基于TC1002芯片的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

李軍科

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇無錫 214153）

【自然科學(xué)研究與應(yīng)用】

基于TC1002芯片的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

李軍科

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇無錫 214153）

實(shí)現(xiàn)了基于TC1002芯片控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圍繞TC1002內(nèi)部各功能單元設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外部電路，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器在不同條件下的性能做了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有低頻噪聲小，細(xì)分度高與高速不失步等優(yōu)點(diǎn)。

步進(jìn)電機(jī)；細(xì)分驅(qū)動(dòng)；TC1002；電流衰減控制

步進(jìn)電機(jī)被廣泛運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、工業(yè)儀器儀表、計(jì)算機(jī)設(shè)備等領(lǐng)域中，成為不可或缺的重要組件。但是，步進(jìn)電機(jī)存在低頻噪聲大的問題，表現(xiàn)在電機(jī)走步輕重不均，其原因是換路時(shí)電流變化差異所致。顯然，繞組電流的控制是改變步進(jìn)電機(jī)低頻特性的關(guān)鍵，特別是續(xù)流回路在保證器件安全工作的同時(shí)，對(duì)繞組斷電時(shí)電流下降的速度影響[1]。

本文采用TC1002兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，增加外部電壓反饋電路、電流保護(hù)電路、高精度低噪聲電流采樣電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電源電路以及電流調(diào)整電路，實(shí)現(xiàn)了一種低頻特性好、細(xì)分度高的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

一、電機(jī)控制設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用高性能細(xì)分步進(jìn)電機(jī)芯片TC1002作為控制器，基于電流滯環(huán)控制技術(shù)，增加外圍功能電路實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單高效的電機(jī)控制。驅(qū)動(dòng)器采用24V~50V直流工作電源，細(xì)分與電流通過撥碼開關(guān)控制。光藕隔離與邏輯對(duì)指令、方向及使能信號(hào)進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)器設(shè)置過電壓、欠電壓、過電流保護(hù)。雙H橋功率驅(qū)動(dòng)電流輸出開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過無感電阻采樣相電流并反饋給TC1002。設(shè)置電機(jī)不工作時(shí)電流自動(dòng)衰減功能及高壓保護(hù)基準(zhǔn)比較。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

二、電機(jī)控制方案設(shè)計(jì)

（一）步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片

TC1002是一個(gè)高性能細(xì)分步進(jìn)電機(jī)控制器，包含一個(gè)模擬SINE/COSINE信號(hào)發(fā)生器。在一個(gè)完整的細(xì)分控制系統(tǒng)中，TC1002全面控制電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。有14種細(xì)分等級(jí)，TC1002能在任何時(shí)候改變電機(jī)狀態(tài)，沒有必要復(fù)位控制器。它很容易使電機(jī)按照使用者設(shè)定的固定步數(shù)運(yùn)行。另外在“整步”輸出上，當(dāng)馬達(dá)長(zhǎng)時(shí)間工作后，TC1002會(huì)指示電機(jī)是否還處于整步狀態(tài)上。TC1002通過輸入時(shí)鐘和方向兩種信號(hào)就可控制馬達(dá)，并可以工作在離散狀態(tài)下。

主控芯片提供了與用戶接口的指令脈沖、方向脈沖輸入功能。提供過熱、過壓、A/B相過流四種保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤后，主控芯片會(huì)鎖存這個(gè)錯(cuò)誤，并在故障信號(hào)管腳輸出邏輯高電平狀態(tài)。進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)后，主控芯片中電流控制單元切斷A/B相全橋信號(hào)輸出。主控芯片細(xì)分檔位可以通過細(xì)分表格根據(jù)用戶需要選擇接口設(shè)置，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中或系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)下改變。主控芯片包含內(nèi)在的sine/cosine發(fā)生器和DAC，用來定位A相與B相的相位關(guān)系，工作狀態(tài)輸出模擬的正弦/余弦信號(hào)。外部指令脈沖經(jīng)過內(nèi)部施密特觸發(fā)器增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾性，在步進(jìn)脈沖上沿時(shí)刻正弦、余弦輸出產(chǎn)生一個(gè)增量，增量大小由細(xì)分方式選擇決定。

