细分驱动电路

细分驱动电路（精选八篇）

细分驱动电路 篇1

步进电机是一种将离散的电脉冲信号转化成相应的角位移或线位移的电磁机械装置,是一种输出与输入脉冲对应的增量驱动元件。该元件具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点[1,2]。

很多控制器都可以用作步进电机的细分控制,如80C196MC和AT89C51[2,3],ARM也是一个好的选择[4]。IM2000S是IMS公司推出的一款高性能的步进电机细分控制专用ASIC,内部集成了正弦/余弦信号发生器,抗谐振电路,PWM电流控制电路等[5,6]。但是,由于IM2000S是ASIC,内部结构固定,不能满足不同条件下的一些特殊要求,因此在应用的灵活性方面有所不足。

本文提出了基于FPGA控制的斩波恒流细分驱动方案,驱动器总体结构参考IM805[6],由FPGA实现IM2000S的功能[5]。该方案具有运行功耗低,可靠性高,线路简单、精确度高、性能稳定等特点,具有很强的实用性。

1 步进电机细分原理

步进电机的细分控制,从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制,使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场,从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下,合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小,相邻两合成磁场矢量之间夹角的大小决定了步距角的大小。因此,要想实现对步进电机恒转矩的均匀细分控制,必须合理控制电机绕组中的电流,使步进电机内部合成磁场的幅值恒定,且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。

图1所示的是两相步进电机细分驱动的原理。如果将A相通电时磁场方向定义为起始位置“0”,从A相正向通电、B相断电变为B相正向通电、A相断电,磁场方向旋转了90°,这是步进电机整步运行的情况。如果A相、B相同时通电且电流相同,合成矢量为图1中位置2所示方向,这是步进电机半步运行的情况。若以A相或B相单独通电时产生的磁场大小为半径(用R表示)画四分之一圆弧(如图1所示),即可算出位置“1”时的两个磁场分量A1=Rsinθ1和B1=Rcosθ1,同理可以算出A2=Rsinθ2,B2=Rcosθ2,A3=Rsinθ3,B3=Rcosθ3。由于步进电机的运行依赖于电机内部定子绕组产生的合磁场,它依赖于两个绕组产生的分磁场的大小和方向。而每个绕组所产生的分磁场的大小和方向又依赖于该绕组中电流的大小和方向。因此可以通过合理地选择两个绕组中的电流,实现步进电机的恒定转矩的细分驱动控制。

由图1可知,在两相步进电机转动的时候,如果两个绕组中分别通过幅值和频率相同的波形为正弦和余弦的电流,必然合成幅值恒定并且旋转的磁场。电流的幅值决定磁场的强度,从而决定了输出转矩的大小;电流的频率决定了磁场的转速,从而决定了步进电机的转速。

2 细分驱动电路硬件设计

2.1 硬件电路总体结构

图2为驱动电路原理框图。系统以FPGA为核心,外加两个8位D/A转换芯片TLC7524、两个比较器LM339、两片全桥驱动芯片HIP4081以及3端可调恒流源LM234、高达10MHz的高速光耦6N137和普通光耦TLP521等构成[6]。

驱动电路可以划分为6个功能模块:FPGA逻辑电路、工作电流设定电路、D/A转换电路、全桥驱动电路、输入隔离电路、反馈电路。各部分的主要功能如下。

1)核心控制芯片EP1C3T144C8,内嵌cos/sin

函数发生器,保护电路,输出全桥控制信号。

2)电流设定电路采用以LM234为主,设计成无温漂恒流源,通过外接一个1%的电阻,可以很方便地设定D/A变换器的参考电压。

3)D/A转换电路,将FPGA端口cos/sin输出的8位数字信号转换成对应的正弦或余弦模拟电压信号,与电流采样值相比较,作为FPGA的CAPV/CBPV(A/B相电流比较结果)的输入信号。

4)全桥驱动电路在CAPV/CBPV的控制下,通过全桥驱动电路,给出PWM信号,驱动电机运转。

5)以6N137,TLP521光耦构成的输入隔离电路,避免驱动器的强电干扰进入多轴控制器。

6)以比较器LM339构成的反馈电路,使绕组实际电流实时跟踪FPGA输出的设定电流。

在该细分驱动电路中,细分控制器采用Altera公司的cyclone系列芯片之一的EP1C3T144C8。该芯片含有丰富的资源,有2910个逻辑单元,59904 bits RAM,可编程IO口高达104个,能满足细分驱动电路的所有要求。

细分驱动电路工作原理:首先通过光耦将外部控制信号SCLK,DIR等送入FPGA,FPGA在控制信号的作用下,读出存储在其内部RAM中的两相绕组的细分电流参考值,经过8位D/A芯片TLC7524转换成模拟量,再与绕组取样电流进行比较。FPGA根据比较结果,输出斩波控制信号,控制全桥驱动芯片HIP4081,由HIP4081驱动各MOS管的导通和关断,实现绕组中电流的闭环控制,从而完成步距的精确细分。恒流源LM234通过串接不同阻值的电阻,实现电压可调的电压源,接入TLC7524的Vref脚,实现D/A输出信号幅值的可调,从而实现步进电机输出转矩的可调。

2.2 斩波恒流电路设计及控制策略

斩波恒流驱动技术,即为了使绕组中的电流为一个特定的值,按照某一固定频率,采样输出电流,并与设定的电流作比较,MCU通过比较器的输出信号,调制相应斩波控制信号,控制绕组的通电时间,使反馈电流始终跟随DAC转换输出的设置电流。合理选择续流回路与续流时间,就可使绕组中的电流值在一定的平均值上下波动,且波动范围不大。

驱动电路板上提供了一个20MHz的有源晶振,FPGA通过内部的分频电路,生成频率为20kHz的时钟,实现定频斩波控制,且两相是同频斩波,不会产生差拍现象,消除了电磁噪声。

全桥驱动电路如图3所示。它以HIP4081为控制器,该芯片功耗极低,可以提供1MHz的开关速率,工作电压12V,输入兼容5~15V的逻辑电平。功率开关管是功放电路中的关键部分,影响着整个系统的功耗和效率。选用高频MOS功率场效应管IRF540作为开关管,其参数为:VDS=100V,RDS(on)=44mΩ,ID=33A。IRF540导通电阻很小,因此,即使电机长时间运转,MOS管本身的温升较低,无须外加风扇。

HIP4081驱动芯片的输入信号HLB, LLB, HRB, LRB是来自FPGA的控制信号。由D/A转换电路输出的阶梯电压Vcos,作为电枢电流的跟随电压基准。 R5,R6为阻值0.2Ω的电枢电流采样电阻,其上电压信号经滤波后与Vcos相比较。比较器LM339的输出作为FPGA的CBPV输入,FPGA根据CBPV以及cos的相位,输出控制信号HLB,LLB,HRB,LRB,从而控制全桥驱动芯片的输出。

全桥电路的电枢电流有两种传统的控制模式:续流模式和非续流模式,各有优缺点。

续流模式在驱动低电感电机时,效率较高,但是这种模式使电流下降速率较低,在cos/sin波形下降时电流不容易减小,动态响应性能不够好;非续流模式虽然有较好的动态响应性能,但降低了电源的效率,增大了电流纹波,不利于控制低电感电机。

针对这两种电枢电流模式各自的优点与不足,本文提出了通过续流模式和非续流模式的交互使用来实现电枢电流的控制。在cos/sin波形上升时,采用续流模式,这种模式使得驱动器能以最大效率运行,而且驱动低电感电机能显著减小其电流纹波;在cos/sin波形下降时,为了迅速减小电枢电流,以非续流模式作为电流控制策略。

