新的步進(jìn)電機控制器/驅動(dòng)器優(yōu)化步進(jìn)電機系統設計

現代步進(jìn)電機驅動(dòng)系統通常使用集成電路功率芯片驅動(dòng)電機運轉，有時(shí)可能還會(huì )集成一些簡(jiǎn)單的控制功能，像電流控制。有些較先進(jìn)的控制芯片還集成一個(gè)狀態(tài)機，對步進(jìn)電機的步進(jìn)順序進(jìn)行相應的控制。一般而言，步進(jìn)時(shí)序和運動(dòng)曲線(xiàn)是由一個(gè)外部微控制器或專(zhuān)用的ASIC邏輯電路控制的。如果需要控制多臺電機，解決辦法無(wú)非是給每臺電機安裝專(zhuān)用邏輯電路或者在微控制器上安裝每臺電機的控制軟件。通過(guò)在一顆芯片上集成一個(gè)數字控制內核和驅動(dòng)電路，意法半導體的新產(chǎn)品 L6470可簡(jiǎn)化多電機控制系統的設計。這款新IC采用電壓控制模式，能夠以1/128微步進(jìn)管理用戶(hù)設置的運動(dòng)曲線(xiàn)，而且這些操作對主微控制器的負荷影響微乎其微。在采用該控制器的系統中，因為微控制器只需向控制器發(fā)出高級運動(dòng)命令，所以只用一個(gè)微控制器即可輕松管理多臺電機。

前言

意法半導體新推出的步進(jìn)電機控制芯片L6470在一顆芯片上集成了功率級和一個(gè)數字控制內核。這款步進(jìn)電機控制芯片能夠通過(guò)SPI接口接收微控制器的運動(dòng)曲線(xiàn)命令，按照預制的加速度和速度曲線(xiàn)自動(dòng)執行運動(dòng)，還能自動(dòng)加快電機的運轉速度，并使之保持預設的轉速。

該控制器的結構如圖1所示?？刂七壿嬰娐肥且粋€(gè)可以設置的狀態(tài)機，能夠接收并保存各種參數，例如：加速度、減速度、啟動(dòng)轉速、轉速、相電流控制 (PWM)和步進(jìn)模式。從全步進(jìn)到1/128微步進(jìn)，該控制器共支持8種步進(jìn)模式。內部絕對位置計數器負責計算所選步進(jìn)模式的步進(jìn)或微步進(jìn)的數量，以相當于該步進(jìn)模式的分辨率跟蹤電機轉子位置。每步旋轉1.8 度，1/128微步電機轉子旋轉一整圈后，位置計數器將自動(dòng)增加25600（128 × 200步）。

所有的運動(dòng)參數和命令都是通過(guò)SPI接口送到控制器?？刂七壿嬰娐坟撠熃忉屒斑M(jìn)步數等運動(dòng)命令，控制電機從靜止開(kāi)始做加速運轉再返回到停止狀態(tài)所需的步進(jìn)時(shí)間和步數輸出，同時(shí)執行命令中的步進(jìn)總數。該芯片還能給這些運動(dòng)命令排隊和發(fā)送，進(jìn)行復雜的運動(dòng)控制，從而能夠大幅減少微控制器的開(kāi)銷(xiāo)。

圖1: 結構框圖

運動(dòng)和位置命令

數字內核可執行五種運動(dòng)命令和4種停止命令:

Run (Direction, Speed) 加速運轉直到接到停止命令為止

Move (Direction, N_Steps) 沿命令方向運動(dòng)N步

GoTo (Position) 沿最直接路徑運動(dòng)到絕對位置

GoTo (Direction, Position) 沿指令方向運動(dòng)到絕對位置

GoUntil (Act, Direction, Speed) 加速運轉直到有外部事件發(fā)生為止

SoftStop 減速直到停止

Hard Stop 緊急制動(dòng)（無(wú)減速過(guò)程）

SoftHiZ 減速到停止，然后關(guān)閉電橋

HardHiZ 緊急制動(dòng)，并關(guān)閉電橋

在開(kāi)始任何運動(dòng)之前，通過(guò)SIP接口使用SetParam命令設置運轉參數：最低轉速、最高轉速、加速度、減速度以及其它運動(dòng)參數值。為確保運動(dòng)的完整性，在電機運動(dòng)過(guò)程中，運動(dòng)曲線(xiàn)的很多參數值是鎖定的，只能在電機被制動(dòng)后才能更改這些參數。

圖2所示是Move命令的一個(gè)典型運動(dòng)曲線(xiàn)。當接收到一條 Move命令時(shí)，控制器將計算電機從靜止開(kāi)始做加速運轉再返回到起始位置所需的步數N的運動(dòng)曲線(xiàn)，整個(gè)過(guò)程都是由數字內核硬件獨立完成的。

GoTo命令指示驅動(dòng)器根據內部22位絕對位置計數器的數值驅動(dòng)電機旋轉到一個(gè)特定位置。 GoTo命令分為兩種：一種沿特定方向旋轉；另一種是沿最直接路徑旋轉，即確定以最少步數達到所需位置的運動(dòng)方向。對于每步旋轉1.8度的1/128微步電動(dòng)機，22位計數器的解析率相當于電機旋轉大約164周。即便齒輪減速比很大，有效解析率仍然在位置計數器的范圍內。GoTo命令的運動(dòng)曲線(xiàn)看起來(lái)與Move命令曲線(xiàn)相同，但是有一點(diǎn)不同，在GoTo命令中，達到命令指定的絕對位置所需步數是自動(dòng)計算結果。

Run和GoUntil命令用于使電動(dòng)機保持恒速旋轉，直到接到一條制動(dòng)命令 (適用于Run命令)或者有外部事件發(fā)生(適用于GoUntil)為止。當接收到一條制動(dòng)命令時(shí)，控制器執行下面兩種操作之一：緊急制動(dòng)或減速制動(dòng)。該器件還能執行緊急制動(dòng)或減速停止，然后提供三態(tài)輸出。

圖 2:典型運動(dòng)曲線(xiàn)

如圖3所示，使用一系列Run命令可以執行復雜的運動(dòng)。每接到一個(gè)新的Run命令后，控制器都會(huì )驅動(dòng)電機做加速或減速旋轉到新命令指定的位置，并以指定速度保持旋轉，直到接收到下一條Run命令或一條Stop命令為止。當接收到一條反向運轉命令時(shí)，電機減到最低速度，然后再向相反方向加速運轉。

圖 3:多條Run命令可實(shí)現復雜運動(dòng)