DSP和PBL3717A構(gòu)成的步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)

摘要：介紹由美國TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A和SGS公司的步進(jìn)電機驅(qū)動芯片PBL3717A構(gòu)成的兩相混合式步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)。

引言

步進(jìn)電機是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種重要執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為位移或轉(zhuǎn)速的控制電機，輸入一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進(jìn)一步。其機械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機繞組的脈沖個數(shù)和脈沖頻率成比例，可以通過改變脈沖頻率在大范圍內(nèi)調(diào)速，易于與計算機或其它數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP（Digital Signal Processor數(shù)字信號處理器）的性能價格比得到很大提高，使得DSP在電機控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。本文介紹由美國TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320LF2407和SGS公司的步進(jìn)電機驅(qū)動芯片PBL3717A構(gòu)成的兩相混合式步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)。

1 DSP性能簡介

美國TI公司的TMS320LF2407A是專為馬達(dá)控制而設(shè)計的一款DSP。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實時控制能力。兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個包括：2個16位通用定時器；CAN總線接口模塊；16位的串行外設(shè)（SPI）接口模塊；基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器；內(nèi)置正交編碼脈沖（QEP）電路；3個捕獲單元；16通道A/D轉(zhuǎn)換器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時，快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電阻、步進(jìn)電阻、多級電機和逆變器。

2 PBL3717A原理與步距控制方法

2.1 PBL3717A的原理簡介

PBL3717A是SGS公司設(shè)計生產(chǎn)的步進(jìn)電動機單相繞組的驅(qū)動電路，內(nèi)部采用的是H-橋脈寬調(diào)制電路。利用外部邏輯電路構(gòu)成的邏輯分配器或微處理器分配信號，由若干片這種電路和少量無源元件可組成一個完整的多相步進(jìn)電動機驅(qū)動程序，可實現(xiàn)整步（基本步距）、半步或微步距控制。控制方式是雙極性、固定OFF（關(guān)斷）時間的斬波電流控制。下面簡要介紹一下PBL3717A的各引腳功能。如圖1所示，它采用16腳雙列直插塑料封裝。1腳（OUTPUT B）和15腳（OUTPUT A）為輸出端，分別接一相繞組線圈的兩端；2腳（PULSE TIME）外接RC定時元件；3、14腳（Vs）是繞組線圈供電電源，可在10～46V的范圍內(nèi)選擇；4、5、12、13腳（GND）接地端，可接至熱片；6腳（Vss）是IC供電電源接+5V；7、9腳（INPUT 1，INPUT 0）用于選擇繞組線圈電流；8腳（Phase）為相位輸入端，用于控制轉(zhuǎn)動方向；16腳（Sense Resistor）外部繞組電流采樣電阻，采樣信號通過RC低通濾波器送至10腳（Comparator Input），與內(nèi)部電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；11腳（Reference）外接參考電壓，改變Reference可實現(xiàn)微步距控制，例如用1片單片機和2片DAC0808 8bit D/A轉(zhuǎn)換電路即可實現(xiàn)256細(xì)分控制。在整步、半步、1/4步工作方式下，REFERENCE接固定的+5V，本文僅討論這種情況。

2.2 PBL3717A的步距控制方法

本文所設(shè)計的是兩修配混合式步進(jìn)電機的控制系統(tǒng)，具體驅(qū)動電路如圖2所示。其中，PHASE、INPUT 1、INPUT 0（圖中簡寫為PH、I1、I0）為輸入端，OUTPUT A、OUTPUT B（圖中以MA、MB表示）為輸出端。因為本文不考慮細(xì)分的情況，所以可以把圖中的DAC（11引腳）直接接+5V電源。

    PHASE的作用是控制步進(jìn)電動機定子繞組中電流的方向。當(dāng)PHASE=0時，電流從MB流向MA；當(dāng)PHASE=1時，電流從MA流向MB。PBL3717A對步距的控制是通過選擇I1、I0的不同組合，從而控制繞組電流，達(dá)到步距控制的目的。電流的具體數(shù)值由VR、RS決定。計算公式如下：Im=(Vr*0.083)/Rs[A],100%級別；

