基于LPC2132与MTD2009的步进电动机驱动器设计

D

驱动控制󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁riveandcontrol

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁微特电机󰀁󰀁2006年第7期󰀁󰀁

基于LPC2132与MTD2009的步进电动机驱动器设计

兰晓红

(重庆师范大学,重庆400047)

TheDesignofStepperMotorDriverbyUsingLPC2132andMTD2009

LANXiao-hong

(ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China)

󰀁󰀁摘󰀁要:阐述了微步距步进电动机驱动器的组成及设计方法,提出了实现方案。在具体设计中,充分利用LPC2132单片机强大的控制和处理能力,采用了8通道的高速串行DA转换器,实现4路两相步进电动机驱动控制,并已成功运用于医疗仪器自动控制系统中。

关键词:ARM单片机;步进电动机;细分技术;恒流斩波;功率桥

中图分类号:TM383.6󰀁󰀁文献标识码:A文章编号:1004-7018(2006)07-0028-02

Abstract:Thestructureanddesigntechniqueofsteppermotordriverareexpatiated.Andaimplementmethodispresen-ted.Inthisdesign,thehighperformacesinglechipLPC2132isused.Andan8-bitserialinputDAconverterisusedfor4groupof2-phasesteppermotorcontro.lCurrently,thisdriverhasappliedsuccessfullyinthecontrolsystemofmedicaldevice.

Keywords:ARMsinglechip;steppermotor;steppertech-nic;constantcurrentchop;powerbridge

相、三相、四相、五相、六相等。在小功率范围内,最常见的还是两相或四相永磁式或混合式步进电动机。步进电动机本身只是一个将电能转换为动能的设备,它必须与相应的电子驱动电路配合才能工作。步进电动机驱动电路,接收数字控制信号

(脉冲信号、方向信号等),由数字编码电路或微处理器完成脉冲编码,产生控制信号,控制输出功率桥电路,使得步进电动机相电流按规律变化,达到驱动步进电动机的转动控制目的。

设计一个高性能且稳定可靠的步进电动机驱动器,必须处理好如下相关的技术问题。

脉冲编码及分配电路可采用数字逻辑电路、微处理器软件编程或专用集成芯片实现。采用数字逻辑电路或CPLD器件设计,可以使驱动器达到很高的工作频率,常用于高速步进电动机驱动器设计中。微处理器软件编程可以实现脉冲编码及脉冲分配,且非常灵活,但处理器执行指令需要时间,主要用于中低速的步进电动机驱动设计中。专用集成电路脉冲分配器速度高,性能稳定可靠,由于设计灵活性不够,只能与专用的器件配合使用

(1)微步距控制设计

步进电动机的微步距控制是提高电机运动性能的最主要技术手段。为了使电机平稳转动,功率输出级的恒流斩波驱动方式是最常用的获得高性能的方式之一。恒定的相电流大小由一个电流取样比较器的参考电压决定,参考电压值由可用D/A转换器产生,D/A转换器一般由微处理器控制,从而实现相电流的细分控制。

(2)输出功率桥设计

三相、四相步进电动机采用单极性驱动,两相步进电动机采用双极性驱动,即采用H功率桥。功率输出级一般采用功率晶体管或MOS功率管设计,在中小电流的驱动器设计中一般采用功率晶体管,而在大电流的驱动器设计中普遍采用MOS功率管。功率管的工作电流、电压是设计中必须考虑的参数,功率管必须要有很好的散热设计。

[3]

[1]

在自动控制领域中,越来越多的系统采用了控制简单、运动位置准确的步进电动机。特别是在精

密控制系统中,对电机的运动位移、转动角的精确控制,以及运动平稳性和电机抖动、噪声等都提出了很

基于

高的要求。微步距控制技术(细分技术)是步进电动机开环控制最重要技术之一,利用单片机数字处理和D/A转换控制技术,将电机各相绕组电流通过PWM控制,获得按规律改变其电流幅值的大小和方

。

与

向,实现将步进电动机一个整步均分为若干个更细的微步。每个微步可以是原来的基本步距的几十分之一,甚至几百分之一。

微步距技术使步进电动机步距细化,运动分辨率得以提高,震动、噪声和转矩波动得到很大改善,运转更为平稳,使得步进电动机在高级、精密控制系统中获得了广泛的应用。

的步进电动机驱动器设计

1步进电动机驱动器设计要点及相关技术

步进电动机根据结构不同,主要分为永磁式、反应式、混合式三种。根据线圈绕组数不同,可分为两

󰀁28

收稿日期:2005-09-12

󰀁󰀁微特电机󰀁󰀁2006年第7期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

驱动控制󰀁󰀁D

riveandcontrol

(3)信号隔离与保护电路设计

余弦表定义为:

