肖 甘，黃勤陸

（成都紡織高等?？茖W校，成都 611731）

0 引言

在自動化控制上，步進電機的轉動頻率、步進數(shù)受步進脈沖控制，所以步進電機在許多應用場合特別是開環(huán)控制系統(tǒng)中得到了應用廣泛，即使在高精度要求的閉環(huán)控制場合下，仍可以通過更改步進電機的驅動方式，提升步進電機的步進分辨率和增強轉動的平穩(wěn)性，滿足系統(tǒng)指標要求。最流行的驅動方法就是采用正弦細分步進驅動方式，將傳統(tǒng)的一個步進分成了N份，且步進電機的一個相電流按正弦波方式變化，另一個相電流按余弦波方式，根據(jù)力的矢量合成，每一小步的力距都是恒定不變的，不會因為細分而影響電機性能。如常用32細分的控制器驅動1.8°的步進電機，傳統(tǒng)驅動方式步進電機轉動一圈360°需要200個脈沖，通過細分后轉動一圈需要6400個脈沖，一個脈沖信號對應電機轉動0.05625°，這就大大提高了步進電機的控制精度。

我們在自動水晶磨床控制設備的開發(fā)過程中，試驗產(chǎn)品采用外購的國外品牌的兩相步進驅動器。外購的產(chǎn)品價格較高，性能優(yōu)良，批量生產(chǎn)就超出自動水晶磨床電氣設備的成本預算范圍。由于外購產(chǎn)品是通用控制器，滿足多場合應用下的兼容設計，主要是由DSP、FPGA等高端控制器加外圍電路設計而成，加上高壓系統(tǒng)中要求的隔離設計，所以整體成本較高，在實際應用中許多功能也沒有用上。我們發(fā)現(xiàn)通用的步進電機控制芯片不支持細分驅動，達不到控制精度的要求，故在查閱相關資料分析步進電機正弦細分驅動器的工作原理之后，提出了一款以AVR單片機為控制器的低成本兩相步進正弦細分驅動器的設計方案，既能滿足控制精度要求，又控制了成本。

1 系統(tǒng)設計

為了低成本實現(xiàn)驅動器的功能和指標要求，器件上盡量選擇通用器件，且盡量考慮用軟件替代硬件。系統(tǒng)由AVR單片機小系統(tǒng)構成的主控電路、DAC0832波形發(fā)生器、相電流采樣電路、LM393比較器、高頻信號發(fā)生器、斬波器、IR2104和IRF540組成的全橋驅動電路等構成。步進控制器原理框圖如圖1所示。

圖1 步進控制器原理框圖

本方案的設計思路是通過單片機ATMEGA8為控制核心，根據(jù)外部輸入的步進脈沖信號，按設定的細分數(shù)產(chǎn)生正、余弦波數(shù)字信號和周期環(huán)形步進脈沖時序。DAC0832有兩路輸出：一路產(chǎn)生正弦波步進基準電壓；另一路產(chǎn)生余弦波步進基準電壓，基準電壓與步進電機相電流進行比較控制斬波器高頻脈沖的通斷，驅動IR2104和IRF540組成的全橋驅動器，使步進電機相兩端產(chǎn)生脈沖式的相電壓，從而使步進電機的相電流按設定的正弦、余弦方式變化，這樣步進電機原來的周期環(huán)形脈沖“一大步”被劃分成了“N個小步”，使的電機運行更加平穩(wěn)，控制精度更高。

1.1 控制器

控制器選用ATMEL公司的改進型AVR系列低端8位ATMEGA8單片機，該單片機具有豐富的IO管腳數(shù)，內帶8K的FLASH，1K的SRAM，先進的RISC結構使得16MHz時鐘下的性能可以達到16MMIPS，打破了傳統(tǒng)51單片機無法對響應速度的高要求，使得在滿足系統(tǒng)轉速要求的同時，仍能使步進細分數(shù)精度高達32細分。

控制器外圍電路主要由PT7M7810LT構成的復位電路、16MHz晶體構成的時鐘電路、外部光耦隔離輸入電路等。ATMEGA8內帶上電復位電路和看門狗電路，但為了滿足工業(yè)應用現(xiàn)場環(huán)境，仍在外部增加了復位電路，看門狗電路使用ATMEGA8內部自帶的。為了盡可能的提升單片機的運行速度，滿足波形發(fā)生的點數(shù)和速度要求，晶體使用最高頻率16MHz。外部輸入的脈沖信號、正反轉信號、脫機信號經(jīng)過TLP512-4光耦隔離，74HC14整形后送入單片機IO端口。

控制器主要完成外部輸入設置狀態(tài)的檢測和根據(jù)外部輸入脈沖的頻率產(chǎn)生同步步進脈沖和正弦余弦波數(shù)字信號，步進脈沖或上斬波信號作為全橋驅動器的開關信號，正弦余弦波數(shù)字信號送入DAC0832產(chǎn)生正弦波，TL084負責將DAC0832的電流信號變換成電壓信號和極性變換?？刂破髦麟娐吩O計圖如圖2所示，因篇幅限制，圖2只顯示了一路波形發(fā)生電路。

正、余弦波數(shù)字信號是預先根據(jù)公式計算生成，如32細分的公式為：

其中u取DAC0832滿量程數(shù)字255，計算出來的數(shù)值有負值，而實際的驅動器相電流都是為正值，所以通過公式計算出來的負數(shù)要取絕對值。使用Protues仿真的正弦和余弦波形如圖3所示。

