低成本兩相步進(jìn)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

肖 甘，黃勤陸

（成都紡織高等?？茖W(xué)校，成都 611731）

0 引言

在自動(dòng)化控制上，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、步進(jìn)數(shù)受步進(jìn)脈沖控制，所以步進(jìn)電機(jī)在許多應(yīng)用場合特別是開環(huán)控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用廣泛，即使在高精度要求的閉環(huán)控制場合下，仍可以通過更改步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，提升步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)分辨率和增強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。最流行的驅(qū)動(dòng)方法就是采用正弦細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，將傳統(tǒng)的一個(gè)步進(jìn)分成了N份，且步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)相電流按正弦波方式變化，另一個(gè)相電流按余弦波方式，根據(jù)力的矢量合成，每一小步的力距都是恒定不變的，不會(huì)因?yàn)榧?xì)分而影響電機(jī)性能。如常用32細(xì)分的控制器驅(qū)動(dòng)1.8°的步進(jìn)電機(jī)，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈360°需要200個(gè)脈沖，通過細(xì)分后轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要6400個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.05625°，這就大大提高了步進(jìn)電機(jī)的控制精度。

我們?cè)谧詣?dòng)水晶磨床控制設(shè)備的開發(fā)過程中，試驗(yàn)產(chǎn)品采用外購的國外品牌的兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。外購的產(chǎn)品價(jià)格較高，性能優(yōu)良，批量生產(chǎn)就超出自動(dòng)水晶磨床電氣設(shè)備的成本預(yù)算范圍。由于外購產(chǎn)品是通用控制器，滿足多場合應(yīng)用下的兼容設(shè)計(jì)，主要是由DSP、FPGA等高端控制器加外圍電路設(shè)計(jì)而成，加上高壓系統(tǒng)中要求的隔離設(shè)計(jì)，所以整體成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中許多功能也沒有用上。我們發(fā)現(xiàn)通用的步進(jìn)電機(jī)控制芯片不支持細(xì)分驅(qū)動(dòng)，達(dá)不到控制精度的要求，故在查閱相關(guān)資料分析步進(jìn)電機(jī)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的工作原理之后，提出了一款以AVR單片機(jī)為控制器的低成本兩相步進(jìn)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，既能滿足控制精度要求，又控制了成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了低成本實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的功能和指標(biāo)要求，器件上盡量選擇通用器件，且盡量考慮用軟件替代硬件。系統(tǒng)由AVR單片機(jī)小系統(tǒng)構(gòu)成的主控電路、DAC0832波形發(fā)生器、相電流采樣電路、LM393比較器、高頻信號(hào)發(fā)生器、斬波器、IR2104和IRF540組成的全橋驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。步進(jìn)控制器原理框圖如圖1所示。

圖1 步進(jìn)控制器原理框圖

本方案的設(shè)計(jì)思路是通過單片機(jī)ATMEGA8為控制核心，根據(jù)外部輸入的步進(jìn)脈沖信號(hào)，按設(shè)定的細(xì)分?jǐn)?shù)產(chǎn)生正、余弦波數(shù)字信號(hào)和周期環(huán)形步進(jìn)脈沖時(shí)序。DAC0832有兩路輸出：一路產(chǎn)生正弦波步進(jìn)基準(zhǔn)電壓；另一路產(chǎn)生余弦波步進(jìn)基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓與步進(jìn)電機(jī)相電流進(jìn)行比較控制斬波器高頻脈沖的通斷，驅(qū)動(dòng)IR2104和IRF540組成的全橋驅(qū)動(dòng)器，使步進(jìn)電機(jī)相兩端產(chǎn)生脈沖式的相電壓，從而使步進(jìn)電機(jī)的相電流按設(shè)定的正弦、余弦方式變化，這樣步進(jìn)電機(jī)原來的周期環(huán)形脈沖“一大步”被劃分成了“N個(gè)小步”，使的電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，控制精度更高。

1.1 控制器

控制器選用ATMEL公司的改進(jìn)型AVR系列低端8位ATMEGA8單片機(jī)，該單片機(jī)具有豐富的IO管腳數(shù)，內(nèi)帶8K的FLASH，1K的SRAM，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)使得16MHz時(shí)鐘下的性能可以達(dá)到16MMIPS，打破了傳統(tǒng)51單片機(jī)無法對(duì)響應(yīng)速度的高要求，使得在滿足系統(tǒng)轉(zhuǎn)速要求的同時(shí)，仍能使步進(jìn)細(xì)分?jǐn)?shù)精度高達(dá)32細(xì)分。