由于步进电动机驱动器一般都需要较高的工作shortsinTableA[4*64]={A1,A2,󰀁..A255};电压,为了防止高电压对输入级的意外危害,必须对shortcosTableB[4*64]={B1,B2,󰀁..B255};输入驱动器的信号采用光电隔离。同时,由于功率这里Ai=(short)(sin(1.40625*i)*64);

//i=0,1,󰀁,

级输出电流较大,连续工作时发热量较大,必须要有255

过热、过流保护措施,保证驱动电路稳定可靠工作。

Bi=(short)(cos(1.40625*i)*64);//i=0,1,󰀁,255

2步进电动机驱动器硬件系统设计

单片机采用外部中断的边沿触发方式接收外部下面以两相步进电动机驱动器设计为例,实现脉冲信号,通过D/A转换器向电机控制器发送控制一个64细分的4路步进电动机驱动器。

电压。以其中第一路脉冲中断服务程序为例,设计硬件组成框图如图1所示。

如下:

void__irqIRQ_Eint1(void){

󰀁staticinti=0;

Mot1DrvOut(sinTableA[i],cosTableB[i]);/*输出AB相控制电压*/i++;

if(i==4*64)i=0;

图1󰀁硬件系统原理框图

EXTINT=1<<1;/*清除EINT1中断标志*/LPC2132为32位ARM7单片机,工作速度可达VICVectAddr=0;/*向量中断结束*/60MHz。由于LPC2132有非常高的控制和处理能}

voidMot1DrvOut(shortAvalue,shortBvalue)力,用于同时处理4路脉冲信号输入,通过高速SPI{总线控制TLC5628输出模拟控制电压[2]

。

󰀁

if(Avalue>0)TLC5628为SPI接口的8通道8位D/A转换{

器,建立时间可达8󰀁s,用于实现4路步进电动机󰀁󰀁PAHSE1A_SET();/*IO口控制MTD2009A相64电流细分控制。具有两路参考电压输入,用于调电流方向*/节4个电机的最大相电流。

}elseMTD2009为恒流斩波步进电动机驱动控制器,{

在一个芯片中集成了两路两相步进电动机控制驱动PAHSE1A_CLR();/*IO口控制MTD2009A相电路。逻辑控制电压5V,输出驱动级工作电压5~电流方向*/

35V,输出电流1.2A,恒流斩波频率由外部RC电Avalue=-Avalue;}

路决定,具有过热、过流保护。

if(Bvalue>0)3步进电动机驱动器控制软件

{

PAHSE1B_SET();/*IO口控制MTD2009B相

两相步进电动机A相、B相的电流大小和方向,电流方向*/决定了电机的转动力矩大小和转动方向。为了使每}else次转动保持恒定的转动角和转动力矩,对A相、B相{

电流通过单片机进行控制。设某一时刻A相控制PAHSE1B_CLR();/*IO口控制MTD2009B相

电压V电流方向*/

a1=sin󰀁1,B相控制电压Vb1=cos󰀁1,对于恒流斩波驱动电路,相电流正比于控制电压,合成转矩Bvalue=-Bvalue;为1。同样下一时刻A、B两相控制电压分别为V}

