PSoC3 雙軸步進電機細分控制

　　1，概述步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機。它的位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。每來一個脈沖電壓, 轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進電機各相繞組的電流輪流切換,從而使電機旋轉(zhuǎn)。步進電機具有步進數(shù)可控、運行平穩(wěn)、價格便宜的優(yōu)點，在加速器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣。本文介紹了一種兩軸步進電機細分控制系統(tǒng)，使用Cypress的PSoC3芯片CY8C3866AXI-040和步進電機功率芯片L298來實現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動功率大、運行穩(wěn)定，兩軸控制相互獨立，在步進電機控制領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　2， 硬件電路組成Cypress的PSoC3芯片（CY8C3866AXI-040）具有豐富的片上資源，模擬資源包括片內(nèi)4個Opamp，4個DAC，4個Comparator，高精度ADC；數(shù)字資源包括24個UDB模塊能配置成帶死區(qū)功能的PWM，邏輯真值表，狀態(tài)寄等。這些為實現(xiàn)兩軸步進電機電流細分控制提供方面。 電流細分精度最高可以達到128細分。除電機功率電路外其他所有模擬和邏輯電路都能在PSoC3上實現(xiàn)，故硬件電路的構(gòu)成相當簡單，如圖1所示。

　　 圖1，PSoC3步進電機硬件電路

　　從圖1可以看出，除了驅(qū)動電路和功率電路，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)并不需要借助其他的外部芯片. PSoC Creator是PSoC3芯片的開發(fā)環(huán)境。PSoC Creator向用戶提供了便捷可視的原理圖界面以方面配置片上硬件資源。圖2為步進電機控制的片內(nèi)原理圖（單軸）：

圖2, PSoC Creator中的硬件原理圖

其中，OP_AMP, VDAC8,COMP,PWM 構(gòu)成了硬件的電流調(diào)節(jié)器。 8位的DAC 給出類似正弦的參考波形。繞組電流采樣電阻采樣后再由片內(nèi)放大器OPAMP放大，之后與DAC給定的參考波形相比較。當實際電流超過參考電流時，就通過PWM的Kill輸入端關(guān)斷PWM,從而達到電流控制的目的。LUT是一個片上的硬件邏輯真值表，其根據(jù)控制寄存器 Ctrl_Register給出的節(jié)拍而切換PWM在各個管腳的分配，從而起到硬件控制電流換向的功能。

　　L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機（如圖3），也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。

圖3，L298 功率電路

3， 軟件實現(xiàn)

　　由于PSoC3的強大可編程硬件資源，軟件工作就變得相當簡單，因此主程序的軟件工作只需要啟動片上各個模塊的即可。所以在軟件實現(xiàn)中只要做好步進電機的細分控制即可。在本方案中，細分控制采用的是預(yù)先建立好正弦波形數(shù)組，再通過CPU將該數(shù)組分時寫進PSoC3的DAC中以輸出正弦波形。基數(shù)設(shè)置為16，則產(chǎn)生的階梯波形如圖5所示，我們稱之為8微步實現(xiàn)。

static unsigned char SinTable[] = {
255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,
253,252,252,251,251,250,249,249,248,247,
247,246,245,244,243,242,241,240,239,238,
237,236,234,233,232,231,229,228,226,225,
223,222,220,219,217,215,214,212,210,208,
207,205,203,201,199,197,195,193,191,189,
187,185,183,180,178,176,174,171,169,167,
164,162,159,157,154,152,149,147,144,142,
139,136,134,131,128,126,123,120,117,115,
112,109,106,103,100,98,95,92,89,86,
83,80,77,74,71,68,65,62,59,56,
53,50,47,44,41,37,34,31,28,25,
22,19,16,13,9,6,3,0
};
　　

4，實驗結(jié)果以PSoC3 CY8C3866AXI-040及L298等器件實現(xiàn)的兩軸步進電機細分驅(qū)動控制系統(tǒng)，取得了理想的實驗結(jié)果。實驗中，電機均采用二相混合式步進電動機，其額定電壓24 V，額定電流為2A，步距角1．8o。電機運行平穩(wěn)，調(diào)速方便。圖6是是示波器截取的其中一軸電機電流電壓波形圖。

　　 圖6，步進電機電壓電流波形圖

　　其中，粉紅色波形是DAC產(chǎn)生的正弦波，綠色波形是經(jīng)過放大器后的電壓波形，藍色波形是電機的電流波形。

　　5， 結(jié)束語本文提到的兩軸步進電機驅(qū)動細分控制系統(tǒng)可以驅(qū)動額定電壓為15～50V、額定電流為3A以下的雙軸二相混合式步進電動機，硬件結(jié)構(gòu)緊湊，軟件代碼簡單。經(jīng)聯(lián)機調(diào)試證明，此系統(tǒng)運行正常、穩(wěn)定性高，兩軸相互獨立。驅(qū)動電路接收控制信號指令后，使電機進行上電、停機、執(zhí)行正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)、四／八拍操作，并按照系統(tǒng)給定的脈沖輸入頻率控制電機以一定的轉(zhuǎn)速運行。另外，該驅(qū)動控制系統(tǒng)還具有過流保護、相電流調(diào)節(jié)及閉環(huán)反饋斬波恒流的功能，實用性強，應(yīng)用前景廣闊。