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新的步進(jìn)電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間:2010-11-30 10:03:42來(lái)源:zhangting

導(dǎo)語(yǔ):?現(xiàn)代步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常使用集成電路功率芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),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。

前言

      意法半導(dǎo)體新推出的步進(jìn)電機(jī)控制芯片L6470在一顆芯片上集成了功率級(jí)和一個(gè)數(shù)字控制內(nèi)核。這款步進(jìn)電機(jī)控制芯片能夠通過(guò)SPI接口接收微控制器的運(yùn)動(dòng)曲線命令,按照預(yù)制的加速度和速度曲線自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng),還能自動(dòng)加快電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,并使之保持預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速。

      該控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示??刂七壿嬰娐肥且粋€(gè)可以設(shè)置的狀態(tài)機(jī),能夠接收并保存各種參數(shù),例如:加速度、減速度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(nèi)部絕對(duì)位置計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)計(jì)算所選步進(jìn)模式的步進(jìn)或微步進(jìn)的數(shù)量,以相當(dāng)于該步進(jìn)模式的分辨率跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。每步旋轉(zhuǎn)1.8 度,1/128微步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一整圈后,位置計(jì)數(shù)器將自動(dòng)增加25600(128 × 200步)。

      所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和命令都是通過(guò)SPI接口送到控制器??刂七壿嬰娐坟?fù)責(zé)解釋前進(jìn)步數(shù)等運(yùn)動(dòng)命令,控制電機(jī)從靜止開(kāi)始做加速運(yùn)轉(zhuǎn)再返回到停止?fàn)顟B(tài)所需的步進(jìn)時(shí)間和步數(shù)輸出,同時(shí)執(zhí)行命令中的步進(jìn)總數(shù)。該芯片還能給這些運(yùn)動(dòng)命令排隊(duì)和發(fā)送,進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制,從而能夠大幅減少微控制器的開(kāi)銷。

 

 圖1: 結(jié)構(gòu)框圖  

運(yùn)動(dòng)和位置命令

數(shù)字內(nèi)核可執(zhí)行五種運(yùn)動(dòng)命令和4種停止命令: 

Run (Direction, Speed)            加速運(yùn)轉(zhuǎn)直到接到停止命令為止

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

GoTo (Position)                 沿最直接路徑運(yùn)動(dòng)到絕對(duì)位置

GoTo (Direction, Position)                   沿指令方向運(yùn)動(dòng)到絕對(duì)位置

GoUntil (Act, Direction, Speed)      加速運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)之前,通過(guò)SIP接口使用SetParam命令設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù):最低轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、加速度、減速度以及其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)值。為確保運(yùn)動(dòng)的完整性,在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)曲線的很多參數(shù)值是鎖定的,只能在電機(jī)被制動(dòng)后才能更改這些參數(shù)。

      圖2所示是Move命令的一個(gè)典型運(yùn)動(dòng)曲線。當(dāng)接收到一條 Move命令時(shí),控制器將計(jì)算電機(jī)從靜止開(kāi)始做加速運(yùn)轉(zhuǎn)再返回到起始位置所需的步數(shù)N的運(yùn)動(dòng)曲線,整個(gè)過(guò)程都是由數(shù)字內(nèi)核硬件獨(dú)立完成的。 

      GoTo命令指示驅(qū)動(dòng)器根據(jù)內(nèi)部22位絕對(duì)位置計(jì)數(shù)器的數(shù)值驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)特定位置。 GoTo命令分為兩種:一種沿特定方向旋轉(zhuǎn);另一種是沿最直接路徑旋轉(zhuǎn),即確定以最少步數(shù)達(dá)到所需位置的運(yùn)動(dòng)方向。對(duì)于每步旋轉(zhuǎn)1.8度的1/128微步電動(dòng)機(jī),22位計(jì)數(shù)器的解析率相當(dāng)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)大約164周。即便齒輪減速比很大,有效解析率仍然在位置計(jì)數(shù)器的范圍內(nèi)。GoTo命令的運(yùn)動(dòng)曲線看起來(lái)與Move命令曲線相同,但是有一點(diǎn)不同,在GoTo命令中,達(dá)到命令指定的絕對(duì)位置所需步數(shù)是自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

      Run和GoUntil命令用于使電動(dòng)機(jī)保持恒速旋轉(zhuǎn),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(dāng)接收到一條制動(dòng)命令時(shí),控制器執(zhí)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(zhí)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(yùn)動(dòng)曲線

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

  

圖 3:多條Run命令可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

電壓控制式微步進(jìn)

      通常情況下,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是電流式控制設(shè)計(jì),電流控制器監(jiān)測(cè)并控制繞組電流強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)讓設(shè)計(jì)人員能夠在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持所需的轉(zhuǎn)矩,而且電源電壓波動(dòng)很小。這種設(shè)計(jì)非常適合全步和半步驅(qū)動(dòng)器,而且也易于實(shí)現(xiàn)。很多設(shè)計(jì)人員避免在微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中使用電壓控制方式,因?yàn)殡娫措妷鹤兓瘜?dǎo)致峰流有很大變化,而且,隨著轉(zhuǎn)速提高,電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(EMF )也會(huì)增強(qiáng)。不過(guò),利用數(shù)字控制技術(shù)可以修正這些不利因素。