（二）基準(zhǔn)電壓比較與自動(dòng)減流

電流調(diào)節(jié)電路包含電阻網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、LM339 （U5D）、LM358（U6A/B）、LM317（U9）四個(gè)單元器件。8位撥碼開關(guān)1～3位作為電流擋位設(shè)置，4位做手動(dòng)半流調(diào)節(jié)，5～8位設(shè)置細(xì)分擋位，不同的電流擋位對(duì)應(yīng)不同的電阻值。LM317可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出。12V單電源供電的LM358雙運(yùn)放以跟隨器方式實(shí)現(xiàn)TC1002內(nèi)部DAC單元輸出的正弦/余弦電壓參考信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)。另外，TC1002提供了自動(dòng)電流衰減信號(hào)，當(dāng)電機(jī)處在空閑時(shí)，在外部最后一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)脈沖上升沿到來1.5秒后，輸出一個(gè)高電平減流信號(hào)。采用LM339作為比較器，同相輸入端是通過電阻分壓后用LM358跟隨形式產(chǎn)生的2.5V參考電壓。TC1002屬于5V電源工作器件，高低電平在0與5V之間跳變。匹配電阻參數(shù)，使得幅度調(diào)節(jié)參數(shù)在Vref與1/2Vref之間變化，實(shí)現(xiàn)電流1/2自動(dòng)衰減[2]（見圖2）。Vref值可以通過撥碼開關(guān)電路設(shè)置。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（三）電流反饋與過電流保護(hù)

圖2 基準(zhǔn)電壓比較與自動(dòng)減流

圖3 電流反饋與過電流保護(hù)

相電流采樣信號(hào)在另一路與參考的正弦相電壓信號(hào)比較，從TC1002的功能結(jié)構(gòu)圖可以看出，其內(nèi)部設(shè)計(jì)了256個(gè)點(diǎn)的ROM空間，每個(gè)點(diǎn)用8位字長(zhǎng)空間存儲(chǔ)，考慮到整周期正弦信號(hào)與1/4正弦周期的對(duì)稱性，1/4正弦數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)最大256細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)。TC1002的細(xì)分檔管腳MSEL0、MSEL1、MSEL2、MSEL3提供了多達(dá)14種不同細(xì)分選擇。細(xì)分選擇擋位：2、4、6、8、16、32、64、128、256；5、10、25、50、125、250。C1002內(nèi)部有一個(gè)8位的地址發(fā)生器，8位地址可以組合256個(gè)狀態(tài)。8位地址的增加與減少取決于細(xì)分選擇位與方向信號(hào)管腳。

TC1002提供了靈活的查找表用戶接口。TC1002允許使用外部查找表合成A相與B相波形，即通過10腳ROM選擇腳RSEL的高低電平。當(dāng)RSEL處于邏輯低電平狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部查找表功能被選擇；當(dāng)RSEL處于邏輯高電平狀態(tài)時(shí)，用戶可以用外部查找表合成A相與B相波形。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)RSEL接地選擇低電平，采用內(nèi)部正弦、余弦查找表實(shí)現(xiàn)正弦細(xì)分波形。

正弦型相電流的波形的頻率由外部的用戶指令脈沖與細(xì)分選擇位決定。采用256最大細(xì)分時(shí)，對(duì)于8極50齒2相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8/256= 0.00703125度。外部指令脈沖頻率fc與正弦相電流頻率fsin滿足：fc=4×256×fsin。正弦波的幅度用電流開關(guān)選擇的電阻網(wǎng)絡(luò)決定，即通過電機(jī)繞組的電流大小取決于正弦波參考相電壓信號(hào)幅度。

TC1002正弦波參考相電壓信號(hào)經(jīng)RC濾波后與實(shí)際反饋的相電流信號(hào)比較。比較器采用LM339。比較器輸出的高低電平反映實(shí)際電流信號(hào)與參考信號(hào)的誤差情況，并作為相電流輸入連接TC1002的9腳與21腳。此后，TC1002通過內(nèi)部電流控制單元對(duì)繞組電流進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。

（四）功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)電路包括兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)電路和功率主電路。驅(qū)動(dòng)電路是TC1002產(chǎn)生的PWM信號(hào)和功率主電路接口，完成將TC1002產(chǎn)生的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管動(dòng)作的信號(hào)。功率主電路是一個(gè)逆變電路，將外部電源提供的直流電變換為驅(qū)動(dòng)混合式步進(jìn)電機(jī)的交流電。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。逆變功率開關(guān)管采用IRF540N，其額定電壓和額定電流分別為500V和20A，采用國(guó)際整流器公司產(chǎn)品專用半橋驅(qū)動(dòng)芯片R2101進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。IRF540N導(dǎo)通電阻很小，即使電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，該功率管殼本身的溫度比較低，無須外加風(fēng)扇。續(xù)流二極管采用1N4148。自舉電容采用10uf無極性電容。IR2101是高壓高速的IGBT器件驅(qū)動(dòng)芯片，有兩個(gè)完全獨(dú)立的高飽真輸入與輸出通道，且兩個(gè)通道具有開通慢、關(guān)斷快的防橋臂直通的互鎖功能。門驅(qū)動(dòng)電壓10V～20V，5V施密特觸發(fā)邏輯電平輸入，輸入輸出同相，驅(qū)動(dòng)IGBT高壓側(cè)電壓可以到達(dá)600V。電路設(shè)計(jì)中，在IGBT的電源與地之間放置4個(gè)二極管，使電機(jī)兩端的電壓維持在0～(24V～50V)之間，防止電機(jī)兩端的電壓有過高的上沖或過低的下沖。Vcc電源電壓用耐壓值為100V，容值為0.1uf的電容濾波，IGBT的柵極連接電阻、二極管以消除信號(hào)的振蕩[4]。