3 FPGA软件设计

3.1cos/sin查表设计

设计过程中,先通过C语言编写幅值为255的sin和cos函数,获取函数一个周期内的1024个波形数据,采样值均为8位的2进制数。将获取的sin和cos函数的1024波形数据,通过WAVE编译器,以单片机编写.ASM的数据表格的形式,编写成.ASM文件,编译后分别生成16进制文件sin_data.hex与cos_data.hex,在Quartus中转化为.mif文件。利用Quartus II中的MegaWizard Plug-In Manager,将FP1C3T 144C8内部RAM中的16384位,例化为数据位宽为8位,深度为1024的两个ROM,嵌入sin_data.mif与cos_data.mif,分别用作电机A相和B相的位置参考[7]。FPGA在方向信号DIR和时钟信号SCLK的控制下,向波形数据ROM发出地址信号,每输入一个SCLK信号,其值就会根据DIR的值增加或减小一个数字量,数字量取决于细分精度。FPGA输出的cos/sin信号直接输入到D/A转换器,从而产生阶梯电压,每输入一个SCLK信号,阶梯电压就变化一次,使电机转子走一微步。这样8位的cos/sin输出信号,就可以对步进电机实现最大256细分。

3.2 其他功能模块设计

通过设定微步选择输入(MESEL0-MESEL3)(MECHAN=1)或者(MESCC0-MESCC3)(MECHAN=0),FPGA可以设置8种细分精度,允许随时改变细分精度,在下一个SCLK的上升沿精度得到锁存而有效。之所以有两种步进电机细分驱动方案,是便于用户在实际应用中,实现硬件和软件相结合的细分精度选择。同时,驱动器通过采样电机的电枢电流,与cos/sin经D/A转化后的阶梯电压相比较,比较结果通过CAPV/CBPV输入FPGA,控制全桥驱动信号输出,来实现恒频脉宽细分调制。

FPGA内部包括一个自动减小绕组电流的电路,它将在最后一个SCLK时钟上升沿后大约1s,使CURR自动输出高电平。配以极少的外部元件就可以在电机静止时,降低绕组中的电流。在下一个SCLK时钟的上升沿到来时,FPGA会复位CURR。这个特点可以大大降低静止时电机和驱动器的热量,在不需要全部的保持力矩的系统中,它将增加电源的效率[7]。

FPGA中还设有保护电路,配以少量相关元件,可以对功率管过热、输入电压过高、绕组过流等情况进行监控,一旦有上述情况发生,将使输出的FAULT脚置为高电平,与此同时,内部的一切电路停止工作。复位后电路方可重新工作。

此外,FPGA还输出整步信号FULLSTEP,每走完一整步,FULLSTEP输出一个脉冲,这样便于运动中,既使不需要反馈,也能根据该信号,计算步进电机走的行程,常用于步进电机的位置控制,尤其是长距离位置控制[5]。

4 FPGA软件仿真结果及结论

FPGA的程序设计、综合在Quartus中完成,功能仿真、时序仿真在Modelsim中完成,取得了预计效果。仿真分为如下几部分。

1)FPGA内嵌分频器,提供斩波时钟以及自动降低绕组电流电路的定时时钟。图4给出了相应的仿真时序图。RCLK为外输入的时钟(20MHz),CLK_CUR为斩波时钟。为了演示波形关系,定时时间小于1s。

2)cos/sin函数波形时序仿真,包括电机运动中换向、改变细分,以及出现故障等情况的仿真。图5给出了相应的仿真时序图。

3)全桥控制信号的时序仿真,通过模拟CAPV/CBPV波形,检验两个绕组的8个控制信号HLA,LLA,HRA,LRA,HLB,LLB,HRB,LRB的时序,以及整步信号FULLSTEP。

图6 给出了相应的仿真时序图。

本文提出并实现了基于FPGA的两相步进电机的细分驱动电路设计,最高达到256细分,能满足中小功率两相微型步进电机的细分控制、较高细分步距角精度及平滑运行等要求。仿真结果表明,分频定时、正弦/余弦函数以及全桥控制信号,都可以由FPGA准确无误地产生,达到了设计的要求,取得了满意的效果。

参考文献

[1]张志利.步进电机超高分辨率细分控制函数发生器的设计与实现[J].微特电机,2001,29(1):10-13.

[2]林海波.基于AT89C51的步进电机恒转矩细分驱动电路的设计[J].电子工程师,2002,28(11):37-39.

[3]林海波.基于80C196MC的恒转矩的步进电机斩波恒流电路实现[J].电子设计应用,2003(Z1):17-20.

[4]徐祖华,肖志华,苏泽华.基于ARM的步进电机细分控制[J].南华大学学报,2006,20(4):16-20,25.

[5]I M2000s Operating Instructions[Z].Intelligent Motion Sys-tems,2004.

[6]I M805Operating Instruction[Z].Intelligent Motion Systems,2004.

MOS管驱动电路总结doc要点 篇2

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。

下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。

1，MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制100//造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

2，MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

3，MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4，MOS管驱动

跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。

MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。

5，MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。

这三种应用在各个领域都有详细的介绍，这里暂时不多写了。以后有时间再总结 问题提出：

现在的MOS驱动，有几个特别的需求，1，低压应用

当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

2，宽电压应用

输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。为了让MOS管在高gate电压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。

同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现输入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。

3，双电压应用

在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。

在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出要求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的结构。

于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。

电路图如下：

图1 用于NMOS的驱动电路

图2 用于PMOS的驱动电路

这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析：

Vl和Vh分别是低端和高端的电源，两个电压可以是相同的，但是Vl不应该超过Vh。

Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱，用来实现隔离，同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。

R2和R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。

Q3和Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降，这个压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。

R5和R6是反馈电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈，从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5和R6来调节。最后，R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制，R4提供了对MOS管的gate电流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的时候可以在R4上面并联加速电容。

这个电路提供了如下的特性：

1，用低端电压和PWM驱动高端MOS管。

2，用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。

3，gate电压的峰值限制

4，输入和输出的电流限制

5，通过使用合适的电阻，可以达到很低的功耗。

6，PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性，可以通过前置一个反相器来解决。

一种低电压高频率采用自举电路的BiCMOS驱动电路 西安电子科技大学 CAD所 潘华兵 来新泉 贾立刚 引言 在设计便携式设备和无线产品时，提高产品性能、延长电池工作时间是设计人员需要面对的两个问题。DC-DC转换器具有效率高、输出电流大、静态电流小等优点，非常适用于为便携式设备供电。目前DC-DC转换器设计技术发展主要趋势有：（1）高频化技术：随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到兆赫级。（2）低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的要求。

这些技术的发展对电源芯片电路的设计提出了更高的要求。首先，随着开关频率的不断提高，对于开关元件的性能提出了很高的要求，同时必须具有相应的开关元件驱动电路以保证开关元件在高达兆赫级的开关频率下正常工作。其次，对于电池供电的便携式电子设备来说，电路的工作电压低（以锂电池为例，工作电压2.5～3.6V），因此，电源芯片的工作电压较低。

MOS管具有很低的导通电阻，消耗能量较低，在目前流行的高效DC－DC芯片中多采用MOS管作为功率开关。但是由于MOS管的寄生电容大，一般情况下NMOS开关管的栅极电容高达几十皮法。这对于设计高工作频率DC－DC转换器开关管驱动电路的设计提出了更高的要求。

