設計更高效的步進電機控制子系統(tǒng)

  現(xiàn)代步進電機驅動系統(tǒng)通常使用集成電源 IC 來驅動電機，并可能集成一些簡單的控制，如電流控制。更的控制 IC 還集成了一個狀態(tài)機來控制電機的步進序列。通常，步進時間和運動曲線由外部微控制器或 ASIC 中的專用邏輯控制。

   對于多電機控制，要么為每個電機復制專用邏輯，要么微控制器為每個被控制的電機加載額外的軟件。

   新型 IC L6470 通過將數(shù)字控制與驅動器 IC 集成，簡化了多電機控制的實施。在電壓模式下工作，該 IC 能夠以高達 1/128 微步進的速度管理用戶定義的運動曲線，同時主微控制器上的負載。

   在此實現(xiàn)中，單個微控制器可以輕松管理多個電機，因為它只需向 IC 發(fā)出運動命令。用于步進電機的控制器 IC L6470 在單片 IC 上集成了功率級和數(shù)字控制。

   該設備可以通過 SPI 接口接收運動曲線命令，并使用編程的加速度和速度曲線自主執(zhí)行完整的運動。它還可以自動加速電機并使其以編程速度運行。

  該器件的框圖如下 圖 1 所示。控制邏輯是一個可編程狀態(tài)機，可以接收和存儲加速率、減速率、啟動速度、運行速度、相電流控制 (PWM) 參數(shù)和步進模式的參數(shù)。

   圖 1：顯示的是控制器 IC 的框圖。

    控制器支持從整步到 1/128 微步的八種步進模式。對于任何選定的步進模式，內(nèi)部位置計數(shù)器計算步數(shù)或微步數(shù)，以與步進模式相同的分辨率連續(xù)跟蹤電機位置。

  以 1/128 微步為單位旋轉每步 1.8 度的電機一整圈將使位置計數(shù)器增加（或減少）25,600 個計數(shù)（128 * 200 步）。所有運動參數(shù)和運動命令均通過 SPI 接口接收。

     命令，如向前移動若干步，由控制輸出步進時間和步數(shù)的控制邏輯解釋，以將電機從起始速度加速到運行速度并返回停止，同時移動總步數(shù)命令的步驟。

復雜的運動可以通過編程排隊并發(fā)送一組運動命令來通過 SPI 發(fā)送到設備，從而顯著減少微控制器的開銷。

移動、位置指令

Digital Core 可以執(zhí)行五個移動命令和四個停止命令，包括 下面表 1 中列出的命令。

表 1：Digital Core 可以執(zhí)行五個移動命令和四個停止命令 。

在進行任何運動之前，運行參數(shù)、速度、速度、加速度、減速度和其他操作值是使用 SPI 接口上的 SetParam 命令設置的。為確保運動完整性，許多運動配置文件設置在運動期間被鎖定，并且只能在電機停止時更新。

移動命令的典型移動配置文件如下 圖 2 所示。當設備收到移動命令時，它會計算所需的配置文件并執(zhí)行配置文件以從速度加速到速度并返回到距離起始位置 N 步的位置，所有這些都在數(shù)字硬件的控制下。

   圖 2：顯示的是典型的運動曲線。

   GoTo 命令告訴驅動器根據(jù)內(nèi)部 22 位位置計數(shù)器將電機移動到特定位置。有兩個 GoTo 命令，一個將沿指定方向移動，另一個將沿直接的路徑移動，確定移動少步數(shù)到達所需位置的移動方向。

  對于以 1/128 微步每步進 1.8 度的電機操作，22 位位置計數(shù)器的分辨率相當于電機的大約 164 轉。即使有顯著的齒輪減速，可用的分辨率仍然在位置計數(shù)器的范圍內(nèi)。

   GoTo 命令的移動配置文件看起來與 Move 命令相同，但會自動計算步數(shù)以到達命令的位置。Run 和 GoUntil 命令用于以恒定速度運行電機，直到收到停止命令 (Run) 或發(fā)生外部事件 (GoUntil)。

    當收到停止命令時，設備會硬停止或減速停止，具體取決于命令。也可以命令設備硬停止或軟停止，然后使輸出處于三態(tài)。

  圖 3：多個運行命令可以實現(xiàn)復雜的運動 。

    可以使用一系列運行命令執(zhí)行復雜的運動，如上 圖 3 所示。每次收到新的運行命令時，設備都會將電機加速或減速到新的命令速度，并繼續(xù)以該速度運行，直到收到下一個運行命令或停止命令。當接收到反轉運動方向的命令時，電機會減速到速度，然后加速到相反方向的速度。

    通常，步進電機驅動器設計為在電流模式下運行，電流控制器檢測和控制繞組電流。這使設計人員能夠在很寬的速度和電源電壓波動范圍內(nèi)保持所需的扭矩。

   這對于整步和半步驅動器非常有效，并且實施起來非常簡單。大多數(shù)設計人員都避免使用電壓模式進行微步進驅動，因為隨著速度的增加，峰值電流可能會因電源電壓的變化和電機反電動勢的增加而變化很大。然而，這兩個因素都可以通過數(shù)字控制進行補償。

