PSoC3 雙軸步進(jìn)電機細分控制

　　1，概述步進(jìn)電機是一種把電脈沖信號變成直線(xiàn)位移或角位移的控制電機。它的位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數成正比。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓, 轉子就旋轉一個(gè)步距角。根據電壓脈沖的分配方式,步進(jìn)電機各相繞組的電流輪流切換,從而使電機旋轉。步進(jìn)電機具有步進(jìn)數可控、運行平穩、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，在加速器控制系統中的應用很廣。本文介紹了一種兩軸步進(jìn)電機細分控制系統，使用Cypress的PSoC3芯片CY8C3866AXI-040和步進(jìn)電機功率芯片L298來(lái)實(shí)現，該系統結構簡(jiǎn)單、驅動(dòng)功率大、運行穩定，兩軸控制相互獨立，在步進(jìn)電機控制領(lǐng)域中有著(zhù)廣闊的應用前景。

　　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4個(gè)Opamp，4個(gè)DAC，4個(gè)Comparator，高精度ADC；數字資源包括24個(gè)UDB模塊能配置成帶死區功能的PWM，邏輯真值表，狀態(tài)寄等。這些為實(shí)現兩軸步進(jìn)電機電流細分控制提供方面。 電流細分精度最高可以達到128細分。除電機功率電路外其他所有模擬和邏輯電路都能在PSoC3上實(shí)現，故硬件電路的構成相當簡(jiǎn)單，如圖1所示。

　　 圖1，PSoC3步進(jìn)電機硬件電路

　　從圖1可以看出，除了驅動(dòng)電路和功率電路，整個(gè)系統的實(shí)現并不需要借助其他的外部芯片. PSoC Creator是PSoC3芯片的開(kāi)發(fā)環(huán)境。PSoC Creator向用戶(hù)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)電機控制的片內原理圖（單軸）：

圖2, PSoC Creator中的硬件原理圖

其中，OP_AMP, VDAC8,COMP,PWM 構成了硬件的電流調節器。 8位的DAC 給出類(lèi)似正弦的參考波形。繞組電流采樣電阻采樣后再由片內放大器OPAMP放大，之后與DAC給定的參考波形相比較。當實(shí)際電流超過(guò)參考電流時(shí)，就通過(guò)PWM的Kill輸入端關(guān)斷PWM,從而達到電流控制的目的。LUT是一個(gè)片上的硬件邏輯真值表，其根據控制寄存器 Ctrl_Register給出的節拍而切換PWM在各個(gè)管腳的分配，從而起到硬件控制電流換向的功能。

　　L298N芯片可以驅動(dòng)兩個(gè)二相電機（如圖3），也可以驅動(dòng)一個(gè)四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調節輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。

圖3，L298 功率電路

3， 軟件實(shí)現

　　由于PSoC3的強大可編程硬件資源，軟件工作就變得相當簡(jiǎn)單，因此主程序的軟件工作只需要啟動(dòng)片上各個(gè)模塊的即可。所以在軟件實(shí)現中只要做好步進(jìn)電機的細分控制即可。在本方案中，細分控制采用的是預先建立好正弦波形數組，再通過(guò)CPU將該數組分時(shí)寫(xiě)進(jìn)PSoC3的DAC中以輸出正弦波形?；鶖翟O置為16，則產(chǎn)生的階梯波形如圖5所示，我們稱(chēng)之為8微步實(shí)現。

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(shí)驗結果以PSoC3 CY8C3866AXI-040及L298等器件實(shí)現的兩軸步進(jìn)電機細分驅動(dòng)控制系統，取得了理想的實(shí)驗結果。實(shí)驗中，電機均采用二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機，其額定電壓24 V，額定電流為2A，步距角1．8o。電機運行平穩，調速方便。圖6是是示波器截取的其中一軸電機電流電壓波形圖。

　　 圖6，步進(jìn)電機電壓電流波形圖

　　其中，粉紅色波形是DAC產(chǎn)生的正弦波，綠色波形是經(jīng)過(guò)放大器后的電壓波形，藍色波形是電機的電流波形。

　　5， 結束語(yǔ)本文提到的兩軸步進(jìn)電機驅動(dòng)細分控制系統可以驅動(dòng)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(dòng)機，硬件結構緊湊，軟件代碼簡(jiǎn)單。經(jīng)聯(lián)機調試證明，此系統運行正常、穩定性高，兩軸相互獨立。驅動(dòng)電路接收控制信號指令后，使電機進(jìn)行上電、停機、執行正轉／反轉、四／八拍操作，并按照系統給定的脈沖輸入頻率控制電機以一定的轉速運行。另外，該驅動(dòng)控制系統還具有過(guò)流保護、相電流調節及閉環(huán)反饋斬波恒流的功能，實(shí)用性強，應用前景廣闊。