控制器外圍電路主要由PT7M7810LT構(gòu)成的復(fù)位電路、16MHz晶體構(gòu)成的時(shí)鐘電路、外部光耦隔離輸入電路等。ATMEGA8內(nèi)帶上電復(fù)位電路和看門狗電路，但為了滿足工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境，仍在外部增加了復(fù)位電路，看門狗電路使用ATMEGA8內(nèi)部自帶的。為了盡可能的提升單片機(jī)的運(yùn)行速度，滿足波形發(fā)生的點(diǎn)數(shù)和速度要求，晶體使用最高頻率16MHz。外部輸入的脈沖信號(hào)、正反轉(zhuǎn)信號(hào)、脫機(jī)信號(hào)經(jīng)過TLP512-4光耦隔離，74HC14整形后送入單片機(jī)IO端口。

控制器主要完成外部輸入設(shè)置狀態(tài)的檢測和根據(jù)外部輸入脈沖的頻率產(chǎn)生同步步進(jìn)脈沖和正弦余弦波數(shù)字信號(hào)，步進(jìn)脈沖或上斬波信號(hào)作為全橋驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)信號(hào)，正弦余弦波數(shù)字信號(hào)送入DAC0832產(chǎn)生正弦波，TL084負(fù)責(zé)將DAC0832的電流信號(hào)變換成電壓信號(hào)和極性變換?？刂破髦麟娐吩O(shè)計(jì)圖如圖2所示，因篇幅限制，圖2只顯示了一路波形發(fā)生電路。

正、余弦波數(shù)字信號(hào)是預(yù)先根據(jù)公式計(jì)算生成，如32細(xì)分的公式為：

其中u取DAC0832滿量程數(shù)字255，計(jì)算出來的數(shù)值有負(fù)值，而實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器相電流都是為正值，所以通過公式計(jì)算出來的負(fù)數(shù)要取絕對(duì)值。使用Protues仿真的正弦和余弦波形如圖3所示。

為了保證力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，周期環(huán)形步進(jìn)脈沖時(shí)序選取雙相激勵(lì)方式，每次有兩相繞組通電。

1.2 相電流采樣

圖2 步進(jìn)控制器設(shè)計(jì)圖

圖3 正弦和余弦波仿真圖

設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)器的相電流最大值為5A，根據(jù)公式U=I×R，歐姆級(jí)別的取樣電阻會(huì)造成相電壓的不足，為了避免采樣電阻產(chǎn)生過高的壓降和能量的過多消耗，取樣電阻只能選擇毫歐級(jí)別的電阻，然而這類電阻的溫度系數(shù)不好控制，制造成本相對(duì)較高，市場上也不容易購買，故選用康銅絲作為采樣電阻，規(guī)格為0.608歐姆/每米，根據(jù)放大比例和后端比較電壓范圍，取康銅絲32mm作為采樣電阻，實(shí)際計(jì)算時(shí)需要減去焊在印制板上的兩端各1mm，得到的電阻值為18.24毫歐，以免不準(zhǔn)確的取樣電阻值影響整機(jī)電流的大小。

1.3 高頻斬波脈沖發(fā)生器

產(chǎn)生高頻信號(hào)有許多方案可選，可以用阻容三極管等分立元件搭，也可以用專業(yè)的信號(hào)發(fā)生集成電路搭，在性能和價(jià)格上各有千秋，但其中最簡單經(jīng)濟(jì)的方案是采用成熟的NEC555集成芯片，產(chǎn)生頻率為40KHz、占空比為50%的高頻方波信號(hào)，阻容器件參數(shù)根據(jù)頻率要求按公式計(jì)算后確定。

1.4 相電流處理與斬波器

采樣電流經(jīng)過康銅絲電阻變換成電壓，此時(shí)的電壓含有較多的高頻成分，必須先經(jīng)過低通濾波器濾去高頻分量，然后在按一定的比例放大，再送入LM393與基準(zhǔn)的正弦波電壓進(jìn)行比較。由74HC74組成的斬波器工作原理為，當(dāng)相電流小于基準(zhǔn)正弦波電壓時(shí)，繼續(xù)開通脈沖電壓給相線圈充電，電流變大，當(dāng)電流大于基準(zhǔn)正弦波電壓時(shí)，關(guān)閉高頻脈沖電壓，相電流減少，當(dāng)相電流小于基準(zhǔn)時(shí)，再一次打開高頻脈沖電壓，這樣步進(jìn)電機(jī)相電流的變化會(huì)按設(shè)定的正弦波電壓形式而變化，另一相電流按余弦波形式而變化。

