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AN-1153步进电机控制器

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参考

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介绍

步进电机是最广泛使用的执行器,用于高精度运动。它们用于路由系统,3D打印机,机器人等。

对于类似的应用,过去使用亚博国际官网平台网址了伺服电机;但是,与步进电机相比,它们具有更高的成本和复杂性,因为制造它们(位置传感器和误差放大器等)所需的附加组件。这就是为什么今天,理想的选择通常是一个步进电机,因为控制它更简单,它具有良好的准确性,扭矩,适中的速度和低成本。

步进电机的应用程序需要两个组件:

  • 控制器:这是一种能够连续地为驱动器产生步进脉冲以使电动机旋转的IC。
  • 驱动程序:它是控制器的步骤信号与电机绕组的必要电流之间的接口。有各种类型的司机;经常使用的是H桥。

有几种方法可以实现步进电机控制器。其中一个是通过使用微控制器。在这样的场景中,用户必须编程自己的固件来控制速度和方向。通常,专用的微控制器用作主控制器,因为生成步骤脉冲是连续任务。

控制步进电机的另一种方法是使用专用的独立集成电路(IC)。有几种不同品牌的商业IC,基于外部时钟和控制信号实现步进脉冲。在这种情况下,用户必须配置运动方向并且必须提供时钟信号。

对于最常见的应用,基于微控制器的解决方案亚博国际官网平台网址更昂贵,并且复杂,因为用户还包括所有外部组件,例如晶体,电阻器,晶体管,二极管和解耦电容器以运行固件。相反,商业IC旨在执行相同的任务,而无需对任何内容进行编程。

在此应用笔记中,SLG46531V将被配置为作为商业IC控制器运行。将基于设置运动方向的外部信号生成步进脉冲。此外,用户将能够能够在外部启用或禁用运动,并且需要提供外部时钟以定义速度运动。

步进电机描述

允许步进电机被称为所以,因为转子以离散的步骤移动,而不是像传统电动机一样连续地旋转。两个相位步进电机(传统版)中的电机线圈有两个基本的绕组布置:单极和双极。

单极步进电机具有单相击落的奇异绕组。在绕组的每个截面上,可以使用单向流动电流来确定磁场的方向。在图1中,可以看到示意图。要旋转,用户必须将顺序电流施加到绕组的每一半的正确方向。

图1.单极电机原理图

双极步进电机每相单个绕组。绕组中的电流需要颠倒以反转磁极以旋转转子。在图2中,可以看到另一种原理图。为了旋转,用户必须顺序地将电流施加到每个绕组,在每个步骤中反转流量电流方向。

图2.双极电机原理图

在本应用笔记中,我们将使用双极步进电机,因为电流流过整个线圈,它们具有更多的扭矩。如果要使用单极步进电机,则必须对驾驶员电路进行轻微的修改;但是,控制器可以无需修改即可使用。

在双极电机中有三种控制绕组电流步骤的典型方式。

完整的步骤方法是驱动电机的通常方法。两相始终通电(具有相应的电流方向),确保转子总是在两个杆位置之间对齐。这样,电机将提供其最大扭矩。

波驱动方法一次只能激励一期。它具有与完整步骤驱动相同的步骤,但电机将具有显着较小的扭矩。因此,很少使用。

半步法激励一个相,然后两个,然后是一个等等。

这确保了电机以半步增量移动。利用这种方法,角度分辨率得到递增,但与完整步进方法的方法相比,扭矩相当较小。

步进电机的参数之一是每次旋转的平方角度。它表示需要进行多少步骤来制造电机;这反过来定义了必须为给定距离重复驱动方法的序列的次数。

要与电动机接口步进脉冲,H桥用于提供电流。有几个商业H桥集成电路,或者我们可以使用对话框的GreenPak IC来实现它。

该应用笔记将实现完整的步骤方法和半步骤方法,使得用户可以用来自控制器的输入选择它们中的一个。

逻辑描述和示意图

可以使用图3中所示的示意图描述了本申请中实现的设计。

系统以及H桥的简化原理图中可以在图3中看到系统的输入和输出。表1中描述了输入和输出。

图3中所示的H桥是电路的简化示意图。每个桥控制步进电机的一个相的电流,所以在这种情况下,需要两个H桥。

如果使能信号设置为高,则实现的控制器在输出A,B,C和D处生成步进脉冲。在这种情况下,关闭1和关闭2的信号均设定为高电平,并且根据信号A / C的电平产生步骤序列。如果A / C低,则生成逆时针运动的序列,但如果它高,则生成用于顺时针运动的序列。

图3.应用原理图
表1.设计的输入和输出

信号

功能

H / F.