在低电压ULSI设计中有多种CMOS、BiCMOS采用自举升压结构的逻辑电路和作为大容性负载的驱动电路。这些电路能够在低于1V电压供电条件下正常工作，并且能够在负载电容1～2pF的条件下工作频率能够达到几十兆甚至上百兆赫兹。本文正是采用了自举升压电路，设计了一种具有大负载电容驱动能力的，适合于低电压、高开关频率升压型DC－DC转换器的驱动电路。电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证，在供电电压1.5V，负载电容为60pF时，工作频率能够达到5MHz以上。

自举升压电路

自举升压电路的原理图如图1所示。所谓的自举升压原理就是，在输入端IN输入一个方波信号，利用电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平，这样就可以在B端输出一个与输入信号反相，且高电平高于VDD的方波信号。具体工作原理如下。

当VIN为高电平时，NMOS管N1导通，PMOS管P1截止，C点电位为低电平。同时N2导通，P2的栅极电位为低电平，则P2导通。这就使得此时A点电位约为VDD，电容Cboot两端电压UC≈VDD。由于N3导通，P4截止，所以B点的电位为低电平。这段时间称为预充电周期。

当VIN变为低电平时，NMOS管N1截止，PMOS管P1导通，C点电位为高电平，约为VDD。同时N2、N3截止，P3导通。这使得P2的栅极电位升高，P2截止。此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压，约为2VDD。而且P4导通，因此B点输出高电平，且高于VDD。这段时间称为自举升压周期。

实际上，B点电位与负载电容和电容Cboot的大小有关，可以根据设计需要调整。具体关系将在介绍电路具体设计时详细讨论。在图2中给出了输入端IN电位与A、B两点电位关系的示意图。

驱动电路结构

图3中给出了驱动电路的电路图。驱动电路采用Totem输出结构设计，上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5。下拉驱动管为NMOS管N5。图中CL为负载电容，Cpar为B点的寄生电容。虚线框内的电路为自举升压电路。

本驱动电路的设计思想是，利用自举升压结构将上拉驱动管N4的栅极（B点）电位抬升，使得UB>VDD+VTH，则NMOS管N4工作在线性区，使得VDSN4 大大减小，最终可以实现驱动输出高电平达到VDD。而在输出低电平时，下拉驱动管本身就工作在线性区，可以保证输出低电平位GND。因此无需增加自举电路也能达到设计要求。

考虑到此驱动电路应用于升压型DC－DC转换器的开关管驱动，负载电容CL很大，一般能达到几十皮法，还需要进一步增加输出电流能力，因此增加了晶体管Q1作为上拉驱动管。这样在输入端由高电平变为低电平时，Q1导通，由N4、Q1同时提供电流，OUT端电位迅速上升，当OUT端电位上升到VDD－VBE时，Q1截止，N4继续提供电流对负载电容充电，直到OUT端电压达到VDD。

在OUT端为高电平期间，A点电位会由于电容Cboot 上的电荷泄漏等原因而下降。这会使得B点电位下降，N4的导通性下降。同时由于同样的原因，OUT端电位也会有所下降，使输出高电平不能保持在VDD。为了防止这种现象的出现，又增加了PMOS管P5作为上拉驱动管，用来补充OUT端CL的泄漏电荷，维持OUT端在整个导通周期内为高电平。

驱动电路的传输特性瞬态响应在图4中给出。其中（a）为上升沿瞬态响应，（b）为下降沿瞬态响应。从图4中可以看出，驱动电路上升沿明显分为了三个部分，分别对应三个上拉驱动管起主导作用的时期。1阶段为Q1、N4共同作用，输出电压迅速抬升，2阶段为N4起主导作，使输出电平达到VDD，3阶段为P5起主导作用，维持输出高电平为VDD。而且还可以缩短上升时间，下降时间满足工作频率在兆赫兹级以上的要求。

需要注意的问题及仿真结果

电容Cboot的大小的确定

Cboot的最小值可以按照以下方法确定。在预充电周期内，电容Cboot 上的电荷为VDDCboot。在A点的寄生电容（计为CA）上的电荷为VDDCA。因此在预充电周期内，A点的总电荷为

Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A}（1）B点电位为GND，因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为0。

在自举升压周期，为了使OUT端电压达到VDD，B点电位最低为VB＝VDD+Vthn。因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为

Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar（2）

忽略MOS管P4源漏两端压降，此时Cboot上的电荷为VthnCboot，A点寄生电容CA的电荷为（VDD+Vthn）CA。A点的总电荷为

QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A}（3）

同时根据电荷守恒又有

Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2}（4）

综合式（1）～（4）可得

C_{boot}=frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}（5）从式（5）中可以看出，Cboot随输入电压变小而变大，并且随B点电压VB变大而变大。而B点电压直接影响N4的导通电阻，也就影响驱动电路的上升时间。因此在实际设计时，Cboot的取值要大于式（5）的计算结果，这样可以提高B点电压，降低N4导通电阻，减小驱动电路的上升时间。

P2、P4的尺寸问题

将公式（5）重新整理后得：

V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}frac{C_{A}}{Cpar}（6）

从式（6）中可以看出在自举升压周期内，A、B两点的寄生电容使得B点电位降低。在实际设计时为了得到合适的B点电位，除了增加Cboot大小外，要尽量减小A、B两点的寄生电容。在设计时，预充电PMOS管P2的尺寸尽可能的取小，以减小寄生电容CA。而对于B点的寄生电容Cpar来说，主要是上拉驱动管N4的栅极寄生电容，MOS管P4、N3的源漏极寄生电容只占一小部分。我们在前面的分析中忽略了P4的源漏电压，因此设计时就要尽量的加大P4的宽长比，使其在自举升压周期内的源漏电压很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大，要保证P4的源极寄生电容远远小于上拉驱动管N4的栅极寄生电容。

阱电位问题

如图3所示，PMOS器件P2、P3、P4的N-well连接到了自举升压节点A上。这样做的目的是，在自举升压周期内，防止他们的源/漏--阱结导通。而且这还可以防止在源/漏--阱正偏时产生由寄生SRC引起的闩锁现象。

上拉驱动管N4的阱偏置电位要接到它的源极，最好不要直接接地。这样做的目的是消除衬底偏置效应对N4的影响。

Hspice仿真验证结果

驱动电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证。在表1中给出了电路在不同工作电压、不同负载条件下的上升时间tr和下降时间tf 的仿真结果。在图5中给了电路工作在输入电压1.5V、工作频率为5MHz、负载电容60pF条件下的输出波形。

结合表1和图5可以看出，此驱动电路能够在工作电压为1.5V，工作频率为5MHz，并且负载电容高达60pF的条件下正常工作。它可以应用于低电压、高工作频率的DC－DC转换器中作为开关管的驱动电路。

结论

步进电机控制系统中细分电路的应用 篇3

1 系统的实现

可调式细分电路是以89C51单片机作为控制核心[2], 利用键盘及LCD模块来完成细分倍数及加、减速时间的设置。细分输出采用恒频脉冲调宽细分电路。

1.1 细分原理

步进电机是由脉冲电压供电的。在一般情况下, 根据电压脉冲的分配方式, 步进电机各相绕组的电流轮流切换, 从而使电机旋转。如果每次输入脉冲切换时, 将额定电流分成多个级别进行切换, 则转子就以多个小步来完成原来的一个步距角。通过控制绕组中电流的阶梯上升, 就可把步距角分成若干步来完成, 从而来达到细分的目的[3]。