1.5 驅(qū)動(dòng)部分

電機(jī)驅(qū)動(dòng)需滿足正反轉(zhuǎn)和相電流采樣，典型的驅(qū)動(dòng)電路為H橋，因電路結(jié)構(gòu)組成形似H而得名。雙臂器件可以選擇大功率三極管、功率型MOSFET管、IGBT等，組成方式可以為N與P配對(duì)或都為N型，此處選用IR公司的功率型場管和專用半橋驅(qū)動(dòng)集成電路構(gòu)成。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

功率型MOSFET管選用常見的IRF540N，其特點(diǎn)是內(nèi)帶保護(hù)二極管、大電流（30A）、較高的反向耐壓（100V）和低導(dǎo)通電阻（0.077Ω）。應(yīng)用在最大5A的工作電流和100V反向耐壓電路中可以有較高冗余度，保證了驅(qū)動(dòng)部分的工作可靠性。

專用半橋驅(qū)動(dòng)集成電路選用IR2104，IR2104是IR公司專門為功率型MOSFET 和IGBT設(shè)計(jì)的高壓高速驅(qū)動(dòng)器，可直接被TTL電平驅(qū)動(dòng)，懸浮的自舉通道設(shè)計(jì)可容忍+600V的電壓，可以用于驅(qū)動(dòng)高邊N型功率MOSFET，組成的電路圖如圖4所示。

為了保證H橋電路工作穩(wěn)定和提高其轉(zhuǎn)換速度，IR2104周邊的自舉二極管應(yīng)選用高速開關(guān)管或者肖特基快恢復(fù)二極管，自舉電容選用漏電流小的鉭電解電容，限流電阻選擇51歐姆即可。為了進(jìn)一步減少電機(jī)運(yùn)行過程中的反向電動(dòng)勢(shì)對(duì)MOSFET管造成的損傷，還需要在相線上增加一對(duì)肖特基快恢復(fù)二極管，上拉到電源和下拉到地，提供續(xù)流的同時(shí)消除反向電動(dòng)勢(shì)。

即便是選擇的MOSFET管，導(dǎo)通電阻很低，但為了保證驅(qū)動(dòng)器能不間斷工作仍能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，防止高熱導(dǎo)致MOSFET管的損壞，所以要在MOSFET管上加裝散熱器，散熱器的形狀和大小可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器外形設(shè)計(jì)和MOSFET管的溫升決定，樣機(jī)還通過了嚴(yán)格的高溫高濕試驗(yàn)，驗(yàn)證了電路散熱效果和工作的穩(wěn)定。

2 結(jié)束語

本驅(qū)動(dòng)器包含數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、微弱的電流采樣信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的高壓大電流，而且控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路共用同一組電源，所以在PCB布局和布線上需要特別注意，布局上除了按功能布置外，還要注意模擬部分和數(shù)字部分分開；微弱信號(hào)遠(yuǎn)離高壓大電流信號(hào)，布線上要微弱信號(hào)部門要用地做隔離保護(hù)；控制部分和驅(qū)動(dòng)部分的地要最后一點(diǎn)共地，從而避免電機(jī)運(yùn)行時(shí)的大電流，干擾控制電路的工作。另外在設(shè)計(jì)更大規(guī)格的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，這樣的處理方式仍不能滿足系統(tǒng)正常工作要求，還需要做隔離處理，控制部分的電源可以通過隔離型DC/DC進(jìn)行隔離，數(shù)字控制信號(hào)可以通過高速光耦進(jìn)行隔離，模擬信號(hào)可以先轉(zhuǎn)換成脈沖再通過光耦進(jìn)行隔離，這樣才能確保步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，不會(huì)干擾控制電路的正常工作，不會(huì)出現(xiàn)驟停，正反轉(zhuǎn)、丟步等紊亂現(xiàn)象。

經(jīng)過測試，本兩相步進(jìn)正弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的兩相步進(jìn)電機(jī)、加減速平穩(wěn)、不丟步、不失步，已成功運(yùn)用在了自動(dòng)水晶磨床設(shè)備上，在滿足了精度要求同事，又更好的滿足了設(shè)備的低成本要求。

[1] ATmega8 Datasheet 數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].2004.

[2] 李恩光.機(jī)電伺服控制技術(shù)[M].沈陽: 東華大學(xué)出版社,2003.

[3] 應(yīng)用指南AN-978[M].請(qǐng)參見http://www.irf.com/technicalinfo/appnotes/an-978.pdf.