倪曉宇，余前金，吳慶楊，崔瑞龍，黎俊，高明綸

（江西中船航海儀器有限公司，江西九江 332000）

步進(jìn)電機(jī)是一種將PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換成步距角的電能轉(zhuǎn)換裝置[1]，步進(jìn)電機(jī)的種類很多，其中兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在工業(yè)化產(chǎn)品中的應(yīng)用最為廣泛，常用作定位控制和定速控制[2]。步進(jìn)電機(jī)的控制相對(duì)于其他電機(jī)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步距角數(shù)與輸入PWM 的數(shù)量有關(guān)[3]，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與輸入PWM 的頻率有關(guān)，步進(jìn)電機(jī)的這一工作特性決定了其非常適合用DSP 進(jìn)行控制[4-5]。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，為了提高電路驅(qū)動(dòng)功率、降低驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱量，該文提出一種控制電路選用DSP、驅(qū)動(dòng)電路選用半橋柵極驅(qū)動(dòng)器組成的H 橋恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案[6]。

1 兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

兩相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。步進(jìn)電機(jī)也是一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由兩段一樣且均勻分布的50 個(gè)鋸齒狀鐵芯組成，這兩段鐵芯相互錯(cuò)開半個(gè)齒寬，一端鐵芯為轉(zhuǎn)子的N 極、另一端鐵芯為轉(zhuǎn)子的S 極。定子鐵芯分成對(duì)稱的8 個(gè)“T”形齒，8 個(gè)“T”形齒上繞有材料一致、等長(zhǎng)度的銅芯線圈，每4 個(gè)線圈串成一相繞組，組成A、B 兩相繞組[7]。

圖1 兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)給電機(jī)兩相繞組按一定順序施加電脈沖信號(hào)時(shí)，此時(shí)兩個(gè)繞組會(huì)呈現(xiàn)兩組不同的極性，一組為N極，一組為S 極，其等效磁極示意圖如圖2 所示。此時(shí)定子兩相繞組產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子鐵芯根據(jù)磁場(chǎng)方向被磁通力轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)的磁極處，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。若改變兩相繞組電脈沖的方向，則會(huì)改變定子繞組的磁場(chǎng)方向，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)換向。兩相繞組接收的電脈沖數(shù)量越多電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的行程越長(zhǎng)，接收的電脈沖頻率越高電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快[8]。

圖2 等效磁極圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成框圖如圖3 所示，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂齐娐方邮丈衔粰C(jī)的控制指令來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，控制電路設(shè)有細(xì)分開關(guān)調(diào)節(jié)細(xì)分?jǐn)?shù)。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

由上述分析可知，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量及轉(zhuǎn)速只與施加給繞組的電脈沖有關(guān)，因此，步進(jìn)電機(jī)非常適合用DSP 進(jìn)行控制[9]。綜合性能、價(jià)格等因素，選用TI 公司的TMS320F28034 作控制器。TMS320F28034是一款高效32 位微處理器，它是TI 公司推出的專門面向電機(jī)控制的微處理器，其主頻可達(dá)60 MHz，在處理、傳感、驅(qū)動(dòng)方面進(jìn)行了優(yōu)化，提升了實(shí)時(shí)控制的閉環(huán)性能；RAM 和FLASH 容量大，運(yùn)算快速、中斷響應(yīng)和處理快；多種尋址模式，尋址方式靈活；內(nèi)部設(shè)有一個(gè)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了3.3 V 單電源供電，上電、斷電時(shí)無(wú)需考慮電源順序，可簡(jiǎn)化應(yīng)用電路設(shè)計(jì)；內(nèi)部集成加電復(fù)位、欠壓復(fù)位，便于使用；內(nèi)部集成高精度的模擬比較器，可直接控制產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM 電脈沖，產(chǎn)生的PWM 經(jīng)過(guò)增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器（ePWM）控制可為驅(qū)動(dòng)電路精準(zhǔn)地提供所需的4 路PWM 波。

控制電路圖如圖4 所示?？刂齐娐酚蒁SP 最小系統(tǒng)、通信電路、顯示電路、電流反饋處理電路、細(xì)分設(shè)置電路和濾波電路共同組成。8 個(gè)GPIO 口產(chǎn)生4路PWM 波，H 橋下橋臂電阻電流反饋接入ADC 口，通過(guò)8 位撥碼開關(guān)設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)，設(shè)有兩路LED 燈顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

圖4 控制電路圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有多種，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也有多種[9-10]，結(jié)合電路復(fù)雜程度、編程的難易程度及成本等因素，驅(qū)動(dòng)電路最終確定以下兩種方案：

方案一：通過(guò)高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器（如IRS2003S等）組成的H 橋恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大，調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行[11-12]。該方案的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路由分立器件組合而成，驅(qū)動(dòng)功率大、電路可靠性高、產(chǎn)生的熱量小且散熱快。缺點(diǎn)是用到的元器件較多、電路布線繁瑣、軟件編程相對(duì)復(fù)雜。

方案二：選用步進(jìn)電機(jī)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片（如L298N、DRV8412 等），配置相關(guān)外圍電路組成驅(qū)動(dòng)電路[5,13]。該方案的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、所需元件少、電路布線簡(jiǎn)單、軟件編程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)更大的功率電機(jī)，芯片發(fā)熱量高，芯片溫度過(guò)高就會(huì)進(jìn)入溫度保護(hù)進(jìn)而停止工作，該缺點(diǎn)是致命的，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。

