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　　現代步進(jìn)電機驅動(dòng)系統通常使用集成電路功率芯片驅動(dòng)電機運轉，有時(shí)可能還會(huì )集成一些簡(jiǎn)單的控制功能，像電流控制。有些較先進(jìn)的控制芯片還集成一個(gè)狀態(tài)機，對步進(jìn)電機的步進(jìn)順序進(jìn)行相應的控制。一般而言，步進(jìn)時(shí)序和運動(dòng)曲線(xiàn)是由一個(gè)外部微控制器或專(zhuān)用的ASIC邏輯電路控制的。如果需要控制多臺電機，解決辦法無(wú)非是給每臺電機安裝專(zhuān)用邏輯電路或者在微控制器上安裝每臺電機的控制軟件。通過(guò)在一顆芯片上集成一個(gè)數字控制內核和驅動(dòng)電路，意法半導體的新產(chǎn)品 L6470可簡(jiǎn)化多電機控制系統的設計。這款新IC采用電壓控制模式，能夠以1/128微步進(jìn)管理用戶(hù)設置的運動(dòng)曲線(xiàn)，而且這些操作對主微控制器的負荷影響微乎其微。在采用該控制器的系統中，因為微控制器只需向控制器發(fā)出高級運動(dòng)命令，所以只用一個(gè)微控制器即可輕松管理多臺電機。

　　前言

　　意法半導體新推出的步進(jìn)電機控制芯片L6470在一顆芯片上集成了功率級和一個(gè)數字控制內核。這款步進(jìn)電機控制芯片能夠通過(guò)SPI接口接收微控制器的運動(dòng)曲線(xiàn)命令，按照預制的加速度和速度曲線(xiàn)自動(dòng)執行運動(dòng)，還能自動(dòng)加快電機的運轉速度，并使之保持預設的轉速。

　　該控制器的結構如圖1所示。控制邏輯電路是一個(gè)可以設置的狀態(tài)機，能夠接收并保存各種參數，例如：加速度、減速度、啟動(dòng)轉速、轉速、相電流控制 （PWM）和步進(jìn)模式。從全步進(jìn)到1/128微步進(jìn)，該控制器共支持8種步進(jìn)模式。內部絕對位置計數器負責計算所選步進(jìn)模式的步進(jìn)或微步進(jìn)的數量，以相當于該步進(jìn)模式的分辨率跟蹤電機轉子位置。每步旋轉1.8 度，1/128微步電機轉子旋轉一整圈后，位置計數器將自動(dòng)增加25600（128×200步）。

　　所有的運動(dòng)參數和命令都是通過(guò)SPI接口送到控制器。控制邏輯電路負責解釋前進(jìn)步數等運動(dòng)命令，控制電機從靜止開(kāi)始做加速運轉再返回到停止狀態(tài)所需的步進(jìn)時(shí)間和步數輸出，同時(shí)執行命令中的步進(jìn)總數。該芯片還能給這些運動(dòng)命令排隊和發(fā)送，進(jìn)行復雜的運動(dòng)控制，從而能夠大幅減少微控制器的開(kāi)銷(xiāo)。

　　圖1：結構框圖。

　　運動(dòng)和位置命令

　　數字內核可執行五種運動(dòng)命令和4種停止命令：

　　圖2所示是Move命令的一個(gè)典型運動(dòng)曲線(xiàn)。當接收到一條 Move命令時(shí)，控制器將計算電機從靜止開(kāi)始做加速運轉再返回到起始位置所需的步數N的運動(dòng)曲線(xiàn)，整個(gè)過(guò)程都是由數字內核硬件獨立完成的。

　　GoTo命令指示驅動(dòng)器根據內部22位絕對位置計數器的數值驅動(dòng)電機旋轉到一個(gè)特定位置。 GoTo命令分為兩種：一種沿特定方向旋轉；另一種是沿最直接路徑旋轉，即確定以最少步數達到所需位置的運動(dòng)方向。對于每步旋轉1.8度的1/128微步電動(dòng)機，22位計數器的解析率相當于電機旋轉大約164周。即便齒輪減速比很大，有效解析率仍然在位置計數器的范圍內。GoTo命令的運動(dòng)曲線(xiàn)看起來(lái)與Move命令曲線(xiàn)相同，但是有一點(diǎn)不同，在GoTo命令中，達到命令指定的絕對位置所需步數是自動(dòng)計算結果。