1.2 硬件电路的设计

图1为步进电机控制系统的结构框图[4]。89C51采用其最高外接晶振24M。键盘采用MODE、UP、DOWN和ENTER 键4键键盘, 其中MODE键用于选择参数的设置模式;UP与DOWN用于设置数字量的增减;ENTER键用于各项参数设置的确定。LCD采用128×64点阵的LMA97S005AD图形液晶模块, 该模块可显示中文、数字及ASCⅡ码。D/A模块采用8位AD558, 输出电压量程为0～2.56V。运算放大器采用LM324, 将Ve放大到VA。电压比较器采用LM339, 用于比较Vin与VA, 控制D触发器的置位与清零。功率驱动器件采用IR公司的IGBT模块——IRGBC30M。

系统工作原理为:通电后用户利用MODE键设置启动频率f0、工作频率fH, 加减速步进数及细分倍数等参数, 当设定好参数并选择运行后, 系统根据设定输出相应的数字量, 并经D/A转换为Vin。当Vin为一个定值时, 由定时器T0送出的时钟信号CLK, 在其上升沿置位D触发器, IGBT模块导通[5], 电机绕组得电, 电流上升;当电流上升到一定程度, 达到VA>Vin时, 则电压比较器输出低电平, D触发器清0, IGBT截止, 绕组放电, 电流下降。在下一个时钟信号CLK上升沿到来时, 重复上述过程, 从而保证流过绕组中的电流波动较小。通过调整T0的输出频率, 便可调整电流的波动。

系统的细分电路采用恒频脉冲调宽细分电路[6]。图2所示为控制系统细分阶梯电流波形形成的工作示意图。当89C51的P1口输出阶梯数字量时, 则D/A转换器的输出电压Vin就可以以阶梯方式突变, 由于绕组上电流不能突变, 故运放电压VA<

1.3 软件设计

整个程序框图, 如图3所示, 采用C51语言编写。在软件设计时, 初始化模块主要完成对定时器T0、T1的设置, 其中T0用于产生5kHZ的方波信号作为D触发器CLK的时钟脉冲;T1定时用于产生步进电机的步进周期[7]。在加、减速时间段, 无细分控制;在正常工作时, 采用设定细分倍数进行细分控制。同时, 为了增强系统的实时性, 在步进电机的加、减速及细分控制输出时, 采用了查表方法, 即先编制几张表存放在89C51的FLASH ROM中, 根据用户输入的参数采用查表的方法得到对应的输出数字量, 提高了系统的实时性。

2 结束语

作为步进驱动系统核心的细分电路, 只给出了功率步进电动机一相的分析, 对于其它各相, 情况类似。给出的可调式细分电路经在混合式步进电机86BYG350B上实验表明[8], 当设定细分倍数为1、3、5、15时, 其对应的步距角分别为0.9°、0.3°、0.18°及0.06°, 符合设计要求。

整个驱动装置具有通用性强、设计简单可靠、操作界面良好、价格便宜、体积小等优点, 有一定的实用性。

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细分驱动电路 篇4

C语言属于程序设计高级语言,但与一般高级语言相比,C语言又具有一些低级语言的特点。C语言代码执行效率较高,适用范围广,操作符众多,语法使用上灵活多变,一段程序可以不断修改雕啄直至完美,用C语言可以写出许多精妙漂亮的程序,因此C语言得到广大程序员的拥护和喜欢,得到广泛的应用。但C言语言这些独具的特点对初学者来说却不一定都是好事,C语言不是一门容易掌握的语言,在C语言学习过程中,学生会遇到很多困难与挑战。很多学生反映上课时觉得听懂了,相关理论内容也看懂了,但一到上机实验环节,需要自己动手编写代码和调试程序时,就出了问题,或是无从着手,不知如何下手去写;或是这也不对,那也不对,问题不断。教师常常要不断来回走动回答各种问题,由于扩招学生人数往往比较多,一旦同时有多人问问题,可能还不能及时解答,教师疲于应付,很辛苦但效果却并不好。学生反映C语言难学,一些学生上机跟不上老师理论教学进度,个别学生会产生归避困难的想法,抄袭交差应付。在一次教学讨论会上,有教师就讲到现在的90后学生在学习上比较缺乏吃苦精神,刻苦钻研努力克服学习中遇到的困难的学生少了,很容易放弃努力,他对学生现状表示担忧。也有教师有不同看法,指出现在学生见识广,思维活跃,头脑灵活,时代在进步,不能用以前的标准要求现在的学生,现在学生也很有优秀,教师要根据现在学生特点作相应调整。我们认为后者观点更具有积极性和建设性,作为教师应该能够发现学生身上闪光点,因材施教,能够不断根据教学对象情况变化调整教学理念和教学方法。

1 细分任务驱动教学方式

1.1 任务驱动

C语言实验课堂教学过程一般是:教师首先提出本次实验要求和实验目的,比如本次实验要完成什么程序,通过编写这程序掌握什么知识点;然后对本次实验的原理和难点进行讲解;接着开始让同学们上机编程,教师在教室来回走动,随时解答同学们的问题;最后同学们上交把编好的程序写成实验报告上交,教师给出实验成绩。C语言实验题目除了刚开始几次可以是“验证型”,大部分是“设计型”的题目,一般不建议学生对着书上现成程序照抄,鼓励同学们自己动手写代码,在C语言实验课堂教学过程中,最容易暴露出问题的是学生写程序环节,特别当实验内容是难点时,更易出现上面所说问题。

任务驱动式教学方法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学方法[2]。建构主义学习理论强调学习是学习者对目标建构和对其理解的过程,学生是知识意义的主动建构者,而不是外部信息刺激的被动接受者;教师是学生在学习过程中主动建构知识意义的帮助者,而不是知识意义的灌输者[3]。任务驱动教学方法就是把直接传授知识的传统教学方式转变为通过解决问题、完成任务从而掌握知识的的教学方式。C语言实验课程本身主要目标就是通过学生的上机操作完成编写程序任务,因此十分适合采用这个方法。

1.2 任务细分

在实践教学过程中,如果只是简单地把布置任务,经常达不到希望的效果,同学们往往会觉得任务目标太难,望题目而生威,有教师就提出来是不是可以降低要求,题目出简单点。我们认为更好的方式是把任务进一步细分,把一个复杂的问题分成相互关联的多个小问题,由浅入深,最后融会贯通,不知不觉中逐渐完成任务。以C语言中典型的题目99表为例来说明如何任务分解,99表是让学生用两重循环的方式在屏幕上输出一个99表,如果直接把程序给学生照样子敲一遍输入进去,作成验证型实验,学生理解不深,效果不好,达不到实验目的,但如果直接就给个题目让学生作,学生们可能会觉得有困难,无从着手,为此可把任务细分为如下几个子任务:

1)输出m*n由“*”组成的矩阵,printf只能每次打出一个“*”,如图1如示。

2)输出由“*”组成左三角型图型,如图2如示。

3)将任务2中的“*”换成积,如图3所示。

4)输出1*1=1 2*2=4……9*9=81格式的三角型99表。

5)分别输出由“*”组成如图4、图5、图6所示的图型。

通过如上细化任务的方式,可以看出上下子任务之间是相互关联的,上一任务是下一任务的基础,上一任务的程序只要作小部分修改就可完成下一步的任务,一步一步深入,每次前进一小步,每一步都不会太难。由于每一步与一个小的知识点相关连,这样在某一步时只用关心与这一步相关的细节,学生学得会比较扎实,另外在程序调试上也相对容易,不至于一下子要面对整个程序错误,同时也比较容易暴露出学生在哪个知识点没掌握好,从而可以有的放矢地讲解。

