電子設計 發表於 2019-09-11 07:52:00
步進電機作為執行器件，廣泛用於各種類型的自動控制系統。它是一種將離散的電脈衝信號轉化成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置。它輸出的角位移與輸入的脈衝數成正比、轉速與脈衝頻率成正比，是一種輸出與輸入脈衝對應的增量驅動元件。然而由於其步距角較大，往往滿足不了某些高精密定位、精密加工等方面的要求，因此實現細分驅動是減小步距角、提高步進解析度、增加電機運行平穩性的一種行之有效的方法。
在實際應用中，往往要求電機運轉過程中在轉速滿足要求的同時，力矩要足夠大，而電機的轉速與力矩恰是一對矛盾體，轉速相同時電機的起動力矩要小於運行力矩，所以實際應用中要根據電機負載力矩來確定啟動頻率與運行頻率。
本文將給出一種基於A3972驅動晶片的驅動模塊設計，以滿足實際生產中精密定位的需求，並給出一個合理的加速曲線，以解決電機的啟動力矩與轉速的矛盾。
A3972控制晶片
A3972是Allegro公司的64細分雙DMOS全橋微步距PWM步進電機驅動集成電路，CPU可通過時鐘、數據、選通3線串口對其進行控制，包括步進電機的方向、速度、步進法（細分）的設置。控制指令以串行數據形式通過兩個字的格式寫入，一個為橋電流數據字，一個為控制時間數據字。它的工作電壓可達50V，驅動電流達1.5A，一個A3972即可驅動一臺二相步進電機。
A3972具有優良的特性，晶片內部的SPWM電流控制電路可通過串口設置其工作在整步、半步、1/4步等，最多可至1/64步，每一步的負載電流可以按最大值的1.56%增量進行設置。其特有的電流慢、快、混合等3種電流衰減模式可以使步進電機工作在不同的負載和轉速下，而且都能獲得較理想的電流波形。另外，它易於與單片機接口，控制方式靈活。
A3972的功率驅動採用DMOS結構及高速SPWM開關模式，因此功耗極小，基本可不用散熱器，可降低成本（去除散熱器）和體積。
A3972還能提供完善的保護措施，其中包括抑制瞬態電壓、過熱保護、防止電流直通、欠電壓自鎖等功能。因此，A3972不失為一種高性能的串行控制步進電機微步距驅動器。
系統硬體設計
本步進電機驅動模塊的設計是應用於本研究所研發的自動收發卡機的收發卡機構。根據使用需求，整體系統的硬體設計，大致可以分為控制部分、驅動部分、切換部分及電源部分。
如圖1所示，系統主要由控制、驅動、切換及電源四部分組成。
控制電路
控制接口由三種控制信號組成，分別是方向控制信號、使能控制信號及切換控制信號。實際應用中按需要給出這三種控制信號的高低電平（5V）即可方便、有效地控制電機的運轉。
控制部分的核心是單片機及其控制軟體，通過光隔電路接收由自動收發卡機主控器給出的各種控制命令，結合細分選擇開關的設置，按需求通過3線串行接口控制著步進電機的細分倍數、運行脈衝頻率、正反轉、運行速度、單次運行線位移、啟停以及切換不同工位電機等。
該部分電路主要由單片機及其外圍電路組成（見圖2）。單片機選擇8051 單片機STC12C4052，具有速度高、可靠性高、在系統可編程等優點。S1撥碼開關為細分選擇開關，根據S1的值可通過串口（STR、CLK、DATA）設置電機工作在整步、半步、1/4步、1/8步、1/16步、1/32、1/64等多種方式下。
驅動電路
驅動部分是電機可靠運行的關鍵，本部分除可按命令完成驅動電機的正反轉、加速啟動、停止等功能外，還需考慮降低功耗和體積。印製電路板布線應採用粗地線，A3972直接焊接在印製板上，可以提高電路的電氣性能和散熱性能。
A3972的外圍電路簡單，只需要少量的外部元器件和幾根控制線就可構成一個完整的微步距驅動二相步進電機電路（見圖3）。撥碼開關S2用來設置橋輸出的最大負載工作電流ITRIPMAX = VREF/（Range × Rs），不同的設置VREF的值不同。如撥碼開關的第一位導通，則VREF=1.25（1+R10/R11）。其中Range由控制字0決定，本文中Range值為8，Rs值為0.22Ω。
切換電路
由於自動收發卡機的設計是基於雙工位（工作通道）的，所以本驅動模塊內部自帶電機切換電路，可以驅動分時工作的兩路電機。切換部分由低功耗的MOS對管集成晶片及外圍電路組成（見圖4）。
電源（DC/DC變換）電路
為了使模塊的控制部分有一穩定的工作環境（包括電壓穩定、抗幹擾等），電源部分採用小功率DC/DC變換晶片做成24V—5V的開關穩壓電源（非隔離型），供模塊內控制部分使用。另加入過壓保護、電源方向保護電路，以提高可靠性，如圖5所示。V1為特快速整流二極體，這裡可以起到電源方向保護的作用。D1的輸出電壓為VOUT=1.25（1+R2/R1），給D2提供一個相對穩定、安全的輸入電壓，再經過D2電壓轉換為VOUT=1.25（1+R4/R5）即5V。
系統軟體設計
系統軟體設計是設計的關鍵部分，電機每轉動一步都是由單片機軟體向驅動晶片寫入控制字0、控制字1來實現的，所以控制字值的設定是設計的關鍵，本文還給出一個合理的加速曲線，以解決電機的啟動力矩與轉速的矛盾。
如圖7電機正反轉流程所示，電機每轉動一微步，需要向控制字0寫入兩路橋電流，而橋電流由6位線性DAC值決定，結合細分值、電流方向和電流衰減模式將DAC值按一定規律寫入驅動晶片即可。
電機啟動的加速過程分為5個速度等級，電機啟動時設定速度等級SpeedNo為0，以最小恆速位移為單位，逐漸提高速度等級，並通過設置定時器T0的值來作為兩個微步之間的時間延時，從而改變步速。圖8速度延時流程中Flag為延時結束標誌位，定時器T0溢出時置位。
結語
該驅動模塊已用於本研究所研發的自動收發卡機項目，驅動42系列兩相步進電機，步距角為1.8°，為了進一步提高步進電機定位精度和系統的運行平穩性，採用細分級數為16。從運行的實際情況看，該步進電機驅動器實現了較高的穩速精度，運行可靠，取得了滿意的效果。
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