為了保證力矩和轉動平穩(wěn)，周期環(huán)形步進脈沖時序選取雙相激勵方式，每次有兩相繞組通電。

1.2 相電流采樣

圖2 步進控制器設計圖

圖3 正弦和余弦波仿真圖

設計要求驅動器的相電流最大值為5A，根據(jù)公式U=I×R，歐姆級別的取樣電阻會造成相電壓的不足，為了避免采樣電阻產(chǎn)生過高的壓降和能量的過多消耗，取樣電阻只能選擇毫歐級別的電阻，然而這類電阻的溫度系數(shù)不好控制，制造成本相對較高，市場上也不容易購買，故選用康銅絲作為采樣電阻，規(guī)格為0.608歐姆/每米，根據(jù)放大比例和后端比較電壓范圍，取康銅絲32mm作為采樣電阻，實際計算時需要減去焊在印制板上的兩端各1mm，得到的電阻值為18.24毫歐，以免不準確的取樣電阻值影響整機電流的大小。

1.3 高頻斬波脈沖發(fā)生器

產(chǎn)生高頻信號有許多方案可選，可以用阻容三極管等分立元件搭，也可以用專業(yè)的信號發(fā)生集成電路搭，在性能和價格上各有千秋，但其中最簡單經(jīng)濟的方案是采用成熟的NEC555集成芯片，產(chǎn)生頻率為40KHz、占空比為50%的高頻方波信號，阻容器件參數(shù)根據(jù)頻率要求按公式計算后確定。

1.4 相電流處理與斬波器

采樣電流經(jīng)過康銅絲電阻變換成電壓，此時的電壓含有較多的高頻成分，必須先經(jīng)過低通濾波器濾去高頻分量，然后在按一定的比例放大，再送入LM393與基準的正弦波電壓進行比較。由74HC74組成的斬波器工作原理為，當相電流小于基準正弦波電壓時，繼續(xù)開通脈沖電壓給相線圈充電，電流變大，當電流大于基準正弦波電壓時，關閉高頻脈沖電壓，相電流減少，當相電流小于基準時，再一次打開高頻脈沖電壓，這樣步進電機相電流的變化會按設定的正弦波電壓形式而變化，另一相電流按余弦波形式而變化。

1.5 驅動部分

電機驅動需滿足正反轉和相電流采樣，典型的驅動電路為H橋，因電路結構組成形似H而得名。雙臂器件可以選擇大功率三極管、功率型MOSFET管、IGBT等，組成方式可以為N與P配對或都為N型，此處選用IR公司的功率型場管和專用半橋驅動集成電路構成。

圖4 驅動電路設計圖

功率型MOSFET管選用常見的IRF540N，其特點是內帶保護二極管、大電流（30A）、較高的反向耐壓（100V）和低導通電阻（0.077Ω）。應用在最大5A的工作電流和100V反向耐壓電路中可以有較高冗余度，保證了驅動部分的工作可靠性。

專用半橋驅動集成電路選用IR2104，IR2104是IR公司專門為功率型MOSFET 和IGBT設計的高壓高速驅動器，可直接被TTL電平驅動，懸浮的自舉通道設計可容忍+600V的電壓，可以用于驅動高邊N型功率MOSFET，組成的電路圖如圖4所示。

為了保證H橋電路工作穩(wěn)定和提高其轉換速度，IR2104周邊的自舉二極管應選用高速開關管或者肖特基快恢復二極管，自舉電容選用漏電流小的鉭電解電容，限流電阻選擇51歐姆即可。為了進一步減少電機運行過程中的反向電動勢對MOSFET管造成的損傷，還需要在相線上增加一對肖特基快恢復二極管，上拉到電源和下拉到地，提供續(xù)流的同時消除反向電動勢。

即便是選擇的MOSFET管，導通電阻很低，但為了保證驅動器能不間斷工作仍能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，防止高熱導致MOSFET管的損壞，所以要在MOSFET管上加裝散熱器，散熱器的形狀和大小可根據(jù)驅動器外形設計和MOSFET管的溫升決定，樣機還通過了嚴格的高溫高濕試驗，驗證了電路散熱效果和工作的穩(wěn)定。

2 結束語

本驅動器包含數(shù)字信號、模擬信號、微弱的電流采樣信號、步進電機運行的高壓大電流，而且控制電路和電機驅動電路共用同一組電源，所以在PCB布局和布線上需要特別注意，布局上除了按功能布置外，還要注意模擬部分和數(shù)字部分分開；微弱信號遠離高壓大電流信號，布線上要微弱信號部門要用地做隔離保護；控制部分和驅動部分的地要最后一點共地，從而避免電機運行時的大電流，干擾控制電路的工作。另外在設計更大規(guī)格的驅動器時，這樣的處理方式仍不能滿足系統(tǒng)正常工作要求，還需要做隔離處理，控制部分的電源可以通過隔離型DC/DC進行隔離，數(shù)字控制信號可以通過高速光耦進行隔離，模擬信號可以先轉換成脈沖再通過光耦進行隔離，這樣才能確保步進電機運行過程中，不會干擾控制電路的正常工作，不會出現(xiàn)驟停，正反轉、丟步等紊亂現(xiàn)象。

經(jīng)過測試，本兩相步進正弦細分驅動器驅動的兩相步進電機、加減速平穩(wěn)、不丟步、不失步，已成功運用在了自動水晶磨床設備上，在滿足了精度要求同事，又更好的滿足了設備的低成本要求。

[1] ATmega8 Datasheet 數(shù)據(jù)手冊[M].2004.

[2] 李恩光.機電伺服控制技術[M].沈陽: 東華大學出版社,2003.

[3] 應用指南AN-978[M].請參見http://www.irf.com/technicalinfo/appnotes/an-978.pdf.