1.3 分层教学

分层教学是使不同层次的学生在知识、智力、能力等各个方面的优势能得到充分发展,从而全面提高教育教学质量的一种个性化教学组织形式[4]。在提倡以人为本、张扬个性的今天,应以学生为本,针对不同程度的学生采用不同的教学要求和不同教学内容。目前在教学上同一类教学对象的同一门课程一般都要求统一教材,统一进度,实验课的实验内容、实验要求对每个学生都是同样的,但学生是有个体差异的,学生的基础不同,学习能力,操作动手能力,兴趣取向都不同,在程度差的同学抱怨太难跟不上的同时,也有基础好的同学吃不饱,教学上往往很难两头都能兼顾。任务细分化为分层教学带来了可能,我们可以给不同的学生布置不同的学习任务。如上面例子,一般的学生可以要求完成到步骤4,优秀的学生要求完成步骤5,而个别很困难的要求至少能完成步骤3。如此使得不同程度的学生都有具体目标,这样大家都有努力的目标,不至于差生越学越没信心,以至于在学业上跟不上进度,恶性循环以至不可收拾,优秀生也有进一步的目标,不至于提早完成觉得无事可作。可以鼓励优秀生现场编写程序,而差生要求实验前先书写程序。当然现在学生自尊心比较强,在具体操作上要注意方式方法,避免打击学生的学习自尊心,影响学习积极性。

1.4 在线评判系统

细分任务驱动实验教学法最佳方式是学生在作完每个子任务后都能有一个批改反馈,让学生知道正确与否,只有前一步正确才能开始下一步。并不象所有程序都象99表这么直观的,可以轻易知道作对与否,由于学生人数众多,实验教师靠人工批改无法作到即时反馈,在线C语言程序在线评判系统可以很好满足这种要求,在线评判系统Online Judger(OJ)用户可以在线提交多种语言(如C、C++、Java)的源代码,系统对源代码进行编译和执行,并通过预先设计的测试数据来检验程序源代码的正确性。OJ系统最初使用于ACM/ICPC(国际大学生程序设计竞赛)和OI(信息学奥林匹克竞赛)当中,现广泛应用于世界各地高校学生程序设计的训练、参赛队员的训练和选拔、各种程序设计竞赛以及数据结构和算法的学习和作业的自动提交评判中[5]。。我们采用所在教研室自行开发的在线C语言程序教学检测系统,系统采用BS结构,学生把写好的程序通过浏览器在线提交,系统会将结果即时反馈。教师可以在任意时间查看每一题的通过学生名单,通过率等等,第一时间可以了解学生的实验进展情况,可以有的放矢的集中讲解,也可以随时关注优秀生和差生的具体情况。在线评判系统为细分任务驱动实验教学法提供了技术保障。

1.5 学习兴趣

任务驱动法可以很好地保证教学质量,但完成任务不是我们教学目的,任务驱动法在具体实施过程中要注意不能本末倒置,过分强调任务完成。C语言课程教学目的是教会学生学习和理解编程知识和原理,掌握C语言基本编程动手能力,为以后的计算机应用与开发打下基础。C语言是学生大学里所接触的第一门计算机编程课程,作为编程语言的启蒙教师,不仅是要教会学生编程原理,更应该培养学生对编程的学习兴趣,如果所教班级学生都不喜欢编程,即便成绩还可以,个人认为也不算是教学成功。兴趣是学习的动力内在,激发学生编程兴趣是学好编程的最好方法。平时可给学生们展示优美程序的例子,可让学生比一比谁写的程序更精简,引导学生不光是会写正确的程序,还要会写漂亮的程序,学会欣赏C语言之美,体会学习C语言之乐趣。多布置些能引起学生兴趣的任务,与学生平时生活相关或与专业相关的题目。

2 结论

由于C语言实验课程特点,任务驱动教学方法十分适合于C语言实验课程教学,任务细分可以很好地解决初学者畏难心理,可以实现以人为本,分层教学,可以很好地保证实验课教学质量,但在具体实施过程中,不能过分强调完成任务,培养学生对编程的兴趣是每位语言教师都应追求的目标。

摘要：C语言是一门实践性很强的课程,编程理论的理解和编程能力的提高很大程度有赖于学生上机实践。指出C语言实验教学环节存在的不足,提出基于任务细分的任务驱动C语言实验教学法,该方法将任务细分为多个子任务,逐步完成,避免了初学者觉得任务太难、无从着手的现象,并在此基础上实行分层教学,在线评判系统为其提供了技术保障。在强调完成任务的同时,要注重学生编程兴趣的培养。

关键词：教学改革,C语言,任务驱动

参考文献

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细分驱动电路 篇5

1 步进电机概述

步进电机是一种将电脉冲转变为角位移 (或线位移) 的机电元件。根据其内部构造可以分成三大类:反应式 (VR型) 、永磁式 (PM型) 和混合式 (HB型) 。混合式步进电动机吸取了永磁式和反应式的优点, 转子由磁化的磁铁制成, 磁极做成复极的形式, 分为两相和五相, 两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度, 它的精确度高、转矩大、步进角度小, 在高分辨率的开环定位系统和低速开环调速系统中占有着不可替代的地位。

步进电机还具有以下优点。

(1) 动态响应快、易于启动与停止、具有锁定转矩。

(2) 一般步进电机的精度为步进角的3%～5%, 步距值不受各种干扰因素的影响。

(3) 位移与输入脉冲信号相对应, 步距误差不长期积累, 有良好的跟随性。

(4) 可利用数字信号控制步进电机直接用于开环控制。

(5) 控制性能好, 停止时有自锁能力。

基于以上优点, 步进电机在工业领域得到广泛应用, 具有较高的使用价值。

2 步进电机选型及保护电路设计

在本系统设计中, 步进电机采用两相混合式步进电机, 驱动二维随动装置的水平、俯仰运动。步进电机型号是42BYGH414。

步进电机控制本系统转台的运动范围, 其俯仰方向的运动范围是-10°～+45°。如果转向超过了此范围, 将会对转台产生一定的损伤, 本文通过设计转台转向保护电路来避免此情况的发生。

转台转向保护电路采取的是一种接触式开关电路。此开关电路结构简单、尺寸较小、不易损坏。其工作原理是:转台在俯仰方向运动, 当运动范围超过极限位置时, 通过机械力使接触式开关S1闭合, 电机停止运转, 通过复位弹簧使开关复位。这时Uo1=VCC, 光电耦合器的发光二极管发光使光电三极管工作, Uo2输出低电平, 通过7 4 L S 1 4整形U o 3输出高电平, 触发MSP430F149单片机的外部中断, 使控制俯仰方向运动的步进电机停止运行。

3 步进电机细分驱动器设置

步进电机细分驱动技术是20世纪70年代中期发展起来的, 它是一种可以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术, 步进电机细分驱动技术发展到今天已经很成熟。

步进电机的细分控制, 从本质上讲是一种电子阻尼技术, 在每次输入脉冲时, 不是将绕组电流全部通入或切除, 而是只改变相应绕组中额定的一部分, 则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分, 从而调整步进电机步距角的大小, 即把原来的一个整步步距角细分成若干步来完成, 实现步进电机步距角的细分。步距角是指每给一个电脉冲信号步进电机转子所转过的机械角度。