a2DacOut(0,Avalue);/*TLC5628通道0D/A输出=sin󰀁2,Vb2=cos󰀁2,合成转矩也为1,保持了每一*/

时刻转矩相等。

DacOut(1,Bvalue);/*TLC5628通道1D/A输出对于64细分,每次转动角为360/4/64=*/

1󰀁40625󰀁。对于LPC2132单片机,内部有64kBDacUpdate();/*TLC5628输出电压更新为设置值

Flash和16kBRAM,将A、B相的正、余弦表存储于*/Flash中,用查表方式输出控制电压。A、B相的正、

}

(下转第42页)基

于

与的

步进电动机驱动器设计

29

󰀁󰀁󰀁

E

企业专访󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁nterpriseInterview

󰀁󰀁󰀁󰀁微特电机󰀁󰀁2006年第7期󰀁󰀁

客户对我们产品质量的肯定和信任。󰀁国家免检󰀁资格的获得是通过公司保证和提高产品质量工作的长期努力和积累,来之不易。我们将给予充分的珍惜和呵护,维护󰀁国家免检󰀁的崇高信誉,使免检成果进一步巩固和扩大。获得󰀁国家免检󰀁,我们企业对国家、对社会、对客户作出了郑重的承诺,我们将更加重视质量管理和质量保证体系的有效运行,不断提高产品质量和服务质量;我们把󰀁国家免检󰀁资格的获得作为公司质量工作的新起点,要增加投入,加快产品结构调整,增加提高产品的技术含量,集中精力抓质量管理和技术培训,进一步提高产品竞争力,使我们的产品成为󰀁中国创造󰀁的免检产品。为此,在公司内开展󰀁免检员工、放心员工󰀁和设计加工制造实施󰀁三不󰀁(不接受不合格品、不制造不合格品、不流出不合格品)活动,进一步激发员工的质量意识,促进员工综合素质的提高,以员工娴熟的操作技能和优秀的职业道德来确保产品质量。

编辑部:中国制造业界都在讲要使󰀁中国制造󰀁走向󰀁中国创造󰀁,请许总谈一谈联宜电机怎样走向󰀁中国创造󰀁?

许总:要使󰀁中国制造󰀁走向󰀁中国创造󰀁,联宜电机重点在两个方面。

首先,我们以󰀁品牌发展󰀁为中心创建先进制造业。中国的制造业,更多重视产品的生产和销售,以求产品卖出去求得产量的提高,相对忽视品牌创建和建设。所以,中国制造业即使有很好的产品,也很少有自己的民族品牌,结果是将产品的绝大部分利润在不知不觉中让给人家而企业却成为外国大公司的制造工厂。不认识、不重视品牌已严重影响和约束制造业的发展。我认为品牌是企业核心竞争力中最重要的因素之一,品牌建设是󰀁中国制造󰀁走向󰀁中国创造󰀁的中心环节,我们将创建自主品牌作为企业的重要使命。(上接第29页)

其余三路脉冲输入处理的中断服务程序与此类似。

单片机控制软件中,电流细分计算与控制、脉冲输入处理是最主要的部分,再配上适当的初始化程序,即可实现完整的微细分步进电动机驱动控制器。

󰀁󰀁其次,实施自主知识产权战略是使󰀁中国制造󰀁

走向󰀁中国创造󰀁的关键。中国制造业要走向国际,参与国际竞争面临知识产权和技术方面的非关税壁垒。发达国家的企业,特别是许多跨国公司都把知识产权发展作为企业发展扩张的重要战略。因此,联宜电机公司提出围绕知识产权发展企业品牌的发展战略。

实施知识产权战略,必须提高企业的自主创新能力。为提高企业自主创新能力,我们在企业内部培养一大批具有创新能力的科技人员,实现󰀁项目负责人󰀁制度,促进创新型人才的快速成长和创新成果的出现;外部与大专院校、科研院所合作实施创新项目,同时聘请国内外著名电机和控制专家为联宜的技术顾问和首席科学家,指导企业的技术创新。我们󰀁产、学、研󰀁相结合提高企业自主创新能力。到2005年底,公司已拥有自我知识产权的专利360余项,其中国际专利20多项,公司成为󰀁浙江省专利示范企业󰀁和󰀁国家知识产权试点󰀁企业。编辑部:感谢许总接受我们的报道,希望横店集团联宜电机有限公司在您的带领下,保持旺盛的发展生命力,再接再励,成为微特电机行业的先锋企业。参考文献

[1]󰀁谭建成.电机控制专用集成电路[M].北京:机械工业出版社,

2003

[2]󰀁周立功.ARM微控制器基础与实战[M].北京:北京航空航天

大学出版社,2003

[3]󰀁邹丽新,朱枯荣,陆家昌等.精密控制系统中步进电动机的电

细分技术研究[J].电子技术应用,2005,31(5):39~41

󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

4结󰀁语

作者简介:兰晓红(1968-),女,副教授,主要从事嵌入式系统

采用LPC2132与MTD2009设计的多路步进电动机驱动器,具有输入脉冲频率高(最高可达100kHz),并且功耗低、输出电流大、噪声小、成本低廉󰀁42

等特点,可广泛应用于医疗设备、自动控制系统中。

开发与研究。

󰀁󰀁为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码:

有价值,请圈19;没有价值,请圈20。