　　Run和GoUntil命令用于使電動(dòng)機保持恒速旋轉，直到接到一條制動(dòng)命令 （適用于Run命令）或者有外部事件發(fā)生（適用于GoUntil）為止。當接收到一條制動(dòng)命令時(shí)，控制器執行下面兩種操作之一：緊急制動(dòng)或減速制動(dòng)。該器件還能執行緊急制動(dòng)或減速停止，然后提供三態(tài)輸出。

　　圖2：典型運動(dòng)曲線(xiàn)。

　　如圖3所示，使用一系列Run命令可以執行復雜的運動(dòng)。每接到一個(gè)新的Run命令后，控制器都會(huì )驅動(dòng)電機做加速或減速旋轉到新命令指定的位置，并以指定速度保持旋轉，直到接收到下一條Run命令或一條Stop命令為止。當接收到一條反向運轉命令時(shí)，電機減到最低速度，然后再向相反方向加速運轉。

　　圖3：多條Run命令可實(shí)現復雜運動(dòng)。

　　電壓控制式微步進(jìn)

　　通常情況下，步進(jìn)電機驅動(dòng)電路是電流式控制設計，電流控制器監測并控制繞組電流強度。這種結構讓設計人員能夠在寬轉速范圍內保持所需的轉矩，而且電源電壓波動(dòng)很小。這種設計非常適合全步和半步驅動(dòng)器，而且也易于實(shí)現。很多設計人員避免在微步進(jìn)驅動(dòng)器中使用電壓控制方式，因為電源電壓變化導致峰流有很大變化，而且，隨著(zhù)轉速提高，電機的反電動(dòng)勢（EMF ）也會(huì )增強。不過(guò)，利用數字控制技術(shù)可以修正這些不利因素。

　　Run （Direction， Speed）：加速運轉直到接到停止命令為止

　　Move （Direction， N_Steps）：沿命令方向運動(dòng)N步

　　GoTo （Position）：沿最直接路徑運動(dòng)到絕對位置

　　GoTo （Direction， Position）：沿指令方向運動(dòng)到絕對位置

　　GoUntil （Act， Direction， Speed）：加速運轉直到有外部事件發(fā)生為止

　　SoftStop：減速直到停止

　　Hard Stop：緊急制動(dòng)（無(wú)減速過(guò)程）

　　SoftHiZ：減速到停止，然后關(guān)閉電橋

　　HardHiZ：緊急制動(dòng)，并關(guān)閉電橋

　　在開(kāi)始任何運動(dòng)之前，通過(guò)SIP接口使用SetParam命令設置運轉參數：最低轉速、最高轉速、加速度、減速度以及其它運動(dòng)參數值。為確保運動(dòng)的完整性，在電機運動(dòng)過(guò)程中，運動(dòng)曲線(xiàn)的很多參數值是鎖定的，只能在電機被制動(dòng)后才能更改這些參數。

　　為實(shí)現這種電壓控制式驅動(dòng)電路，需要利用一個(gè)PWM計數器/定時(shí)器電路來(lái)控制輸出脈寬，以數字方式設置輸出占空比。L6470通過(guò)在電機繞組上施加電壓來(lái)控制相電流。雖然不能直接控制相電流的幅度，但是，相電流與相電壓的大小、負載、轉矩、電機電學(xué)特性和轉速密切相關(guān)。有效輸出電壓與電機電源電壓和KVAL系數的積成正比。KVAL的取值范圍是電源電壓的0%到100%。在微步進(jìn)驅動(dòng)器中，這個(gè)最大值再乘以調制指數，可產(chǎn)生所選步數的正弦波。峰值電壓由下面的公式得出：