      為實(shí)現(xiàn)這種電壓控制式驅(qū)動(dòng)電路,需要利用一個(gè)PWM計(jì)數(shù)器/定時(shí)器電路來(lái)控制輸出脈寬,以數(shù)字方式設(shè)置輸出占空比。L6470通過(guò)在電機(jī)繞組上施加電壓來(lái)控制相電流。雖然不能直接控制相電流的幅度,但是,相電流與相電壓的大小、負(fù)載、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電學(xué)特性和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。有效輸出電壓與電機(jī)電源電壓和KVAL系數(shù)的積成正比。KVAL的取值范圍是電源電壓的0%到100%。在微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中,這個(gè)最大值再乘以調(diào)制指數(shù),可產(chǎn)生所選步數(shù)的正弦波。峰值電壓由下面的公式得出:

VOUT = VS ⋅KVAL

KVAL值由下面的公式得出:

        KVAL = (Ipk x R)/Vs

其中:

Ipk  =  所需的峰流

Vs  =  典型電源電壓

R   = 電機(jī)繞組電阻

      該器件的寄存器支持加速度、減速度、恒速運(yùn)轉(zhuǎn)和保持位置等不同的 KVAL設(shè)置,在運(yùn)動(dòng)曲線每個(gè)部分輕松實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)矩設(shè)置。

BEMF補(bǔ)償

      如果在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)始終向電機(jī)供給相同的峰值電壓,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,電流強(qiáng)度會(huì)逐漸降低,因?yàn)殡姍C(jī)的反電動(dòng)勢(shì)BEMF會(huì)顯著降低施加到線圈上的電壓。圖4左邊的波形描述了沒(méi)有采用BEMF補(bǔ)償技術(shù)的電機(jī)工作狀況。從圖中不難看出,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,BEM以線性方式提高,因?yàn)榫€圈上的電壓是實(shí)際施加的相電壓與BEMF電壓的差值,所以電流將會(huì)降低。

圖 4:有BEMF補(bǔ)償電路和無(wú)BEMF補(bǔ)償電路的相電流

      為修正BEMF增加對(duì)電流的影響,該產(chǎn)品在KVAL系數(shù)中增加一個(gè)修正BEMF的因數(shù)。本質(zhì)上,就是在 KVAL初始設(shè)置值中增加一個(gè)修正值,以抵消BEMF的影響。由于BEMF直接與轉(zhuǎn)速成正比,因此這個(gè)修正值因數(shù)是一個(gè)斜率,根據(jù)這個(gè)斜率和電流轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)修正值。該產(chǎn)品提供不同的修正值:第一個(gè)值是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,適用于電機(jī)從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn),直到相交轉(zhuǎn)速參數(shù)INT_SPEED設(shè)置的最高速度為止。在相交速度之上,可以用兩個(gè)附加的斜率調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)斜率,一個(gè)用于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)和加速度,另一個(gè)則用于減速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng) BEMF修正值設(shè)置適當(dāng)時(shí),峰值電流在電機(jī)全程轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持恒定,如圖4所示。圖6描述了當(dāng)一個(gè)電機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際電流波形。

 

圖5: BEMF修正曲線

 

圖 6:有BEMF修正功能的相電流

 電源和相電阻修正

      電機(jī)的電源電壓和相電阻是另外兩個(gè)影響相電流的主要因素。因?yàn)榭刂破鞑捎秒妷嚎刂品绞?,?duì)輸出占空比進(jìn)行控制,所以這兩個(gè)要素之中任何一個(gè)發(fā)生變化,都會(huì)影響相電流。

      當(dāng)電機(jī)沒(méi)有穩(wěn)壓電源時(shí),在從電源到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電壓上會(huì)出現(xiàn)大量的脈動(dòng)電壓。隨著電源電壓變化,電機(jī)電流也會(huì)波動(dòng)。如果電源上的脈動(dòng)電壓很大,當(dāng)電機(jī)電流變得太小時(shí),電機(jī)很可能會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。該控制器內(nèi)置一個(gè)電源電壓修正電路,如圖7所示。在這個(gè)電路內(nèi),內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)測(cè)定電源電壓,然后由在數(shù)字內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的修正算法計(jì)算修正因數(shù),將其施加到PWM占空比內(nèi),使輸出電壓值在整個(gè)電源電壓變化范圍內(nèi)保持恒定。

 

圖 7:電源修正

      隨著電機(jī)發(fā)熱,相阻變化也會(huì)直接影響相電流。KTHERM設(shè)置用于修正電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱導(dǎo)致的相阻變化。驅(qū)動(dòng)器控制器的軟件可以監(jiān)測(cè)或估計(jì)電機(jī)溫度的升高狀況,設(shè)置KTHERM值,修正因?yàn)闇囟壬叨鸬碾姍C(jī)相阻的變化。例如,可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的算法測(cè)定在運(yùn)轉(zhuǎn)間隔時(shí)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的相阻,根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整KTHERM值。

結(jié)論

      L6470實(shí)現(xiàn)的功能讓設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)電壓控制式微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,修正過(guò)去需要采用電流控制式驅(qū)動(dòng)器才能解決的典型的系統(tǒng)問(wèn)題。從總體上看,系統(tǒng)控制變得更加順暢,沒(méi)有電流控制式驅(qū)動(dòng)器的常見(jiàn)限制性問(wèn)題。使用數(shù)字化電壓控制式PWM方法,可以輕松實(shí)現(xiàn)每步最多128微步進(jìn) 的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。電壓控制式解決方案的正弦波曲線更加精確,位置解析率高于電流控制式方法,電壓控制式操作可大幅降低系統(tǒng)諧振。此外,該器件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)引擎能夠大幅降低系統(tǒng)微控制器的負(fù)荷,在多電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中,無(wú)需另設(shè)一個(gè)專用微控制器。

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