基于LMD18245型驅(qū)動(dòng)器的二相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘要：給出一種基于LMDl8245型驅(qū)動(dòng)器的二相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法．著重介紹LMD-18245的工作原理以及系統(tǒng)的硬件連接和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LMDl8245；步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)

引言

步進(jìn)電機(jī)在電腦繡花機(jī)等紡織機(jī)械設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，這類步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)是保持轉(zhuǎn)矩不高，頻繁啟動(dòng)反應(yīng)速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音低、運(yùn)行平穩(wěn)、控制性能好、整機(jī)成本低。目前用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)為五相混合式步進(jìn)電機(jī)，目的是通過采用高相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來減小步矩角和提高控制精度，但是采用該種方式獲得的性能上的提高是有限的．而且成本也相對(duì)較高。采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大改善步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)，減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，抑制振蕩，降低噪音，提高步矩分辨率。若采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，在性能明顯提高的同時(shí)還能大大降低產(chǎn)品的成本。

筆者采用美國國家半導(dǎo)體公司的LMDl8245型步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了一種二相步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

1 LMDl2845的特點(diǎn)及功能

LMDl2845是二相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)電路，其全橋功率驅(qū)動(dòng)器集成了雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電流所需的全部電路，并通過相同單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)上的DMOS功率開關(guān)在同一器件上構(gòu)建雙極CMOS控制和電流保護(hù)等功能的組合，同時(shí)采用創(chuàng)新的電流檢測(cè)方式，基本消除了功率損耗。一個(gè)LMDl8245能夠驅(qū)動(dòng)一相雙極性步進(jìn)電機(jī)繞組．當(dāng)其工作電壓達(dá)55V時(shí)，電流可達(dá)3A(峰值為6A)，其內(nèi)置的4位數(shù)／模轉(zhuǎn)換器提供了一種對(duì)電機(jī)電流的數(shù)字化控制，從而簡(jiǎn)化了步進(jìn)電機(jī)全步、半步及細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式，而對(duì)于要求更高的細(xì)分驅(qū)動(dòng)應(yīng)用還可以通過外擴(kuò)DAC來實(shí)現(xiàn)。

1．1主要特點(diǎn)

●工作電壓可達(dá)55V，電流在3A連續(xù)可調(diào)；

●每個(gè)功率開關(guān)管具有很低的RDS(on)(通常為 0．312)；

●內(nèi)置箝位二極管；

●低損耗電流檢測(cè)方式；

●電機(jī)電流用數(shù)字或模擬控制；

OTI'[．及CMOS輸入兼容；

●在Ti=155~C~于自動(dòng)關(guān)斷；

●過流保護(hù)；

●消除浪涌電流；

●采用15引腳TO一220封裝。

1．2功能原理

LMDl8245主要由斷路放大器、電流感應(yīng)放大器、4位DAC、比較器、單穩(wěn)態(tài)及保護(hù)電路等部分組成，其功能和連接框圖如圖1所示。下面簡(jiǎn)單介紹主要模塊的工作原理。

(1)斷路放大器

斷路放大器通過管理功率橋中的反饋驅(qū)動(dòng)開關(guān)來控制和限制電機(jī)線圈中的電流。功率橋由4個(gè)固態(tài)功率開關(guān)管(S1，S2，S3，S4)和4個(gè)H配置連接的二極管組成，如圖2所示。控制電路檢測(cè)電機(jī)線圈電流并和門限電流相比較。當(dāng)電機(jī)線圈電流保持在門限電流以下時(shí)，橋?qū)γ娴囊粋€(gè)源開關(guān)和一個(gè)關(guān)斷開關(guān)使得供電電壓加在線圈上，同時(shí)線圈電流快速增加到1／cc／R(R為線圈電阻)。一旦線圈電流超過門限電流，控制電路就關(guān)閉關(guān)斷開關(guān)一個(gè)固定的關(guān)斷時(shí)間。在關(guān)斷期間源開關(guān)和對(duì)面上位二極管將線圈短路，同時(shí)線圈電流續(xù)流并以指數(shù)衰減到零．在關(guān)斷時(shí)間的最后，控制電路將另一關(guān)斷開關(guān)打開．并且線圈電流再次快速增加到I／cc／R。重復(fù)上述過程可以實(shí)現(xiàn)電流浪涌動(dòng)作，從而將線圈電流限制在門限電流．且只有當(dāng)線圈電流達(dá)到門限電流時(shí)浪涌電流才會(huì)發(fā)生。