　　新的步進(jìn)電機控制器/驅動(dòng)器簡(jiǎn)化步進(jìn)電機系統設計（電子系統設計）

　　KVAL值由下面的公式得出： KVAL= （Ipk x R）/Vs

　　其中：Ipk=所需的峰流，Vs=典型電源電壓，R=電機繞組電阻

　　該器件的寄存器支持加速度、減速度、恒速運轉和保持位置等不同的 KVAL設置，在運動(dòng)曲線(xiàn)每個(gè)部分輕松實(shí)現不同的轉矩設置。

　　BEMF補償

　　如果在整個(gè)轉速范圍內始終向電機供給相同的峰值電壓，隨著(zhù)電機轉速增加，電流強度會(huì )逐漸降低，因為電機的反電動(dòng)勢BEMF會(huì )顯著(zhù)降低施加到線(xiàn)圈上的電壓。圖4左邊的波形描述了沒(méi)有采用BEMF補償技術(shù)的電機工作狀況。從圖中不難看出，隨著(zhù)電機轉速增加，BEM以線(xiàn)性方式提高，因為線(xiàn)圈上的電壓是實(shí)際施加的相電壓與BEMF電壓的差值，所以電流將會(huì )降低。

　　圖4：有BEMF補償電路和無(wú)BEMF補償電路的相電流。

　　為修正BEMF增加對電流的影響，該產(chǎn)品在KVAL系數中增加一個(gè)修正BEMF的因數。本質(zhì)上，就是在 KVAL初始設置值中增加一個(gè)修正值，以抵消BEMF的影響。由于BEMF直接與轉速成正比，因此這個(gè)修正值因數是一個(gè)斜率，根據這個(gè)斜率和電流轉速來(lái)計算實(shí)時(shí)修正值。該產(chǎn)品提供不同的修正值：第一個(gè)值是一個(gè)標準值，適用于電機從零轉速開(kāi)始加速運轉，直到相交轉速參數INT_SPEED設置的最高速度為止。在相交速度之上，可以用兩個(gè)附加的斜率調整標準斜率，一個(gè)用于恒速運轉和加速度，另一個(gè)則用于減速運轉。當 BEMF修正值設置適當時(shí)，峰值電流在電機全程轉速范圍內保持恒定，如圖4所示。圖6描述了當一個(gè)電機加速運轉時(shí)的實(shí)際電流波形。

　　圖5： BEMF修正曲線(xiàn)。

　　圖6： 有BEMF修正功能的相電流。

　　電源和相電阻修正

　　電機的電源電壓和相電阻是另外兩個(gè)影響相電流的主要因素。因為控制器采用電壓控制方式，對輸出占空比進(jìn)行控制，所以這兩個(gè)要素之中任何一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì )影響相電流。

　　當電機沒(méi)有穩壓電源時(shí)，在從電源到電機驅動(dòng)電路的電壓上會(huì )出現大量的脈動(dòng)電壓。隨著(zhù)電源電壓變化，電機電流也會(huì )波動(dòng)。如果電源上的脈動(dòng)電壓很大，當電機電流變得太小時(shí)，電機很可能會(huì )停止運轉。該控制器內置一個(gè)電源電壓修正電路，如圖7所示。在這個(gè)電路內，內部模數轉換器負責測定電源電壓，然后由在數字內核實(shí)現的修正算法計算修正因數，將其施加到PWM占空比內，使輸出電壓值在整個(gè)電源電壓變化范圍內保持恒定。

　　圖7： 電源修正。

　　隨著(zhù)電機發(fā)熱，相阻變化也會(huì )直接影響相電流。KTHERM設置用于修正電機內部發(fā)熱導致的相阻變化。驅動(dòng)器控制器的軟件可以監測或估計電機溫度的升高狀況，設置KTHERM值，修正因為溫度升高而引起的電機相阻的變化。例如，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的算法測定在運轉間隔時(shí)電機停止運轉時(shí)的相阻，根據測量結果調整KTHERM值。

　　結論

　　L6470實(shí)現的功能讓設計人員可以實(shí)現電壓控制式微步進(jìn)驅動(dòng)器，修正過(guò)去需要采用電流控制式驅動(dòng)器才能解決的典型的系統問(wèn)題。從總體上看，系統控制變得更加順暢，沒(méi)有電流控制式驅動(dòng)器的常見(jiàn)限制性問(wèn)題。使用數字化電壓控制式PWM方法，可以輕松實(shí)現每步最多128微步進(jìn) 的微步進(jìn)驅動(dòng)器。電壓控制式解決方案的正弦波曲線(xiàn)更加精確，位置解析率高于電流控制式方法，電壓控制式操作可大幅降低系統諧振。此外，該器件實(shí)現的數字運動(dòng)引擎能夠大幅降低系統微控制器的負荷，在多電機應用環(huán)境中，無(wú)需另設一個(gè)專(zhuān)用微控制器。