基于EPM240T100和TB6560的步進電機控制系統(tǒng)

李愛竹，徐柳娟

(1.杭州東城電子有限公司，浙江杭州310021;2.浙江水利水電學院電氣工程系，浙江杭州310018)

0 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，機械控制部件驅(qū)動多采用交流電機、直流電機、步進電機，其中步進電機最廣泛地應用于機電一體化產(chǎn)品中，特別是數(shù)控機床等機電控制的設備中。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的角位移的機電元件［1］。它轉(zhuǎn)動的角度與輸入脈沖的個數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動的速度與輸入脈沖的頻率成正比［2-3］。每接收到一個電脈沖信號，步進電機就按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，這個角度稱為“步距角”［4-5］。電機總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)控制，轉(zhuǎn)速由輸入脈沖信號的頻率控制。步進電機驅(qū)動方式一般有單電壓功率驅(qū)動、雙電壓功率驅(qū)動、高低壓功率驅(qū)動、集成功率驅(qū)動芯片等，其中集成功率驅(qū)動芯片方式被最為廣泛的使用［6-7］。步進電機集成功率驅(qū)動電路所采用的常規(guī)芯片有ULN2003、L298、3977等，這些芯片往往有驅(qū)動電流不夠、外圍電路復雜等缺點;該系統(tǒng)采用的步進電機驅(qū)動芯片為東芝公司的TB6560，很好地解決了這些問題。TB6560由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，4個輸出口不用接二極管，這樣很明顯地簡化了外圍電路;TB6560單相最大輸出電流3.5 A，大大提升了步進電機的驅(qū)動能力。該系統(tǒng)采用ALTERA公司的CPLD芯片EPM240T100作為核心控制芯片，充分發(fā)揮CPLD芯片豐富的I/O口資源優(yōu)勢，配置4路TB6560步進電機驅(qū)動模塊的控制接口，最高可實現(xiàn)4路步進電機的實時控制;從而滿足機械控制、紡織設備、機器人控制等實際應用的需要。

1 步進電機CPLD控制系統(tǒng)方案

步進電機CPLD控制系統(tǒng)由TB6560電機驅(qū)動模塊、CPLD核心控制板、按鍵顯示模塊3個部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 步進電機CPLD控制系統(tǒng)框圖

TB6560步進電機驅(qū)動模塊包括TB6560步進電機驅(qū)動芯片以及外圍電路、EPM240T100控制接口電路。EPM240T100的I/O輸出為3.3 V電平，TB6560驅(qū)動芯片的控制引腳電壓為5 V電平，EPM240T100控制接口電路完成EPM240T100輸出的3.3 V控制信號轉(zhuǎn)5 V的功能。

CPLD核心控制板配置EPM240T100型號的CPLD芯片，實現(xiàn)TB6560步進電機驅(qū)動模塊以及按鍵顯示模塊的實時控制功能。系統(tǒng)配置4路TB6560步進電機驅(qū)動模塊的控制接口，實現(xiàn)4路步進電機的驅(qū)動，充分滿足了實際應用中多路電機控制的需要。

按鍵顯示模塊由獨立式按鍵、74LS164驅(qū)動的靜態(tài)LED顯示電路組成，完成步進電機的啟動、停止、正/反轉(zhuǎn)、加速、減速等控制以及控制信息的實時顯示功能。

2 TB6560步進電機驅(qū)動模塊設計

2.1 TB6560步進電機驅(qū)動芯片

TB6560是東芝公司的步進電機驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動，最高耐壓40 V，單相輸出最大電流3.5 A;具有整步、1/2、1/8、1/16細分方式，實現(xiàn)步進電機的高精度位移控制;內(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出;具有過流保護。電機二相輸出接口內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，不需外接二極管，簡化了外圍電路。