本系统用SM-202细分驱动器对步进电机进行驱动控制。该细分驱动器适合驱动两相或四相混合式步进电机。同时该驱动器采用双极性恒流斩波技术, 使电机运行精度高, 振动小, 噪声低, 运行平稳。SM-202细分驱动器接口分配表如表1所示, 细分驱动器控制接口的引脚功能分别如下。

+COM:光电隔离电源公共端, 接外部电路的VCC, 典型值为+5V。

CP:步进电机脉冲信号输入端, 下降沿有效。

DIR:方向控制信号, 高电平控制电机正转, 低电平控制电机反转。

ENA:驱动使能端, 高电平或悬空电机可运行, 低电平驱动器无电流输出, 电机处于自由状态。

(1) 细分驱动器相电流及步距角细分倍数设置。

SM202型细分驱动器采用拨位开关设定相电流及细分倍数, 可根据需要对其进行控制, 其中拨位开关K1、K2、K3用于设置细分倍数, 拨位开关K4、K5、K6用于设置电流值。电流值、细分倍数设定说明如表2和表3所示。

参照表2和表3, 细分驱动器拨位开关K1、K2、K3设定为101, 细分倍数是40;拨位开关K4、K5、K6设定为1111, 电流是1A。

(2) 步进电机运行速度设置。

经过反复试验, 设定转台快速转动时CP为5kHz, 转台缓慢转动时CP为0.5kHz。

(3) 步进电机运动和停止设置。

控制步进电机运动和停止, 就是对细分驱动器的使能端ENA进行高低电平控制。当单片机P3.2引脚输出高电平, 步进电机转动;当单片机P3.2引脚输出低电平时, 步进电机停止转动, 进入自由状态。

4 结语

本系统采用单片机和细分驱动组合设计步进电机控制电路, 实践表明控制效果较好。该控制系统硬件电路设计简单, 结构紧凑、功耗低、运行可靠、设计方便。本系统更具有通用性, 适用范围更广。

摘要：自二十世纪中叶, 步进电机的应用己渗透到数字控制的各个领域。它凭借自身性能优点, 较早成为典型的机电一体化元件组件。本文首先对步进电机进行了概述, 然后给出了基于单片机的步进电机细分驱动的具体设计。

关键词：单片机,步进电机,控制系统

参考文献

[1]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

细分驱动电路 篇6

步进电机是一种将电能转变为动能的基本部件,是一种数字电动机,它受脉冲信号控制,并将电脉冲信号转换成相应的角位移或者线位移的控制电动机。它由专用电源供给电脉冲,每输入一个脉冲,步进电机就移进一步[1]。

在步进电机运行时容易出现丢步或失步的情况等等,为提高运行精度,往往要求步进电机具有很小的步距角,而单从电动机本身解决是有限的,所以对步进电机的控制大多采用细分技术。细分驱动电路可使步进电机的步距角减小,是一种能使步进电机运动变成近似的匀速运动的一种驱动电源。采用集成芯片实现对步进电机的细分控制是目前细分技术的主流[2]。

1 微步驱动芯片L6217A[3]

L6217A是SGS—THOMSON公司生产的适用于双极性两相步进电机微步距驱动的单芯片集成电路,它具有复杂的控制功能,并能与微处理器直接连接,其原理框图如图1所示。

L6217A具有双桥式驱动电源,该驱动电源主要是以脉宽调制方式控制各相平均电流的绝对值和方向,其内部的钳位二极管用于电流环流,可利用外部RC网络为芯片单稳设定时间常数,以便设定电机绕组电流衰减时间。L6217A的每一相的输出电流由7位D/A装换得到,所以L6217A可以用于步进电机的整步,半步,微步控制的应用。同时D/A转换器的输入锁定和可选相位输入使它与处理器的接口十分简单,能够把输入的电流信号和控制电机方向的信号锁存起来,这样就减少了外部接口的应用。电动机电流延迟时间由L6217A外接RC值决定。该芯片能够在芯片内部检测电动机转动时的电流并且与D/A转换器的输出电流进行比较。

2 控制系统设计[3,4]

步进电机细分控制可以用软件实现,也可以采用硬件实现。采用性能较全面的微处理器直接发出电流脉冲,通过微处理器内部的特殊功能实现对电流的细分是采用软件实现的主要方式,通过编程对输出电流进行控制,运行比较缓慢。而采用硬件实现就需要很多逻辑电路搭建而成,这样也存在很多缺陷,比如电路芯片太多,逻辑复杂,难于测试等等。

鉴于以上考虑本文中所设计的步进电机的驱动电路主要由L6217A来实现细分功能L6217A是双极性驱动芯片,它的优点除了效率高以外,更重要的是可以得到最佳的低频特性,力矩保持使恒定。同时由于驱动器集成化,使其与计算机接口非常简单,用程序代替复杂的逻辑控制,因此控制简化易于实现。同时,为了保证整个系统的安全运行,专门设计出一个保护电路。系统框图如图2所示。

本系统硬件电路按功能主要分为:(1)控制部分:主要由单片机来实现,实时与外设交换信息,接受控制指令,向驱动部分发出电机运转控制信号;(2)功率及驱动部分:这部分由L6217A完成。L6217A的主要作用是对从单片机中发出的电流信号通过H桥式电流进行处理,采用PWM斩波调节产生所需的电流,使电流按照规律加在步进电机的两个绕组上,驱动电机工作;(3)检测保护电路:保护电路通过检测步进电机中A,B绕组中的电流,反馈给单片机。

3 硬件电路设计

3.1 主电路设计[5—8]

本驱动电路由AT89C51直接对L6217A进行控制,如图3所示。电流的方向指令通过引脚PH输入芯片,高电平时平均电流为正方向;低电平时平均电流为反方向。电流绝对值指令则是由微机输入其并行数据口D/A的7位二进制数,经过内部两个D/A转换电路得到。芯片内A、B两个H桥的输出接步进电机的两相绕组。H桥电路经外接的电流采样电阻接地,从而得到相电流反馈信号。引脚STROBE上的信号用以将输入数据送入A或B锁存器,低电平有效。

采用L6217A来实现细分主要是通过它的H桥式双极性驱动集成电路。它有较完善的基极(或栅极)驱动电路,包括DMOS上桥臂驱动用充电泵电路,防止上、下桥臂在换向时直通的连锁保护电路,还有各种对电压,电流,温度的监控保护电路,从而提高了集成电路的可靠性。H桥式双极性驱动电路图4所示。

在对步进电机进行细分驱动控制器中,L6217A中的H桥式双极性驱动电路把恒流斩波技术和H桥驱动联系在一起。当步进信号为高电平时,使VT1导通,电流经VS1流入VT1,经过一相绕组至VT4截止。这时就可以用电机电枢采样电阻去采样电机电枢电流,经RC网络转换为电压值后,与D/A转换器输出的预定值相比较。如果当前的电流使转换的电压值小于D/A转换器输出的预定值,比较器输出高电平,保持VT1,VT4导通状态,电源电压全部加在负载上,使负载电流依次通过电源→VT1→一相绕组→VT4,最后接地或电流依次通过电源→VT2→一相绕组→VT3→接地,以指数规律增加。接在采样电阻端的阻容网络上的电压值VRA也随之增长;当负载电流增加到或超过网值电流时,VRA随后也达到网值电压,滞后的时间与阻容网络的时间常数有关,从而使比较器翻转,触发单稳电路翻转,关断VT1,绕组中的电流经VS1→VT2→一相绕组→VT2→接地释放,其大小呈指数规律衰减并趋向于零。

