基于單片機與CPLD的步進電機PWM驅(qū)動技術(shù)

步進電動機是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為位移(或直線位移)的機電執(zhí)行元件，每當(dāng)輸入一個脈沖時，轉(zhuǎn)軸便轉(zhuǎn)過一個固定的機械角度，他具有快速起停、精確步進、沒有積累誤差且能直接接收數(shù)字信號的特點，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。步進電機的運動性能和他的驅(qū)動器有密切的關(guān)系，驅(qū)動器的性能的優(yōu)劣直接影響到步進電機運行的好壞。細分驅(qū)動方式可以減小步進電機的步矩角，提高分辨率，使電機運行更加平穩(wěn)均勻，可以減小或消除低頻振動。利用恒流和細分驅(qū)動技術(shù)可以大大提高步進電機的步矩分辨率，減小轉(zhuǎn)矩波動，避免低頻共振及降低運行噪聲。通常的步進電機控制方法是采用CPU配合專用的步進電機驅(qū)動控制器來實現(xiàn)，存在成本高、不同種類的電動機必須要有相應(yīng)的驅(qū)動控制器與之配對的問題。

1 混合式步進電機原理分析

混合式步進電機通常只有整步和半步兩種工作方式，當(dāng)要求更小的步進角和更高的分辨率時，可通過改變定子繞組電流來實現(xiàn)。繞組電流給定采用經(jīng)量化處理后的正弦波并分段切人，將繞組電流給定與反饋進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果決定該相繞組的通斷，最終得到正弦化的定子繞組電流。步進電機在高度細分運行時需要在電機內(nèi)產(chǎn)生接近均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場各項繞組的合成磁勢矢量，即各相繞組電流的合成矢量應(yīng)在空間作幅度恒定的旋轉(zhuǎn)運動，這就需要在各相繞組中通以正弦電流，三相混合式步進電機的三相繞組A，B和C在空間位置上相差2π／3，如圖1所示。

給定三相繞組分別通過相位相差2π／3而幅度相同的正弦波電流，則合成的電流矢量在空間做幅值恒定的旋轉(zhuǎn)運動，設(shè)三相電流分別為：

這是一個以3/2im為幅值、-α為幅角的逆時針旋轉(zhuǎn)矢量。對于三相混合步進電機，三相繞組可以連接成星形或者三角形，按照電路的基本原理三相之和為0即：

通常對三相混合式步進電機進行驅(qū)動控制，需要產(chǎn)生相互獨立的三相給定信號，然而按照上述分析，只需要產(chǎn)生兩相繞組的給定信號，第三相繞組的給定信號可根據(jù)式(5)由其他兩相求得。同樣，只需要對相應(yīng)的兩相繞組的實際電流進行采樣，第三相繞組的實際電流可根據(jù)式(5)求得。步進電機是脈沖電路驅(qū)動的伺服執(zhí)行器件，在環(huán)行脈沖分配器的控制下，設(shè)輸入一個控制脈沖，電機繞組的通電狀態(tài)改變一次，三相步進電機在三相六拍的控制方式下，A，B，C三相的通電狀態(tài)為：A-AB-B-BC-C-CA-A……。

2混合式步進電機系統(tǒng)構(gòu)成與實現(xiàn)

基于AVR單片機和CPLD的三相混合式步進電動機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要包括脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路、邏輯合成電路、功率驅(qū)動電路和電源等4個部分。本設(shè)計采用的方法是：單片機采集到現(xiàn)場信號后計算出步進電機運轉(zhuǎn)所需要的控制信息，經(jīng)過參考電路與反饋信號發(fā)生相互作用，得到脈寬調(diào)制信號后再傳給CPLD，CPLD把接收到的信息轉(zhuǎn)換成步進電機實際的控制信號，即轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向，輸出給電機的功率驅(qū)動電路模塊。下面具體介紹脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路和脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路部分。

2.1 PWM信號產(chǎn)生

脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路主要有單片機和外圍的電路組成，如圖3所示。

單片機主要完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和細分數(shù)的設(shè)定。脈沖信號(CP)和方向信號(CW)均由外部控制電路輸入，在脈寬調(diào)制產(chǎn)生電路中通過高速光電耦合器件和外部控制電路隔離，盡量減少由脈沖信號引入干擾的可能性。中心控制器件采用ATMEL公司的ATTINY2313單片機，ATTINY2313單片機使用AVRRISC結(jié)構(gòu)，有32個8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于20 MHz時性能高達20 MIPS。內(nèi)部集成了128 B的系統(tǒng)內(nèi)可編程E2PROM和128 B的片內(nèi)SRAM，具有獨立預(yù)分頻器及比較模式的8位定時器／計數(shù)器，有兩個全雙工的串行通信口，集成看門狗復(fù)位電路，由于具有這些優(yōu)點，使得驅(qū)動電路變得更加簡潔和高效。在單片機的E2PROM內(nèi)存儲相應(yīng)的sin(α)和sin(α+2π／3)波形的函數(shù)值，單片機復(fù)位后，首先讀出PD3，PD4和PD5的值，來確定細分的大小，細分的數(shù)目可以任意設(shè)定，這使系統(tǒng)的通用性有了很大的提高。PD2口讀入脈沖，PD8讀入電動機的轉(zhuǎn)向。波形發(fā)生器的工作原理：在輸入步進脈沖CP和方向邏輯控制信號CW的同時，來判定細分的數(shù)目，E2PROM中有選擇的讀出需要的sin(α)和sin(α+2π／3)波形函數(shù)細分值，在經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器TLC7528變成模擬量。由于TLC7528只有兩路輸出，所以只能得到兩路模擬量，即在TL084B的第7(VOA)腳和14(VOB)腳得到相位差2π／3的正弦波。

由于需要的是三相相位差是2π／3的正弦波，可以用式(5)的方法，在VOA和VOB的輸出端用一個加法器和一個反相器就得到第三相正弦波信號，式(6)為其簡單的推導(dǎo)。