為實現(xiàn)電壓模式驅動，輸出脈沖寬度由 PWM 計數(shù)器/定時器電路控制，該電路以數(shù)字方式設置輸出占空比。L6470 通過向電機繞組施加電壓來控制相電流。

相電流幅值不是直接控制的，而是取決于相電壓幅值、負載轉矩、電機電氣特性和轉速。有效輸出電壓與電機電源電壓乘以系數(shù) (KVAL) 成正比。KVAL 的范圍是電源電壓的 0% 到 100%。

在微步進中，此峰值然后乘以調制指數(shù)以生成具有選定步進數(shù)的正弦波。峰值電壓值由以下等式給出：

VOUT = VS * KVAL

可以計算 KVAL 的值

從公式：

KVAL = (Ipk x R)/VS

在哪里

Ipk = 所需的峰值電流

VS = 典型電源電壓

R = 電機繞組電阻

該器件包括允許為加速、減速、恒速運行和保持位置設置不同 KVAL 設置的寄存器，以便在運動曲線的每個部分輕松允許不同的扭矩設置。

BEMF補償

如果在整個速度范圍內(nèi)向電機提供相同的峰值電壓，則電流會隨著速度的增加而下降，因為電機的 BEMF 有效地降低了施加到線圈的電壓。 下面圖 4 左側的波形顯示了電機在沒有 BEMF 補償?shù)那闆r下的運行情況。

圖 4：所示為具有和不具有 BEMF 補償?shù)南嚯娏?nbsp;。

隨著速度的增加，BEM 線性增加，并且由于線圈兩端的電壓實際上是施加的相電壓減去 BEMF 電壓，因此電流減小。

為了補償 BEMF 的增加，該器件在 KVAL 中加入了一個額外因子來補償 BEMF。本質上，這是添加到初始 KVAL 設置以抵消 BEMF 的補償（下圖 5）。

圖 5：所示為 BEMF 補償曲線。

由于 BEMF 與速度成正比，因此該補償因子以斜率給出，以便可以根據(jù)斜率和當前速度計算實時補償。該設備具有不同的補償值。

個是應用于電機的標準值，從零速開始直到速度達到交叉速度參數(shù) INT_SPEED 設置的閾值。在相交速度之上，可以通過兩個額外的斜率項來調整斜率，一個在恒速操作和加速期間使用，另一個在減速期間使用。

正確設置 BEMF 補償后，峰值電流將在整個運行速度范圍內(nèi)基本保持恒定，如圖 4 所示。 下面的圖 6 顯示了電機加速時的實際電流波形。

  圖 6：所示為具有 BEMF 補償?shù)南嚯娏鳌?/p>

   電源、相電阻

    影響相電流的另外兩個主要因素是電機電源電壓和相電阻。由于該器件在電壓模式下運行，控制輸出占空比，任何一個的變化都會直接影響相電流。

  在未穩(wěn)壓的電源上運行時，電機驅動器電路的電源電壓可能存在大量紋波。

    隨著電源電壓的變化，電機電流也會發(fā)生變化。如果電源電壓上的紋波很大，則如果電機電流降得太低，則存在電機失速的風險。該器件包括對電源變化的補償（ 下圖 7 ）。

    圖 7：該設備包括對電源變化的補償。

    在該電路中，內(nèi)部 ADC 測量電源電壓，然后在數(shù)字內(nèi)核中實施的補償算法計算出適用于 PWM 占空比的適當補償因子，以在電源電壓變化時保持恒定的輸出電壓幅度。

   電機發(fā)熱時相電阻的變化也會直接影響相電流。KTHERM 設置用于補償由于電機內(nèi)部加熱引起的相電阻變化。

   驅動微控制器中的軟件可以監(jiān)控或估計電機溫升并設置 KTHERM 值以補償因溫度升高而導致的電機電阻增加。例如，可以使用一個簡單的算法來測量電機在移動之間停止期間的電阻，然后根據(jù)測得的電阻調整 KTHERM 的值。

   結論

   L6470 中實現(xiàn)的功能允許設計人員實現(xiàn)電壓模式微步驅動，并補償過去使用電流模式驅動已克服的典型系統(tǒng)變化。

總體而言，系統(tǒng)可以運行得更加平穩(wěn)，并且沒有電流模式驅動器常見的典型限制。使用基于數(shù)字的電壓模式 PWM，可以輕松植入每步高達 128 微步的微步驅動器。

與電流模式實施相比，正弦波曲線更準確并允許更高的位置分辨率，并且電壓模式操作大大降低了系統(tǒng)中的共振。

此外，該器件中實施的數(shù)字運動引擎極大地減少了系統(tǒng)微控制器的負載，并消除了對多電機應用有時需要的專用微控制器的需求。