Im=(Vr*0.050)/Rs[A],60%級別；

Im=(VR*0.016)/Rs[A],20%級別。

PBL3717A能實現(xiàn)三種運行方式。在以下討論中，以A、B表示二相繞組正向電流工作，以A、B表示二相繞組反向電流工作。

（1）基本步距（整步）工作方式

可用二相激勵四拍方式，即AB→AB→AB→AB實現(xiàn)，也可用單相激勵四拍方式，即A→B→A→B實現(xiàn)。

（2）半步距工作方式

半步距方式采用二相，單相交替激勵的二相八拍方式，即AB→B→AB→A→AB→B→AB→A，這種工作方式是兩相激勵和單相激勵交替出現(xiàn)，每一找不到的轉(zhuǎn)距不相等。在二相激勵時的轉(zhuǎn)距是單相的1.4倍，這是因為二相激勵時的轉(zhuǎn)距是單相激勵時轉(zhuǎn)距的矢量合成。如果兩相激勵時，采用I1I0=01方式，使電流降到60%，由于磁路原先有飽和效應(yīng)，此時每相轉(zhuǎn)距可能增大到70%左右，兩相合成的轉(zhuǎn)距接近于1。這樣電機就可以近似實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)距運行。圖3示出了在第一象限的轉(zhuǎn)矩矢量圖。


    （3）1/4步距工作方式

為了實現(xiàn)1/4步距工作方式，要在整步與半步間插入一個1/4步的狀態(tài)（如圖3）。例如上方的1/4步狀態(tài)，A相繞組取100%電流，B相繞組取20%電流。在第一象限由半步A狀態(tài)到半步B狀態(tài)要經(jīng)過4步，即A→A0.2B→AB→0.2AB→B。知道第一象限的矢量圖不難推出其它三個象限的矢量圖，一個循環(huán)需6步完成，即AB→0.2AB→B→0.2AB→AB→A0.2B→A→A0.2B→AB→0.2AB→B→0.2AB→AB→A0.2B→A→A0.2B，其中0.2A、0.2B分別表示A相、B相繞組取20%電流。

3 硬件部分

因為DSP采用3.3V供電，而PBL3717A的工作電壓是+5V，所以要考慮3.3V和5V的電平轉(zhuǎn)換問題。如圖4所示，為5V CMOS，5V TTL和3.3V TTL電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電平，VIH表示輸入高電平的最低電平，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5V CMOS和3.3V TTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)不同，因此，3.3V器件（LVC）引腳不能直接與5V CMOS器件引腳相連接。在這種情況下，可以采用雙電壓（一邊是3.3V供電，另一邊是5V供電）供電的驅(qū)動器，如TI公司的SN74ALVC164245，SN74LV4245等。而5V TTL和3.3V TTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)相同，所以它們可以直接相連。因為PBL3717A是TTL兼容電路，所以可以直接將DSP的I/O口和PBL3717的相應(yīng)引腳相連。在這里，我們選DSP的端口B中的IOPB0，IOPB1，IOPB2，IOPB3，IOPB4，IOPB4分別與PBL3717A的I1B，I0B，I1A，I0A，PhaseA,PhaseB相連接（見圖5）。

4 軟件部分

本文以步進(jìn)電機工作在1/4步為例設(shè)計DSP控制軟件。DSP控制軟件采用C語言編寫。從第一拍到第十六拍的控制字分別為：0x0000、0x0004、0x000c、0x0014、0x0010、0x0011、0x0013、0x0031、0x0030、0x0034、0x003C、0x0024、0x0020、0x0021、0x0023、0x0001。將以上數(shù)值存放到數(shù)組Run_Table[]中，可通過循環(huán)程序調(diào)用數(shù)組中的相應(yīng)值賦給端口B的數(shù)據(jù)和方向控制寄存器PBDATDIR，從而通過DSP的端口B來驅(qū)動控制PBL3717A的相應(yīng)引腳來實現(xiàn)步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)運行。通過修改run_delay(int count)延時子程序的count的值可改變電機的運轉(zhuǎn)速度。下面給出了兩相步進(jìn)電機1/4步方式下正轉(zhuǎn)的控制程序清單。

/*Filename:Step.c*/

/*IOPB0=I1B,IOPB1=I0B,IOPB2=I1A,IOPB3=10A,IOPB4=PhaseA,IOPB5=PhaseB*/

#include "f2407_c.h"

static int Run_Table[]={0x0000,0x0004,

0x000C,0x0014,0x0010,0x0011,0x0013,0x0031,0x0030,0x0034,0x003C,0x0024,0x0020,

0x0021,0x0023,0x0001};

void main()

{int i;

InitCPU();

while(1)

{

for(i=0;i<=15;i++)

{

*PBDATDIR=Run_Table[i]|0xff00;

run_delay(10);

}

}

}

結(jié)語

綜上所述，利用DSP或者其它微處理器，選用兩片或者更多片PBL3717A和少量的無源元件就可組成一個完事穩(wěn)定的多相步進(jìn)電機的驅(qū)動系統(tǒng)，可實現(xiàn)整步、半步或微步距控制。這樣種方法成本低、容易實現(xiàn)、性能穩(wěn)定，是步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)的一種較好選擇。