（五）TC1002電流衰減模式

TC1002提供了快衰減、慢衰減與電流混合衰減模式。用戶可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)器特性匹配電機(jī)電感量。通常說來，高電感量電機(jī)低速性能較好，設(shè)置驅(qū)動(dòng)器為高電流阻尼（快速續(xù)流），已確保電流在續(xù)流期間快速下降。阻尼有助于電感的快速放電。低電感量電機(jī)高速性能好，設(shè)置驅(qū)動(dòng)器提供較低的電流阻尼（慢速續(xù)流），電機(jī)將呈現(xiàn)出良好的工作特性，因?yàn)樵陔姼心芰啃狗胚^程中無需特別的阻尼幫助。對(duì)于一些電感量中等的電機(jī)來說，可以設(shè)置驅(qū)動(dòng)器為混合續(xù)流模式。

（六）系統(tǒng)電源部分設(shè)計(jì)

選擇UC3843電流型PWM控制器作為開關(guān)電源的調(diào)節(jié)單元。開關(guān)電源輸入為20V～50V直流，輸出為12V直流穩(wěn)壓。T1為高頻開關(guān)變壓器。剛上電時(shí)，外部輸入的24V～50V電壓經(jīng)電阻R26分壓后向UC3843芯片提供啟動(dòng)電壓。正常工作時(shí)，次級(jí)線圈上的輸出電壓12V就作為UB3843正常工作電壓。R23是開關(guān)管的柵級(jí)限流電阻。為保證開關(guān)電源輸出直流電壓不受干擾，電路中提供了穩(wěn)壓電路。NMOS管源極串接電阻R22，把電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，送入U(xiǎn)C3842作為比較電壓，控制激勵(lì)脈沖的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。電流取樣電阻的值不能取得太大，否則在工作中取樣電阻溫度升高，取樣環(huán)路檢測(cè)電壓變大，自動(dòng)調(diào)整PWM占空比，會(huì)使電壓衰減（見圖5）。

三、驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

圖5 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

圖6 轉(zhuǎn)速為100RPM相電流波形

圖7 8細(xì)分條件下100RPM細(xì)分效果圖

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速為300RPM相電流波形

圖9 8細(xì)分300RPM細(xì)分效果圖

用所設(shè)計(jì)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器和57BYGH633電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察電流波形與噪聲。電機(jī)參數(shù)：步距角1.8，額定電流3A，工作電壓20V～90V，繞組電阻1Ω，繞組電感1.6mH，靜力矩13.5g/cm。

為了清楚觀察起見，選擇細(xì)分?jǐn)?shù)為8，在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)空載下驅(qū)動(dòng)器性能進(jìn)行測(cè)試。100r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，在直流母線上并連兩個(gè)采樣電阻后測(cè)量電流波形如圖6所示。相電流（通道1）具有明顯的正弦特征，在指令脈沖信號(hào)（通道2）上升沿電流波形出現(xiàn)明顯細(xì)分階梯波（見圖7）。轉(zhuǎn)速增大，在300r/min下，電流波形接近尖頂波，平均值下降。這是由于阻感性繞組按指數(shù)規(guī)律上升緩慢，較短通電時(shí)間內(nèi)，繞組電流跟不上細(xì)分控制信號(hào)，電流上升到一定值開始下降，繞組電流已無細(xì)分效果（見圖8、圖9）。進(jìn)行正轉(zhuǎn)一圈、反轉(zhuǎn)一圈實(shí)驗(yàn)時(shí)，電機(jī)能實(shí)現(xiàn)精確的定位，運(yùn)行數(shù)十個(gè)來回，停下來的位置與開始啟動(dòng)的位置幾乎沒有偏差。

[1]劉寶廷，程樹康.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：35-42.

[2]李秀紅.高細(xì)分新型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[3]Murphree J,Brzezinski B.Using a Fixed-Point Digital Signal Processor as a PID Controller[J].American Society for Engineering Education，2002.

[4]王曉明,王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制：TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：214-217.

（編輯：林鋼）

Design of Micro-stepping Motor Driver Based on TC1002

LI Jun-ke
（School of IOT,Wuxi Vocational Institute of Commerce，Wuxi 214153,China.）

A subdivision driving system of step-motor is achieved based on TC1002.Corresponding external circuits around TC1002 internal function units are designed,and their respective performances were tested.The experiments show that the drive system bears such advantages as low frequency noise,high degree of division and high speed without step loss.

stepper motor;Subdivided driver;TC1002;Current decay control

TM 383.6

A

1671-4806（2016）06-0077-05

2016-09-10

江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目資助

李軍科（1972—），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。