电流在设定值处,波动极小,D/A转换器输出的预定值作电流非常平滑,实现恒流斩波作用。在步进信号为低电平期间,VT1、VT4截止,VT2、VT3导通,绕组电流改换方向,与上述相同,由VT2、VT3完成恒流斩波功能。

当系统通电步进电机开始运行时,该芯片让H桥按电流方向指令开通相应的桥臂,电动机绕组电流上升。同时,该芯片内的比较器将指令电流信号和反馈信号进行比较,当电动机绕组电流到达预定数值时,比较器翻转,触发芯片内的单稳电路,使单稳电路翻转一段时间,时间由引脚PTA,PTB外接的RC值决定。在此单稳延时时间内,H桥的上桥臂关断,而下桥臂仍然导通,绕组电流通过续流二极管续流,绕组电流下降。过了这段单稳延时时间,单稳电路恢复到原状态,H桥中相应的桥臂重新开通,电动机绕组电流又开始上升。如此反复,实现PWM电流闭环斩波调节,使绕组电流位置在指令值附近。

L6217A采用脉宽调制电路来判断电机电流,当电机电流达到峰值电流时,比较器就触发单稳,关断上位机,当Toff值等于0.69RC网络值时,上位机再次运行。峰值电流如式(1)。

式(1)中D=Input data(0—7FH)。

当输入信号为00时,输出电平由内部逻辑模块使该电平无效,输出电流迅速衰减到0。内部触发锁定时间在此时间内通过使比较器失效,在感应电阻RSA,RSB和相应输入VSA,VSB之间避免了RC网络的使用。

3.2 保护电路设计[9]

本系统需要保护的是步进电动机,为防止步进电动机故障烧毁,系统必须在电动机绕组电流过高时停止对电动机供电。为此设计了过电流保护电路如图5所示。

过电流保护电路采用了TL358比较器,它是由单电源供电,由两只分压电阻R16、R17将+5V电压分压至1 V,送到比较器同相端。R13为正反馈电阻。电流信号经过两只二极管送比较器反向端,比较器输出端信号经过电平转换后送单片机微处理器的P3.7引脚。如果电流值超过一定值,单片机内部就产生一个高级中断,停止向L6217A发出电流信号,电动机断电。

4 细分电流实验结果

基于以上的硬件设计,连接硬件电路。使用两相混合式步进电动机作为实验电机,采用半步工作方式进行了实验,系统参数设好后运行,保持系统正常运行。通过改变外部输入脉冲频率,来观察在A、B两相输出的不同细分电流波形如图6所示。

图6是A、B两相电机绕组在16细分和64细分时的电流输出波形。通过两相混合步进电机A、B两个线圈的电流相位差90°,如果分别输入相位差90°的正弦波形,可实现细分驱动。通过在电机的绕组中串联一个0.0Ω/3W的电阻,用示波器的探头分别接在电阻两端。实际所测得都是串接电阻两端的电压波形,电流波形和所测得的电压波形只是在大小上相差一个串联电阻值的大小。这样测试的目的是检测本文的斩波环节的控制效果和整个驱动控制器最终电流控制目标的实现结果。

从以上实验结果可以看出,提高细分数后,可以降低绕组电流的脉动。经过L6217A的PWM作用输出的细分电流,扭矩波动大大减小,从而减小了对系统稳定性的影响。

5 结论

本文通过对步进电机细分方法的研究,应用L6217A设计出步进电机微步控制系统。通过应用单片机和驱动芯片相结合的办法降低了驱动系统的复杂程度,提高了步进电机运行的稳定性。使用H桥类驱动芯片驱动步进电动机时,占空比与电流的关系呈非线性,占空比小于临界值时,电枢电流很小,基本为零;占空比大于临界值时,电流随占空比线性增加,另外,该芯片具备过热保护功能,运行可靠性高。本驱动电路的设计为以后步进电机细分技术的发展提供了基础,并且具有一定的推广价值。

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细分驱动电路 篇7

步进电机是数字控制系统中的执行元件，具有转矩大、惯性小、易于控制、无累计误差和计算机接口方便等优点，被广泛应用于机器人、遥控、机械、仪表、工业控制等领域。由于传统制造工艺的影响，步进电机的步距角一般较大，约 (1.5°～3°) [1]，不能满足精密仪器定位等要求具有很小场合对步距角很小的场合，实现步进电机的细分驱动是减小步距角，减小电动机振动、噪声，提高电机平稳运行的有效方法。本文给出一种实用的步进电机细分驱动控制系统。系统采用单片机AT89C52为控制核心，将L6506与L298功率驱动电路集成芯片组合实现步进电机的驱动功能，同时控制数模转换芯片产生细分步参考电压，采用软硬件相结合的控制方法实现步进电机细分控制。

l步进电机的恒流细分驱动原理

步进电机细分是通过控制步进电机各相励磁绕组中的电流，使其在0到最大相电流之间细分为多个稳定电流值，即在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中的额定电流的一部分，则转子相应的每步转动为原有步距角的一部分，而额定电流分成多少次进行切换，转子就以多少步完成一个原有的步距角[2]，如图l所示两相电流的单步四细分示意图。

对两相步进电机以单四拍运行时，其步进电角度θ理论值为90°，当采用四细分后其步进电角度理论值θ1=θ2=θ3=θ4=22.5°，但是实际上其步进电角度并不相同[3]，并且产生的合成磁势幅值并不相等，如图2左图所示。为实现对两相步进电机的恒力矩均匀细分控制，电机内部产生幅值恒定的磁场，可分别给两相绕组输入正、余弦变化的电流，IA=IC·sinθ，IB=IC·cosθ，IA和I1合成幅值恒定的旋转电流矢量I3，产生幅值恒定的旋转磁势见图2右图所示[4]。因此，本文采用正弦波驱动方式来控制步进电机绕组电流的波形，使电机的相电流波形为一正弦阶梯波，这样步进电机的步进角度分辨率不再受电机相数的限制，实现两相步进电机的恒力矩均匀细分控制。

2 硬件电路实现

本文给出基于单片机的两相混合式步进电机控制系统结构框图如图3所示。

本控制系统采由AT89C52单片机将预先保存在程序存储器内部的正弦数值表按照相位差90°的顺序通过两个8位数模转换器MAX517[5]分别送到L6506的两个模拟参考电压端，按照给定旋转相序模式，单片机同时驱动步进电机，相绕组的反馈电流分别经过检测电组R1和R2转换为电压后与两个模拟参考电压Vref1和Vref2进行比较，当检测电阻R1和R2上的电压上升到Vref1或Vref2时，L6506芯片内部比较器将其RS触发器复位，断开功率输出器，使电流经过一个回流通路逐渐变弱，等待下一个脉冲的到来，从而实现绕组中电流的闭环控制，最终实现步距的精确细分[6]。

本文设计的功率驱动电路采用L298集成电路芯片，其设计原理电路如图4所示。L298内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可驱动电压46 V、每相2.5 A及以下的步进电机。两个使能信号端ENA和ENB可分别控制两桥工作，每个桥的两端臂低端三极管发射极连接在一起，相应外接端分别连接检测电阻R1和R2。设置另一输入电源，使逻辑功能部分在低电平下工作，电机绕组回路不串联电阻，这样电流上升的速度会很快，从而使绕组电流保持往额定值附近内波动，步进电机可获得良好的矩频特性[7]。由于电源电压并小是一直向绕组供电，而只是一个个窄脉冲，总的输入能量是各脉冲时间的电压与电流乘积的积分，取自电源的能量大幅度下降，具有很高的效率，降低了发热量。

