基于PSoC3的步进电机控制的研究.pdf

第32卷第1期
电工电能新技术
Vol 32. No. 1
2013年1月
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Jan.2013
基于PSoC3的步进电机控制的研究
周峰,李智华,张帅
(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)
摘要:电路结构简单,控制策略高效可靠的控制技术是所有步进电机控制的共同目标。本文介绍
了一款基于PSoC3芯片设计的步进电杌控制技术。整个设计采用两相双极控制技术,外国电路筒
单可靠,节省时间和开支。设计的步进电机具有微步数(pace)可调,电机转速可调,转向可调等多
种可控功能。样机测试表明电机工作稳定高效,安全可靠。
关键词:可编程片上系统;细分;步进电机;双极控制
中图分类号:TM301.2
文献标识码:A
文章编号:1003-3076(2013)01-0113-04
0引言
电机的双极性驱动电路如图2所示,它使用8个晶
体管来驱动2组相位],如图1所示。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或直线
位移的开环执行驱动机构,在不超载的情况下,步进
电机的转速及停止位置仅取决于给定脉冲信号的频
率和个数,其被广泛运用于CNC、咖啡机、数字探
头、自动仪表、打印机、机器人等方面。在大多数情
况下,步进电机都要进行细分控制,以便提高控制精
度和控制稳定性。简便、高效、可靠的控制技术决定
控制器
了步进电机应用前景和效果。
(a)单极驱动电路图
Cypress公司在2009推出了基于8051和ARM
Cortex-M3内核的PSoC3和PSoC5,并同步发布了专
门用于PSoC3/5的集成开发环境一 PSOC Creator。
PSoC内置微处理器和数字模拟外设,是具有真正混
控制器
合信号处理能力的可编程片上系统。片内内置定时
器、PWM、AD、放大器、滤波器等可编程数字、模拟系
统,可灵活配置用户所需的各种模块,为步进电机的
2
控制提供了一个强有力的平台。
(b)双极驱动电路图
1步进电机的驱动方式
图1单极和双极驱动电路图
Fig. I Unipolar and bipolar drive circuit
单极性是指步进电机线圈中电流的流动方向是
固定的,即线圈中的电流只按一个方向流动。两相
从性能上看,两种驱动电路在相同电压V的
步进电机的单极性驱动电路是使用4个晶体管来驱驱动下,单极性驱动电路的输出力矩比双极性驱动
动步进电机的2组相位。双极性则是指步进电机线电路要小。单极性驱动电路每次都借助中间抽头,
圈中电流的流动方向不是单向的,即绕组电流有时导通绕组线圈的一半,而双极性驱动电路的绕组线
沿某一方向流动,有时按相反方向流动。两相步进圈每次都有电流通过,在相同电压Vm2的驱动下其
收稿日期;2011-11-02
作者简介:周峰(1986-),男,江苏籍,硕士研究生,研究方向是片上系统在电机控制上的应用;
李智华(1970-),女,福建籍,副教授,研究方向为电子技术、智能电器和高频磁技术。
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电工电能新技术
第32卷
驱动电流ln相当,但是单极性驱动电路产生的磁场
这是一个以。为幅值,-为幅角的矢量。当
集中在某个导通的线圈附近,而双极性驱动电路则O发生变化时,合成电流矢量转过一个相应的角度,
在整个电机内产生了一个相对均匀的磁场,于是其且幅值大小保持不变。使得两相电流按正弦规律变
稳定性要优于单极性驱动电路,输出力矩也较大。化,则电流合成矢量恒幅值均匀旋转?。
所以本次设计采用双极驱动模式。
2.2.2PSoC硬件功能的实现
2控制功能及其实现
本设计选用CY8C3866AXI芯片,来控制一个
两相电机。首先运用 PSOC Creator来搭建硬件电
2.1步进电机控制器的功能
路。 PSOC Creator将一个软件开发IDE与ー个图形
根据用户和测试的需要,该步进电机控制器将设计编辑器结合在一起,构成一个独特的强有力的
具备以下功能:
软硬件同步设计环境,其不但可以自动生成所有片
(1)细分微步数可调,最大可达256步细分;
上信号的管脚,还能为每个元件产生一个一致的、容
(2)步进电机运行转速可调;
易记忆的API系列,这样软件开发者即可控制硬件,
(3)电机转动方向可调;
而无需为基本执行指令操心1。
(4)过流保护,电流过大会损坏电路中的元器
此设计应用多个数字和模拟器件,功能见表1
件,影响系统正常工作
表1PSoC配置功能表
(5)温度保护,电路中温度过高会影响元器件
Tab 1 PSOC configuration menu
的正常工作,所以对此也要采取适当的揹施。
个数/
器件名
功能
备注
2.2步进电机控制器的实现
位数
2.2.1綱分驱动的原理
对每相的采样初始放大倍数为
步进电机内部合成磁场矢量决定了电磁转矩矢
电流放大
在软件运行后可调
量。而磁场矢量是由相电流控制的,精确控制相电
VDAC2/8数模转化功能
电压值=数字值
流,便可以控制磁场的合成矢量,也就达到了对转子
CMIP
比较输入信号当不相等的时候发
位置实现精确控制的目的。
的大小
出信号
以两相步进电机为例,任意磁场矢量可由A
控制MOS管的当PGA信号<
相分量V。与B相的分量V合成,如图2所示。
PWMI
导通
VDAC信号时才关
断
B
Con Reg I24个真值代表4
个象限
简化软件循环
Con Start 1/1
场效应管的使
能端
计算PWM脉冲用来计算转速和
Timer
发生次数
LCD刷新频率
触摸式电容控
Capsense
制板
GUI控制,操作机
图2磁场矢量分解示意图
LUTI
四输人八输出确定8个MOS管的
Fig 2 Magnetic vector decomposition sketch map
真值表
导通状态
若控制两相的电流
硬件流程:PGA将采样电阻上的电流放大,然
rsin日
后与当前数模转化器输出的模拟值进行比较,一旦
后者小于前者,PWM的kiss端生效,PWM停止工作
式中,,和ら为A相与B相的电流;为电流幅值;直到后者大于或等于前者。当PWM管正常工作
0为转子偏离参考点的角度。则合成电流矢量时,输出的脉冲信号结合 Control Reg表示的象限信
(以为参考)为
息通过LUTI真值表来控制8个MOS管轮流导通,
实现步进电机在某种微步下的运转。
(2)2.2.3PSoC软件功能的实现
在Psc设计中采用C语言编写所有程序。