2.2 TB6560步進電機驅(qū)動模塊硬件設計

完整的步進電機驅(qū)動模塊包括電源、接口隔離、控制信號產(chǎn)生、前置放大和功率開關(guān)電路，以及電流控制、過流檢測與保護電路等［8］。TB6560集成步進電機驅(qū)動芯片，將這一系列功能集成于一塊芯片，簡化了硬件電路設計，提高了電機驅(qū)動模塊的性價比和穩(wěn)定性。TB6560電機驅(qū)動模塊原理圖如圖2所示。

圖2中，使能信號EN用來控制步進電機的啟動，EN信號為高電平，電機工作;EN信號為低電平，電機停轉(zhuǎn)。電機正、反轉(zhuǎn)控制信號DIR用來控制步進電機的轉(zhuǎn)向，DIR信號為低電平，電機正轉(zhuǎn);DIR信號為高電平，電機反轉(zhuǎn)。MOTRST信號用來實現(xiàn)電機的復位，實現(xiàn)電機的初始化，低電平有效。

TB6560參數(shù)設置由TB6560的M2、M1、TQ2、TQ1引腳控制，具體如表1所示。M2、M1用來設置步進電機的步距角，分為整步、半步、1/16步距、1/8步距;其中1/16步距為16細分，1/8步距為8細分，這里將M2、M1設立為“11”，即1/8步距角。系統(tǒng)所接步進電機的轉(zhuǎn)子齒為50齒，設置為1/8步距角模式，電機轉(zhuǎn)1圈需要400個SCLK。CPLD芯片EPM240T100輸出1個SCLK，步進電機旋轉(zhuǎn)0.9°，可以實現(xiàn)高精度的位移控制。

表1 TB6560參數(shù)設置表

TQ2、TQ1用來設置步進電機的扭力電流，實現(xiàn)電機在不工作情況下，扭力電流降低，從而降低電機發(fā)熱，防止電機因為過熱而燒壞。步進電機運行狀態(tài)下，EPM240T100將TQ2、TQ1設置為“00”，即全流模式;步進電機靜止狀態(tài)下，EPM240T100將TQ2、TQ1設置為“10”，即電機靜態(tài)情況下，扭力電流減半。

圖2 步進電驅(qū)動電路TB6560原理圖

TB6560電機驅(qū)動芯片的驅(qū)動電流由NFA引腳、NFB引腳的外置電阻RNF來設置，NFA引腳為A路工作電流設置，NFB引腳為B路工作電流設置;這里RNF選擇0.25 Ω，驅(qū)動電流設置為2 A。

OSC引腳的COSC電容用來設置TB6560的諧振頻率，COSC一般在100 pF～1 000 pF之間，諧振頻率為400 Hz～44 kHz之間。這里COSC為C1，取330 pF，TB6560的諧振頻率為130 kHz。

3 EPM240T100電機驅(qū)動芯片控制模塊設計

TB6560步進電機驅(qū)動系統(tǒng)控制部分采用EPM240T100的CPLD芯片，該芯片是ALTERA公司MAXII系列的CPLD，具有240個邏輯單元，192個宏單元，100個引腳，80個I/O，封裝采用TQFP100［9］。

TB6560的控制程序采用VHDL編寫，EPM240T100的核心控制進程包括電機轉(zhuǎn)速控制進程、TB6560運行步數(shù)計數(shù)進程［10-12］。

該進程通過一個數(shù)控分配器來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制，根據(jù)系統(tǒng)預置的電機轉(zhuǎn)速值speed來確定數(shù)控分頻值，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。其中，轉(zhuǎn)速加減按鍵可以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的實時控制。

TB6560運行步數(shù)計數(shù)、控制數(shù)據(jù)輸出進程代碼如下:

該進程在復位信號reset為0，系統(tǒng)上電復位時，實現(xiàn)TB6560芯片的控制參數(shù)初始化。DIR電機正、反轉(zhuǎn)控制信號設置為0，即正轉(zhuǎn);M2、M1電機步距角控制信號設置為“11”，即1/8步距角;TQ2、TQ1電機全半流控制信號設置為“10”，即電機靜態(tài)下，扭力電流減半。