(2)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)

DAC的作用是在VOACREFD／16處浪涌設(shè)置門限電壓，其中D是與加在M4一M1上的二進(jìn)制數(shù)相等的十進(jìn)制數(shù)，M4是最高位。在要求更高的應(yīng)用中，外部：DAC能夠驅(qū)動(dòng)DAC REF輸入。DAC REF的最大直流電壓是12V，VDAC REF的合適電壓范圍是0V~5V。

（3）比較器、單穩(wěn)態(tài)及線圈電流浪涌門限

引腳CS OUT上電壓超出DAC的輸出電壓時(shí)，比較器觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)，單穩(wěn)態(tài)一旦被觸發(fā)就給控制邏輯提供關(guān)斷脈沖。在關(guān)斷脈沖期間，功率轎使電機(jī)線圈短路，從而引起線圈中的電流續(xù)流并衰減到零，通過連接在RC和地之間的一個(gè)并行阻容網(wǎng)絡(luò)，可將關(guān)斷及脈沖時(shí)間設(shè)置為1.1RC秒。綜上所述不難得出線圈電流約為（（VDAC REF D/16）/25010-6RS）時(shí)發(fā)生浪涌。

圖3

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過以下不同組合方式配置M4-M1端口，LMD18245可以工作在單相運(yùn)行全步、雙相運(yùn)行全步、不加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)陌氩津?qū)動(dòng)、加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)陌氩津?qū)動(dòng)、1/4細(xì)分驅(qū)動(dòng)、1/8細(xì)分驅(qū)動(dòng)、1/10細(xì)分驅(qū)動(dòng)、1/16細(xì)分驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式下。不同驅(qū)動(dòng)方式下。不同驅(qū)動(dòng)方式可以通過調(diào)整外部跳線實(shí)現(xiàn)，也可以通過在線編程軟件實(shí)現(xiàn)。這里介紹最常用的，性能較好的10細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理及應(yīng)用，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。該電路主要由一個(gè)AT80C2051和二個(gè)LMD18245及外圍電路組成。

2.1 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)由二路電源供電，一路采用8~12V DC給LM7805供電，輸出5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，作為系統(tǒng)的信號(hào)電源；由于LM18235F型驅(qū)動(dòng)器的額定輸入電壓最大值為55V DC，因此，當(dāng)使用超過45V DC的電源時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生由電機(jī)減速所帶來的反電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)使供電電壓增加并超出55V額定電壓的限制。為加強(qiáng)保護(hù)，可放置一個(gè)適當(dāng)?shù)凝R納二極管將電壓限制在55V以下，也可在電機(jī)供電端接入一個(gè)低于2.5A的保險(xiǎn)絲。由此可見，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)24V交流變壓器即可，因?yàn)榻?jīng)過二極管整流和電容器濾波可以產(chǎn)生接近35V DC的電壓來實(shí)現(xiàn)電源供電。該系統(tǒng)采用未穩(wěn)壓的線性電源。而如果采用開關(guān)電源，則要在輸出端放置一個(gè)大電容器（10000μF或更大）。

2.2 步進(jìn)/方向連接

AT89C2051的（T0）P3.4和（T1）P3.5口均定義為GPIO口并分別接二個(gè)驅(qū)動(dòng)器的DIR輸入端，P3.4和P3.5的輸出由程序控制。步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)方向通過改變INT1(P3.3)輸入電平來實(shí)現(xiàn)，INT0（P3.2）作為步進(jìn)脈沖輸入口，步進(jìn)和方向信號(hào)均設(shè)置為“低有效”，它們和BREAK信號(hào)均來自上位機(jī)，有時(shí)可能需要光電隔離，并且引腳脈寬至少應(yīng)為2ms。該系統(tǒng)的最大步進(jìn)頻率為45kHz，在1/8細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式下，1.8o步矩角的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以接近1700rpm。