3 软件设计

系统软件部分包含正、余弦波阶梯参考电压实现，步进电机的加速、匀速、减速功能的控制和上位机接口界面设计。上位机软件设计采用visual basic 6.0通信控件MSComm进行串行通信程序的设计[8]。通过通信控件间接调用Windows API函数通过MAX232电平转换之后与单片机进行串口通信。上位机主要用来设置步进电机的细分倍数，实现步进电机正反转、运行速度、启停等参数。

3.1 步进电机的细分和正反转控制

正、余弦表的生成和查表是本步进电机驱动电路的细分设计的主要环节，利用C语言程序可将一个正弦波形等分成256个离散数值，并转化为二进制数据，做成表格，固化在单片机ROM内部。其计算公式 (1)

式中：Y1——为细分JF弦值；

Y2——为细分余弦值；N——细分数为255:

要实现步进角的多级细分, 可采用循环增量查表法。针对该最大细分数值表Y1和Y2设置步进变量step作为索引值，程序运行时，索引值进行自我相加，然后将对应表中位置取出数值分别送入数模转换器，同时单片机驱动步进电机，从而实现一个细分步进。

步进电机采用两相八拍控制，按照给定工作方式正序换相通电，步进电机正转。即 (A+) - (A+B+) - (B+) - (B+A-) - (A-) - (A-B-) - (B-) - (B-A+) - (A+) , 按反序通电换相[9]，则电机就反转。电机换相时一定要在电机停止时操作，以免产生较大的冲击脉冲损坏电机。

3.2 步进电机的加速、减速、匀速度控制

由于步进电机的极限启动频率比较低，而运行速度比较高，以要求的速度直接启动步进电机不能正常启动，因此步进电机在整个运行过程中需要有一个加速-恒速-减速停止的过程。速度控制是通过控制系统的脉冲频率或换向周期来实现的[10]。在本系统设计中采用定时器0中断方式确定步进电机的加、减速运行频率，其中断服务子程序实现改变步进电机的驱动脉冲。定时器初值计算公式为：

式中：time——为脉冲切换时间，通过公式 (2) 结合各加、减速曲线段的频率来计算装载延时初值，通过改变time值可以很方便凋节步进电机的运行速度。为了缩短速度转换时间，结合各曲线段的频率通过转换为定时初值，建立一个连续的加速初值表、减速初值表分别存储在程序存储器中，恒速运行时，换相延时固定，可采用函数延时。在步进电机加速、减速的过程中不进行细分控制，仅在恒速过程中使用细分控制，其主程序和正、反转详细流程图见图5和图6所示。

4 实验总结

本系统已在光路开关控制系统中使用，系统驱动对象为2HB42系列二相步进电机，驱动电流范围为0.6 A，采用8位DAC芯片，恒速运行时细分步数最大为256，最小步进角0.42′，具有良好平滑运行性能。采用加、减速控制较好解决了步进电机低频振荡和高频出力不足的问题，能够精确控制开关阀的位置，较好的满足系统稳定性的要求，采用L6506D+L298联合集成芯片为驱动电路可以提高驱动器的集成度，缩小体积，明显提高步进电机转动可靠性和定位准确性等优点适于小型步进电机控制的广泛应用。

摘要：步进电机广泛使用在数控领域, 虽然市场有很多步进电机驱动器.但不能完全满足精密仪器高精度定位的特殊要求。文中分析了基于步进电机的恒流细分驱动原理和恒力矩均匀细分控制策略, 设计了以单片机AT89C52为控制核心, 结合两片8位DAC、L6506/L298芯片组成的驱动控制系统, 采用细分和加减速控制技术, 克服步进电机启动失步和停止时过冲现象。实验表明, 该步进电机的控制系统运行平稳和定位准确。

关键词：两相步进电机,细分控制,电流控制器,双全桥驱动器

参考文献

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细分驱动电路 篇8

采用FPGA控制步进电机, 利用其中的EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形, 对多相步进电机进行灵活的控制。当改变控制波形表的数据、增加计数器的位数, 提高计数精度, 就可以对步进电机的步进转角进行任意细分, 实现步进转角的精确控制。

1 步进电机在高精度输液泵中的应用

高精度输液泵由微机系统、泵装置、检测装置、报警装置和输入及显示装置等5部分组成。工作原理是用步进电机带动输液泵内部蠕动排以波动方式连续挤压充满液体的输液管, 推动管内液体向下流动, 对系统输入特定信号以达到精确控制流量与流速。控制器驱动步进电机, 按照给定输液总量与输液速度转化的脉冲信号调整转速, 步进电机转速与输液速度成正比, 控制步进电机转速即可改变输液速度。

2 步进电机八细分原理

步进电机由脉冲分配器、功率放大器两部分组成。由脉冲信号控制角位移, 通过内部磁场的变化驱使电机转动。

步进电机四相励磁绕组通电时, 产生的磁场矢量。给不同的两项通电时, 产生合成磁场矢量。当给步进电机的四相轮流通电时, 内部磁场产生旋转。内部磁场变化时, 电机的转子转过一个齿距。齿距的大小与电机的相数和运行拍数有关。电机以单四拍方式运行时齿距为90度, 以四项八拍方式运行时齿距为45度, 实现了步距角的二细分。

因此, 要减小齿距, 就需要增大细分数。可以通过使电机各相励磁绕组中的电流按阶梯变化, 增加电流变化的中间状态, 来增大细分数。当电机各相电流以1/4的步距变化时, 在原来二细分的基础上增加7个稳定的中间状态, 原来一步所转过的角度由8步完成, 实现了步距角的八细分。

3 细分驱动控制系统设计

基于FPGA的细分驱动控制系统是由脉冲计数器、地址计数器、波形存储器、比较器、功放电路等组成。

3.1 脉冲计数器

脉冲计数器用于产生阶梯形上升的周期性锯齿波, 与波形存储器中的数值通过比较器得出比较结果。计数值小于波形存储器输出数值时比较器输出低电平, 反之输出高电平。脉冲计数器的部分设计代码为:

3.2 地址计数器

波形ROM的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制, 可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作停止状态。

地址计数器的部分代码为:

3.3 波形存储器

波形存储器中存储着不同时刻细分电流波形所对应的数值。根据细分的要求, 波形数据为16位二进制数, 共32个。设置地址与数据表的表达格式均用十六进制表示。波形存储器中的数据如图1所示。

4 结论

非细分旋转就是分别给步进电机的四相通电, 各相电流变化的过程中没有多个稳定的中间状态, 只有1个状态, 而细分控制电机之后, 可以再各相通电电流变化的过程中, 加入多个稳定的中间状态, 从而就形成了多个稳定的磁场力, 可以让步进电机每步转更小的角度, 实现了对转速的高精度控制, 所以, 相比与非细分步进电机控制, 步进电机细分控制可以完成更多的对速度有高精度要求的项目。

16细分及以上的更高细分控制方式, 也是通过改变ROM中的PWM波形数据、地址计数器的输出位数、PWM计数器的输出位数和数据比较器的输入位数实现的。

摘要：本文通过分析步进电机的工作原理及其在高精度输液泵中的应用, 介绍了步进电机细分控制, 从而提出了基于FPGA控制的PWM细分驱动技术。

关键词：步进电机,FPGA,细分驱动,PWM

参考文献

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