電機啟動按鍵按下，經(jīng)過EPM240T100的按鍵抗抖動處理，產(chǎn)生啟動信號start。啟動信號start將TB6560使能信號EN置高電平，電機開始運行;TQ2、TQ1電機全半流控制信號設置為“00”，即電機運行狀態(tài)下，扭力電流處于全流狀態(tài)。同時該進程配置一個計數(shù)器，實時記錄步進電機的運行步數(shù)，當電機運行計數(shù)值step_count為400時，EPM240T100停止輸出SCLK，EN置低電平，電機停止運行，TQ2、TQ1電機全半流控制信號設置為“10”，即扭力電流減半。

TB6560的控制程序Quartus II軟件仿真波形如圖3所示，可以滿足系統(tǒng)的控制時序要求。整個TB6560的控制程序?qū)崿F(xiàn)模塊化，當系統(tǒng)需要控制多路步進電機時，只要調(diào)用對應的模塊，就可以實現(xiàn)多路電機控制的功能。

圖3 TB6560控制程序仿真圖

EPM240T100通過JTAG下載線可以實現(xiàn)步進電機控制程序的在線調(diào)試，根據(jù)步進電機實際運行與示波器測試波形的比較，來驗證整個控制系統(tǒng)的功能。調(diào)試完成后，示波器測試波形如圖4所示。CH1為TB6560使能信號EN，CH2為步進電機控制脈沖SCLK。

圖4 TB6560控制信號示波器測試波形

EPM240T100將TB6560使能信號EN置高電平后，電機開始運行;步進電機控制脈沖SCLK產(chǎn)生波形;當SCLK產(chǎn)生400個脈沖，電機正好轉(zhuǎn)1圈，EPM240T100停止輸出SCLK，EN置低電平，電機停止運行。

4 結(jié)束語

基于EPM240T100和TB6560的步進電機控制系統(tǒng)已經(jīng)完成PCB板的制作以及軟、硬件調(diào)試，可以很好地完成步進電機的控制功能，具有啟動、暫停、正/反轉(zhuǎn)、連續(xù)運行、加速、減速等多種控制功能。EPM240T100有豐富的I/O資源，系統(tǒng)具有4路TB6560電機驅(qū)動模塊的接口，可以實現(xiàn)4路步進電機的實時控制功能;具有硬件電路簡單、性價比高、穩(wěn)定性高、應用廣泛等優(yōu)點，所設計的步進電機驅(qū)動器有著廣泛的應用前景。

［1］胡惟文，蔡劍華，王先春.基于FPGA的步進電機均勻細分驅(qū)動器的實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008，24(2):183-184.

［2］吳益飛.基于MSP430單片機的云臺控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2006，22(72):90-93.

［3］武亞平.基于單片機技術(shù)研究DxD系列包裝機的控制系統(tǒng)［J］.包裝與食品機械，2013(2):31-33.

［4］胡云卿，白建華，詹曉東.基于FPGA的三相步進電機控制器［J］.機電工程，2009，26(1):85-88.

［5］楊和平，周旋，童軍.步進電機的特點及應用［J］.黑龍江科技信息，2007(1):10-12.

［6］杜坤梅.電機控制技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.

［7］周忠輝.步進電機驅(qū)動的實現(xiàn)方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(11):60-61.

［8］潘海燕，姚朝霞.基于L297的兩相步進電機驅(qū)動器［J］.機電工程，2007，24(4):86-88.

［9］陳曙光.基于EPM240T的CPLD開發(fā)板設計與實現(xiàn)［J］.天津職業(yè)大學學報，2010，19(3):80-82.

［10］王海華，宋蕾.基于CPLD的步進電機控制器設計［J］.微計算機信息，2008，24(10):99-100.

［11］龐淑娟，倪受東.基于FPGA的步進電機速度控制器的設計［J］.新技術(shù)新工藝，2008(4):32-33.

［12］金元郁，李勇，李園園.基于FPGA的步進電機控制器設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007(3):70-71.