2.3BRAKE的連接

LMD18245驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是具有BRAKE（剎車）引腳，是用來關(guān)斷步進(jìn)電機(jī)的電源。

該引腳為邏輯高電平時(shí)會(huì)使能剎車并制動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。正常操作時(shí)，BRAKE引腳為低電平或接地。在該系統(tǒng)中，BRAKE引腳接收上位機(jī)的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時(shí)關(guān)斷。

2.4限流電阻的設(shè)置

LMDl8245驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的電流達(dá)到3A／相．最大驅(qū)動(dòng)電流輸出由電阻器R5和R7設(shè)置。電流檢測(cè)電阻可以采用以下公式計(jì)算：R=20000／A(其中R的單位是歐姆，A的單位為安培)。電阻器。R5和R7的典型值如表1所示，要求使用l／4W電阻并且阻值不能低于6.6kΩ。二個(gè)LMDl8245型驅(qū)動(dòng)器必須設(shè)置為相同的電流輸出門限，R5和R7采用相同的阻值。不要使驅(qū)動(dòng)器的輸出超過3A，否則將會(huì)出現(xiàn)問題。若要靈活改變電流輸出，可以采用兩個(gè)最大阻值為25kΩ的可變電阻器分別替換R5和R7，但為安全起見，還是建議采用R5和R7。

2.5驅(qū)動(dòng)方式選擇

在不同的步進(jìn)階段給LMDl8245的M4-M1端口加載一定序列的二進(jìn)制數(shù)可以非常容易地實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)全步驅(qū)動(dòng)、半步驅(qū)動(dòng)、1/4細(xì)分驅(qū)動(dòng)、1/8細(xì)分驅(qū)動(dòng)、l/10細(xì)分驅(qū)動(dòng)和l／16細(xì)分驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式，可以設(shè)置外部的跳線開關(guān)給SELl、SEL2、SEL3端口加載不同的值并通過相應(yīng)的軟件確定具體以何種方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用AT89C2051作為主控制器，其指令系統(tǒng)與5l指令集完全兼容。根據(jù)二相雙極型步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分時(shí)的電流變化規(guī)律公式：IA=Im-cosθ，IB=Imsinθ，可以計(jì)算出1／10細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)中的相電流比及其對(duì)應(yīng)的M4一Ml上的二進(jìn)制等量數(shù)值。將該等量數(shù)值用數(shù)組表示為：

PDAC [40] =fob000011 11，0b001011 11，0bolollll O，0b01111101，…，0b00101111}；

表1 限流電阻及輸出電流門限

PDIR[40]={0b00110000,0b00110000,0b00110000，0b00110000，…，0b00010000 l；

由此得出二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制軟件流程如圖4所示，其中初始化設(shè)置要定義各端口的功能,設(shè)置INT0為邊沿觸發(fā)，其余均為GPIO口：初始化電機(jī)主要是運(yùn)行前設(shè)置端口的I／O方向，確定所選擇的細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，關(guān)斷所有線圈電源并記錄正確的步進(jìn)位置；在中斷服務(wù)程序中判斷步進(jìn)方向并計(jì)算步進(jìn)位置，根據(jù)步進(jìn)位置在數(shù)組PDAC[401]及：PDIR[40]中選取正確的值送到AT89c2051的P1和P3口完成一個(gè)微步進(jìn)過程；最后由用戶中止程序運(yùn)行。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的二相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在低頭數(shù)電腦繡花機(jī)中得到較好的應(yīng)用，工作過程中運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低、運(yùn)行平穩(wěn)、控制性能較好、使用方便、整機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、價(jià)格低廉，是一種性價(jià)較高的二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。