采用PSoC3芯片的兩軸步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)

本文給出了一種使用PSoC3 CY8C3866AXI-040芯片和L298雙全橋功率芯片對兩軸步進(jìn)電機(jī)控制的方法，該方案電路簡單，控制方便，實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運行正常，可靠性較高。

1，概述步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號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。每來一個脈沖電壓， 轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個步距角。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、運行平穩(wěn)、價格便宜的優(yōu)點，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來實現(xiàn)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動功率大、運行穩(wěn)定，兩軸控制相互獨立，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Opamp，4個DAC，4個Comparator，高精度ADC；數(shù)字資源包括24個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上實現(xiàn)，故硬件電路的構(gòu)成相當(dāng)簡單，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)動電路和功率電路，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)并不需要借助其他的外部芯片。 PSoC Creator是PSoC3芯片的開發(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)實際電流超過參考電流時，就通過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)動兩個二相電機(jī)（如圖3），也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。

圖3，L298 功率電路

3， 軟件實現(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)簡單，因此主程序的軟件工作只需要啟動片上各個模塊的即可。所以在軟件實現(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CPU將該數(shù)組分時寫進(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，實驗結(jié)果以PSoC3 CY8C3866AXI-040及L298等器件實現(xiàn)的兩軸步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)，取得了理想的實驗結(jié)果。實驗中，電機(jī)均采用二相混合式步進(jìn)電動機(jī)，其額定電壓24 V，額定電流為2A，步距角1．8o。電機(jī)運行平穩(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

本文提到的兩軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動細(xì)分控制系統(tǒng)可以驅(qū)動額定電壓為15～50V、額定電流為3A以下的雙軸二相混合式步進(jìn)電動機(jī)，硬件結(jié)構(gòu)緊湊，軟件代碼簡單。經(jīng)聯(lián)機(jī)調(diào)試證明，此系統(tǒng)運行正常、穩(wěn)定性高，兩軸相互獨立。驅(qū)動電路接收控制信號指令后，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)速運行。另外，該驅(qū)動控制系統(tǒng)還具有過流保護(hù)、相電流調(diào)節(jié)及閉環(huán)反饋斬波恒流的功能，實用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。