基于MC56F8323的兩相步進電機高速細分驅(qū)動模塊

1 引言

步進電機定位準確且與數(shù)字電路接口連接非常方便，無需反饋就可實現(xiàn)準確的角位移，在數(shù)控機床等許多領(lǐng)域中得到了廣泛應用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對步進電機細分控制技術(shù)的研究日趨深入，該技術(shù)不僅解決了步進電機步距角大的問題，提高了步進電機的分辨率，減弱或消除了步進電機的低頻振動，而且也改善了電機的其他性能。從而使步進電機的應用范圍進一步擴大，控制更加靈活。

2 步進電機細分驅(qū)動的基本原理

步進電機的細分功能采用數(shù)／模轉(zhuǎn)換技術(shù)，用階梯波驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方波驅(qū)動，使電機能以微步距“連續(xù)運動”。具體辦法一般為：微處理器接收步進信號的輸入，經(jīng)內(nèi)部識別處理后，查表得到電機的驅(qū)動電流大小。并將這個數(shù)值與當前步進電機的工作電流比較，滿足條件電流通，不滿足則斷。由此得到用來控制步進電機細分的正弦波階梯電流信號，經(jīng)驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動，使步進電機的相電流按近似正弦波的波形變化，使得電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，示意圖如圖1所示。

3 MC56F8323簡介

DSP處理器采用Freescale公司的MC56F8323，56F8300系列被稱為“合成控制器”，其含義是該器件采用的是結(jié)合了DSP與MCU功能的56800E內(nèi)核。MC56F8323內(nèi)核中保留了最常用和最有用的DSP和MCU指令集，簡化了編程難度，允許習慣于MCU的設(shè)計工程師采用C編譯器進行編程，簡化了其DSP代碼的編譯。MC56F8323內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過改進的哈佛架構(gòu)，擁有7條內(nèi)部程序總線和數(shù)據(jù)總線，其中2條為32位寬；內(nèi)部的數(shù)據(jù)RAM具有兩個端口，因此可在單個周期中進行兩次存取。這些特性對于處理器的處理控制能力非常重要。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，步進電機細分驅(qū)動模塊主要由變壓器、整流器、MC56F8323、MOSFET橋、電流檢測、保護電路等組成。MOSFET橋的開斷采用PWM控制，與MC56F8323的PWM模塊相連(P3、P4)；細分級選擇撥盤開關(guān)、電流設(shè)置開關(guān)、各控制信號與MC56F8323的GPIO相連。MC56F8323及其外圍電路圖如圖3所示。

5 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。模塊上電后，系統(tǒng)初始化，MC56F8323檢測電機運轉(zhuǎn)方向設(shè)置，當MC56F8323接收到步進脈沖信號時，在預先存儲的數(shù)據(jù)庫中查找出相應相位的電流值，MC56F8323內(nèi)置的PWM控制器輸出脈沖信號，開啟對應的MOSFET功率管，使電機朝設(shè)定方向運轉(zhuǎn)；電樞電流流經(jīng)霍爾器件，產(chǎn)生與電樞電流成比例的電流值，此電流值經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換放大，輸入MC56F8323的A／D轉(zhuǎn)換器輸入端，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中對應相位的預定值比較，如果電樞電流小于預定值，PWM繼續(xù)有效，MOSFET導通；若電樞電流大于預定值，PWM無效，MOSFET斷開；延遲一段時間后，PWM重新有效，系統(tǒng)繼續(xù)對電樞電流進行檢測，如此反復，直到下一個步進脈沖到來，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中查找出新的預定電流值，轉(zhuǎn)換結(jié)果將與此值作比較，輸出對應的PWM，控制MOSFET的工作狀態(tài)。

其他附加功能實現(xiàn)分別如下：通過控制I／V轉(zhuǎn)換器的放大倍數(shù)，達到電流可調(diào)的目的；系統(tǒng)每接收到步進脈沖，計數(shù)器開始計數(shù)，新的步進脈沖清零計數(shù)器初值，當計數(shù)器計數(shù)達到0.1 s，自動將電機當前電流值減半，進入半電流省電工作模式，便于下次啟動；系統(tǒng)試機功能采用MC56F8323片內(nèi)計數(shù)器分頻輸出的10 kHz脈沖信號作為步進脈沖，控制系統(tǒng)運行，以檢查系統(tǒng)的工作狀況；相位記憶功能使DSP記住數(shù)據(jù)庫訪問的當前位置，下次步進脈沖將從當前位置向下、向上取得新的各相電流預定值。

保護功能實現(xiàn)如下：通過對母線電壓分壓取樣，放大后，通過窗口比較器，如果發(fā)現(xiàn)高于預定最高值或低于預定最低值，向MC56F8323發(fā)出中斷請求，MC56F8323立即響應中斷請求，屏蔽步進脈沖輸入，關(guān)閉系統(tǒng)總電源，實現(xiàn)過壓、欠壓保護功能；將兩相電流絕對值相加，如果大于預定值，說明流經(jīng)電機電流過大，電機負載過重，則屏蔽步進脈沖輸入，關(guān)閉電源，實現(xiàn)過流、過載保護；防浪涌電流、泵升抑制電路采用全硬件方式實現(xiàn)，提高反應速度。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計基本實現(xiàn)了一個包括過壓、欠壓、過流、過載、過熱、斷(缺)相、防浪涌電流、泵升電壓抑制等功能的步進電機高速細分模塊方案，實現(xiàn)了步進電機的高速精確控制，同時也附加了完整的保護系統(tǒng)，擴展了步進電機的應用領(lǐng)域，延長了電機的使用壽命，具有廣闊的應用空間和市場前景。