步進(jìn)電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

意法半導(dǎo)體新推出的步進(jìn)電機(jī)控制芯片L6470在一顆芯片上集成了功率級(jí)和一個(gè)數(shù)字控制內(nèi)核。這款步進(jìn)電機(jī)控制芯片能夠通過(guò)SPI接口接收微控制器的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)命令，按照預(yù)制的加速度和速度曲線(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，還能自動(dòng)加快電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，并使之保持預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速。

該控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂七壿嬰娐肥且粋€(gè)可以設(shè)置的狀態(tài)機(jī)，能夠接收并保存各種參數(shù)，例如：加速度、減速度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(nèi)部絕對(duì)位置計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)計(jì)算所選步進(jìn)模式的步進(jìn)或微步進(jìn)的數(shù)量，以相當(dāng)于該步進(jìn)模式的分辨率跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。每步旋轉(zhuǎn)1.8 度，1/128微步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一整圈后，位置計(jì)數(shù)器將自動(dòng)增加25600（128 × 200步）。

所有的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和命令都是通過(guò)SPI接口送到控制器。控制邏輯電路負(fù)責(zé)解釋前進(jìn)步數(shù)等運(yùn)動(dòng)命令，控制電機(jī)從靜止開(kāi)始做加速運(yùn)轉(zhuǎn)再返回到停止?fàn)顟B(tài)所需的步進(jìn)時(shí)間和步數(shù)輸出，同時(shí)執(zhí)行命令中的步進(jìn)總數(shù)。該芯片還能給這些運(yùn)動(dòng)命令排隊(duì)和發(fā)送，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，從而能夠大幅減少微控制器的開(kāi)銷(xiāo)。

圖1: 結(jié)構(gòu)框圖

運(yùn)動(dòng)和位置命令

數(shù)字內(nèi)核可執(zhí)行五種運(yùn)動(dòng)命令和4種停止命令:

Run (Direction, Speed) 加速運(yùn)轉(zhuǎn)直到接到停止命令為止

Move (Direction, N_Steps) 沿命令方向運(yùn)動(dòng)N步

GoTo (Position) 沿最直接路徑運(yùn)動(dòng)到絕對(duì)位置

GoTo (Direction, Position) 沿指令方向運(yùn)動(dòng)到絕對(duì)位置

GoUntil (Act, Direction, Speed) 加速運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)之前，通過(guò)SIP接口使用SetParam命令設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)：最低轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、加速度、減速度以及其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)值。為確保運(yùn)動(dòng)的完整性，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)的很多參數(shù)值是鎖定的，只能在電機(jī)被制動(dòng)后才能更改這些參數(shù)。

圖2所示是Move命令的一個(gè)典型運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。當(dāng)接收到一條 Move命令時(shí)，控制器將計(jì)算電機(jī)從靜止開(kāi)始做加速運(yùn)轉(zhuǎn)再返回到起始位置所需的步數(shù)N的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，整個(gè)過(guò)程都是由數(shù)字內(nèi)核硬件獨(dú)立完成的。

GoTo命令指示驅(qū)動(dòng)器根據(jù)內(nèi)部22位絕對(duì)位置計(jì)數(shù)器的數(shù)值驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)特定位置。 GoTo命令分為兩種：一種沿特定方向旋轉(zhuǎn)；另一種是沿最直接路徑旋轉(zhuǎn)，即確定以最少步數(shù)達(dá)到所需位置的運(yùn)動(dòng)方向。對(duì)于每步旋轉(zhuǎn)1.8度的1/128微步電動(dòng)機(jī)，22位計(jì)數(shù)器的解析率相當(dāng)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)大約164周。即便齒輪減速比很大，有效解析率仍然在位置計(jì)數(shù)器的范圍內(nèi)。GoTo命令的運(yùn)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(dá)到命令指定的絕對(duì)位置所需步數(shù)是自動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

Run和GoUntil命令用于使電動(dòng)機(jī)保持恒速旋轉(zhuǎn)，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(dāng)接收到一條制動(dòng)命令時(shí)，控制器執(zhí)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(zhí)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(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

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

圖 3:多條Run命令可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)