步进电机驱动器设计及技术改进

步进电机驱动器设计及技术改进
摘要:本文分析了步进电机的应用及其驱动技术研究,给出了设计软件程序实例、硬件原理图及输出波形图,并提出了相应的改进措施。

关键词:步进电机环形分配细分
步进电机结构简单而且控制方便,在机械及自动控制等领域应用较普遍,但是步进电机也存在步距角较大、低频振动等缺点,如需在精度要求较高的工程中应用,除要提高制造工艺,选取高精度高性能的步进电机外,对步进电机驱动技术的研究也是很有必要的。

1 步进电机工作原理
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构,它有别于普通的旋转电机,步进电机的旋转运动和输入的脉冲个数有严格的对应关系,并以此来控制其角位移量,同时依靠步进电机特有的自锁能力使其保持在目标位置。

2 驱动器设计
步进电机运动方式的特殊性决定了它需用一个专用的驱动器来供电,驱动器主要功能是对输入脉冲分配后再进行功率放大,放大后的功率信号按特定顺序轮流加到电机绕组的两端,控制步进电机运动。

驱动器主要由环形分配器、功率放大器及其他控制电路组成,其中环形分配器是步进电机驱动器设计的关键。

目前的DSP技术发展较快,特别是美国TI公司的2000系列DSP 是专为控制各种电机设计的,本文以TMS320LF2407控制两相四拍的步进电机为例,主要介绍最常用的两种设计环形分配器的方案:一是通过DSP的PWM口,在程序里对EV A或者EVB的4个PWM口进行精确的时序分配,利用纯软件的方法实现环形分配器;二是以专业的芯片电路为基础,如集成电路芯片L297+L298组成得驱动电路或者THB7128芯片等,利用DSP的I/O口即可实现对环形分配器的控制。

两种方案各有优缺点,下面详细介绍两种方案实现方法。

2.1 硬件实现环形分配器
本文选取比较常用的集成电路芯片L297和L298的组合,该方案特点是控制简单,只需要对L297芯片的几个输入端进行控制即可,其中包括脉冲信号CLK、方向控制信号CW/CCW、半步和整步选择控制信号HALF/FULL 以及使能信号EN。

通过对DSP输出单一脉冲信号的频率调节可以控制步进电机的速度,并且可以随时控制电机的运动方向,不需要考虑输出时序问题,大大减轻了DSP的负担。

该方案已经经过了某课题的验证,其电路可靠,控制方便,负载电机是工程中使用较多的四相六线式步进电机,实际作为两相电机使用,只用了电机的红(A+)、蓝(A-)、黑(B+)、绿(B-)四根线,另外两根线悬空不用。

选取8个快恢复二极管,用来泄放绕组电流,选取二极管时需根据负载电流及电压的要求,留有一定余量,并且快恢复二极管的反向
恢复时间应trr不大于200ns。

用硬件电路实现环形分配器的优点是占用软件资源少,简单的单片机或者DSP系统就能满足设计要求,但是对外围的硬件电路要求较高,会增加额外的成本。

2.2 软件实现环形分配器
以TMS320LF2407为例,事件管理器EV A和EVB的共12路PWM 口都可以使用,理论上可以同时软件实现3个独立的环形分配器,驱动3个步进电机。

本文选取事件管理器EV A的PWM1～PWM4作为输出口。

根据输出要求,首先在程序初始化阶段需对寄存器ACTRA配置输出引脚的极性,对寄存器COMCONA配置使能比较操作,设置寄存器T1CMPR比较器数值,初始化结束以后对寄存器ACTRA按照时序要求进行数组分配,程序实现如下:
static const int stepZ[4]={0x0033,0x003C,0x00CC,0x00C3};
disable();
initsys();
for(j=1;j<=a;j++) //a 为需要走的步数
{ for(i=0;i<=3;i++)
{ *ACTRA=stepZ[i];
delay(); //延时控制运行速度
asm(“ nop “)
}
}
如果要实现电机的半步工作只需改变数组stepZ[ ]的值,使其输出能满足半步工作的时序要求即可,原理与整步软件分配实现类似,在此不再详细分析。

经实践证明,该程序通过改变数组的循环次数来控制步进电机的运行步数,通过改变数组的顺序可以很方便的改变步进电机的运行方向,通过对延时子程序的设置可以控制步进电机的运行速度。

该方案对硬件资源要求较少,通过DSP输出后,只需要用L298或者类似的功率芯片即可实现对步进电机的驱动,但是该方案需要占用较多的软件资源,如果DSP得软件资源不够用的情况下不建议使用该方案。

3 细分改进
用硬件或者软件实现的环形分配器输出原理是一样的,四路经过相序分配以后的驱动电压加到步进电机的绕组上,换相时绕组的电流会产生突变,绕组电流的突变会造成电机输出力矩的大幅波动,使电机
运动在过程中,特别是运动速度较低的状态下会产生振动,从而降低步进电机的控制精度。

因此,对一些精度要求及平滑性要求较高的场合,除选取性能更高的步进电机之外,也有必要对普通的驱动器作一些细分改进。

对驱动器细分改进的目的就是使步进电机绕组的电流在换相的时候尽量平滑而避免电流突变,最理想的状态是控制绕组中的电流按照正弦规律变化。

要用数字信号控制绕组中的电流按照正弦规律变化是很困难的,在工程实践中只能近似地实现,比较常用有两种方法:一是直接对四路输出OUT1～OUT4进行逻辑操作,利用频率更高的脉冲来对其进行逻辑与的操作;二是不对OUT1～OUT4直接操作,而利用DSP产生的更高频率的PWM脉冲来驱动L298芯片的使能开关,用以控制电机绕组电压的通断,从而达到控制绕组电流平滑变化的目的,变化过程可以逼近于正弦波。

细分后具体的频率和幅值要求要根据负载对电压和电流的要求来确定。

4 结语
DSP技术的高度发展为步进电机驱动器的设计带来了更多的可能性,步进电机的控制不需要专门去买昂贵又复杂的驱动器,借助系统中的2000系列DSP电路板,再外加一些辅助芯片即可实现对步进电机的精确控制。

本文介绍的两种驱动器设计方案都已经在不同工程中实
现,且实现都比较方便,具有较高的利用价值。

参考文献
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