确定控制方法。低电平表示半步法,高电平表示完整的步骤方法。

A / C.

确定运动的方向。低电平表示逆时针旋转,高电平表示顺时针旋转。

使能够

高级使控制器启动,启动运动。低级禁用控制器,停止动作。

一种

电机相位是步进信号。

B.

电机相位B步进信号。

C

电机相C步骤信号。

D.

电机阶段D步骤信号。

off1.

控制其中一个H桥。当低时,所有晶体管输出都关闭。

off2.

与第二个H桥相同的1。

此外,序列取决于所选方法。如果H / F低,则生成半步序列,如果h / f高,则生成完整的步骤序列。为了更改方向或方法,它将首先禁用动作是值得推荐的。

当禁用运动时,信号A,B,C,D,关闭1和关闭2被设置为低电平。

在图4中,示出了半步骤方法的步进脉冲序列。

图4.顺时针逐步脉冲序列

在图5中,示出了完整步进方法的步进脉冲序列。

图5.顺时针逐步脉冲序列

要实现序列,将使用具有GreenPak的ASM模块的顺序信号发生器。

执行

如前所述,步进电机运动基于一系列步骤。要实现它,使用SLG46531V的异步状态机模块。

ASM模块配置为最大序列(半步骤),因为它可以在图6中看到。有8个态;一个每一步。

图6. ASM状态

ASM是线性定序器,其可以从状态0到状态7或从状态7到状态0,以实现顺时针或逆时针运动。

在图7中,显示了ASM输出配置。

图7. ASM状态

A,B,C和D配置有系统输出的相应值为半步法;因此,在此方法的情况下,GreenPak输出将复制这些值。

AO,BO,CO并确实是完整步进方法的位标志。因为在这种方法中,两个线圈始终通电,这些位指示在步骤中必须高的输出,对应于半步法的一个通电线圈。

这些标志稍后在输出逻辑中使用。时钟控制模块可以在图8中看到,图9中具有4位LUT1配置。

图8.时钟控制
图9. 4 - 但LUT1配置

ASM状态之间的转换由4位LUT1输出和2位LUT控制。

要从均匀状态更改为奇数状态,4位LUT1的输出必须低。要从奇数状态更改为偶数状态,4位LUT1的输出必须高。

为了实现这一点,在半步骤方法(低状态下的H / F)的情况下,时钟输入连接到DFF4,DFF4被配置为T型FF。4位LUT1复制FF的输出(这由连接到IN2的H / F定义)。

在完整步进方法(H / F以高状态输入)的情况下,时钟由4位LUT1直接复制。通过此逻辑,半步骤方法中的ASM在时钟的每个上升沿改变其状态(每个上升沿是从低到高或高到低电平的DFF4输出转换)。

在完整的步骤方法中,ASM在时钟的两个边缘上改变其状态,因此每个电机的步骤(每个时钟周期)对应于ASM的两个状态。2位LUT0,LUT1,LUT2和LUT3根据引脚A / C选择的运动的方向确定是否要对下一个状态或前一个状态进行转换。

输出模块可以在图10中可以看出,图11中具有4位LUT0配置。

图10.输出模块
图11. 4 - 但Lut0配置

每个输出的逻辑取决于相应的引脚的ASM输出(A),相应的ASM标志输出(AO),使能信号和运动方向信号。如果选择了半步骤方法,则引脚复制了ASM的引脚输出。如果选择完整的步进方法,则当相应的ASM输出高或当相应的ASM标志输出高时,引脚高。以这种方式,输出在同一步骤的两个状态下高。

换句话说,考虑到ASM在时钟的两个边缘上改变到另一个状态,并且每个完整步骤对应于ASM的两个状态,在时钟的每个上升沿完成完整步骤。

对于输出B,C和D,使用相同的逻辑,但是用两个3位LUT实现,因为GreenPak没有更多的4位LUT。

所有输出和时钟模块也取决于使能信号。使能信号确定模块的输出信号是否总是低(当用户禁用控制器时)或是否启用输出。

图12.步进电机控制器框图

此外,此输入将复制到OFF 1和OFF 2输出。整个实现如图12所示。

测试和结论

为了测试实现,用逻辑分析仪注册信号时钟,A,B,C和D.

图13.半步输出测试
图14.完整步骤输出测试

半步方法输出可以在图13中看到,并且可以在图14中看到完整的步进方法输出。

在本应用笔记中,使用SLG46531V实现步进电机控制器。用户必须设置方向,控制方法,并且还必须提供一个时钟使电机旋转。

在时钟的每个上升沿完成步骤,并设计输出以控制电机线圈的驱动电路。利用该实现,用户仅需要提供没有任何其他外部电路或受控逻辑的时钟信号以产生步进脉冲。