PSoC3 雙軸步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制

　　1，概述步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)。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(lái)一個(gè)脈沖電壓, 轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。根據(jù)電壓脈沖的分配方式,步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換,從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有步進(jìn)數(shù)可控、運(yùn)行平穩(wěn)、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)，使用Cypress的PSoC3芯片CY8C3866AXI-040和步進(jìn)電機(jī)功率芯片L298來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率大、運(yùn)行穩(wěn)定，兩軸控制相互獨(dú)立，在步進(jìn)電機(jī)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(gè)Opamp，4個(gè)DAC，4個(gè)Comparator，高精度ADC；數(shù)字資源包括24個(gè)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(shí)現(xiàn)兩軸步進(jìn)電機(jī)電流細(xì)分控制提供方面。 電流細(xì)分精度最高可以達(dá)到128細(xì)分。除電機(jī)功率電路外其他所有模擬和邏輯電路都能在PSoC3上實(shí)現(xiàn)，故硬件電路的構(gòu)成相當(dāng)簡(jiǎn)單，如圖1所示。

　　 圖1，PSoC3步進(jìn)電機(jī)硬件電路

　　從圖1可以看出，除了驅(qū)動(dòng)電路和功率電路，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并不需要借助其他的外部芯片. PSoC Creator是PSoC3芯片的開(kāi)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(jìn)電機(jī)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(dāng)實(shí)際電流超過(guò)參考電流時(shí)，就通過(guò)PWM的Kill輸入端關(guān)斷PWM,從而達(dá)到電流控制的目的。LUT是一個(gè)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(gè)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(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)（如圖3），也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。

圖3，L298 功率電路

3， 軟件實(shí)現(xiàn)

　　由于PSoC3的強(qiáng)大可編程硬件資源，軟件工作就變得相當(dāng)簡(jiǎn)單，因此主程序的軟件工作只需要啟動(dòng)片上各個(gè)模塊的即可。所以在軟件實(shí)現(xiàn)中只要做好步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制即可。在本方案中，細(xì)分控制采用的是預(yù)先建立好正弦波形數(shù)組，再通過(guò)CPU將該數(shù)組分時(shí)寫進(jìn)PSoC3的DAC中以輸出正弦波形?；鶖?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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果以PSoC3 CY8C3866AXI-040及L298等器件實(shí)現(xiàn)的兩軸步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)均采用二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其額定電壓24 V，額定電流為2A，步距角1．8o。電機(jī)運(yùn)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(jī)電流電壓波形圖。

　　 圖6，步進(jìn)電機(jī)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(guò)放大器后的電壓波形，藍(lán)色波形是電機(jī)的電流波形。

　　5， 結(jié)束語(yǔ)本文提到的兩軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分控制系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)緊湊，軟件代碼簡(jiǎn)單。經(jīng)聯(lián)機(jī)調(diào)試證明，此系統(tǒng)運(yùn)行正常、穩(wěn)定性高，兩軸相互獨(dú)立。驅(qū)動(dòng)電路接收控制信號(hào)指令后，使電機(jī)進(jìn)行上電、停機(jī)、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(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。另外，該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還具有過(guò)流保護(hù)、相電流調(diào)節(jié)及閉環(huán)反饋斬波恒流的功能，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。