兩種驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)比表

由表1 可知，雖然專用集成芯片DRV8412 控制簡(jiǎn)單、所需的外圍電路簡(jiǎn)單，但其驅(qū)動(dòng)電流較小，且驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)時(shí)其溫度升高特別快，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。

基于以上分析，驅(qū)動(dòng)電路選用方案一。驅(qū)動(dòng)電路選用4 個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器組成H 橋功率放大電路，再配備驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的外圍功能電路。

半橋柵極驅(qū)動(dòng)器選用廣泛使用的高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器IRS2003S 芯片。IRS2003S 是一款自帶隔離雙通道輸入、輸出的功率驅(qū)動(dòng)器；雙通道都設(shè)計(jì)的是懸浮通道,使其廣泛用于驅(qū)動(dòng)N 溝道MOSFET 管及IGBT；使用時(shí)芯片內(nèi)部自行產(chǎn)生靜態(tài)電流，可為高側(cè)電路提供自舉電源，可簡(jiǎn)化電路[14]；柵極驅(qū)動(dòng)電源為寬電壓輸入，10～20 V 都可以，使用方便，在該設(shè)計(jì)中電源采用12 V 供電；具有高、低側(cè)參考輸出通道，所處環(huán)境應(yīng)力的變化對(duì)其性能的影響大大減弱，使其可在惡劣的環(huán)境中正常工作。

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)工作需要四路PWM 信號(hào)，以一路驅(qū)動(dòng)電路為例，控制電路產(chǎn)生一組反相的PWM 脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)IRS2003S 芯片構(gòu)成半橋功率放大電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路圖

圖5 中D5 為快速開關(guān)二極管，可提升C201、C202電容充電電壓、降低電路電能消耗。在驅(qū)動(dòng)電路中將H 橋上橋臂的應(yīng)用電路懸浮起來(lái)，Vs 與M3 MOS 管的源極連接作為該相繞組電壓的參考點(diǎn)[15]。下橋臂M7 MOS 管導(dǎo)通時(shí)，C202電容在自舉電路中的充電電壓為上橋臂的驅(qū)動(dòng)提供電源，使上橋臂M3 MOS 管導(dǎo)通。電路工作時(shí)，HIN 輸入PWM 信號(hào)高電平，則HO 輸出高電平，電容自舉電壓，使得M3 導(dǎo)通，同時(shí)，LO 為低電平，M7 關(guān)斷。使用時(shí)一定要在軟件程序中添加死區(qū)控制，使上、下橋臂的MOS 管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，以免燒毀器件，確保電路安全[16]。R207為該相繞組電流采樣電阻，只有在下橋臂M7 MOS 管導(dǎo)通時(shí)R207才有電流流過(guò)，因?yàn)椴蓸拥碾娏鬏^大，所以R207選用25 Ω電阻。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

為提高驅(qū)動(dòng)電路的電源適用性，驅(qū)動(dòng)電路采用寬電壓供電，電源輸入范圍為DC 24～48 V，高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器IRS2003S 芯片需要12 V 電源，在該設(shè)計(jì)中選用TI 公司的集成電源芯片TPS54160 將輸入電壓轉(zhuǎn)為12 V，12 V 電源電路圖如圖6 所示。

圖6 12 V電源電路圖

主控制器TMS320F28034 需要3.3 V 電源供電。在該設(shè)計(jì)中選用集成電源芯片AP1501-33K5A將12 V 電壓轉(zhuǎn)為3.3 V，3.3 V 電源電路圖如圖7所示。

圖7 3.3 V電源電路圖

2.4 PCB設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理圖、PCB 布板設(shè)計(jì)都是基于AD10 畫圖軟件完成的。AD10 是一款專業(yè)的電子電路制作工具。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是散熱單元的設(shè)計(jì)。散熱單元外形圖如圖8 所示，散熱單元采用鋁合金材料一體化成形設(shè)計(jì)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和散熱性能，散熱單元的底部設(shè)有16 個(gè)散熱槽，增加了散熱面積，有利于加速散熱。

圖8 散熱單元外形圖

驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路上的高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生熱量。安裝時(shí)在驅(qū)動(dòng)電路PCB 板的背面貼上導(dǎo)熱硅膠片，再將驅(qū)動(dòng)電路PCB 板安裝在散熱單元上。這樣，高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱量可以很快地散發(fā)到周圍的環(huán)境中。

4 軟件設(shè)計(jì)

1）主控制器為TI 公司的TMS320F28034，系統(tǒng)軟件開發(fā)基于CCC5.1 開發(fā)環(huán)境，主程序主要完成初始化時(shí)鐘、變量、寄存器、引腳配置、開啟中斷和無(wú)限循環(huán)的功能。主程序的軟件流程如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

程序開始時(shí)先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和變量，然后初始化中斷標(biāo)志并關(guān)閉中斷，配置完外設(shè)后開啟中斷，而后進(jìn)入主程序進(jìn)行循環(huán)，直到中斷到來(lái)。

2）主程序：主程序的關(guān)鍵在于PWM 波形的控制，以其中一路PWM 波形產(chǎn)生的程序?yàn)槔?/p>

PWM 波形產(chǎn)生后還需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，PID 參數(shù)設(shè)置程序如下：

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，提升電路驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)解決了驅(qū)動(dòng)電路發(fā)熱快的問(wèn)題。該驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到了預(yù)期的效果，可長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)5N.M 步進(jìn)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。