運動