步進(jìn)電機(jī)非常適合許多測量和控制應(yīng)用。然而，它們的優(yōu)勢只能通過圍繞適當(dāng)?shù)?MCU 構(gòu)建的仔細(xì)電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

　　步進(jìn)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為離散的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。它們非常適合定位精度很重要的許多測量和控制應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　旋轉(zhuǎn)停止時(shí)的全扭矩。這與有刷和無刷直流電機(jī)形成對比，后者在轉(zhuǎn)子停止時(shí)無法連續(xù)提供全扭矩。這有助于保持當(dāng)前位置。

　　精確的開環(huán)定位和重復(fù)。只要電機(jī)保持在最大扭矩和電流限制以下，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)以離散的步長移動(dòng)。這允許轉(zhuǎn)子位置由控制序列確定，而無需額外的跟蹤或反饋。高質(zhì)量的步進(jìn)電機(jī)在單步內(nèi)具有 3% 到 5% 的精度。

　　快速啟動(dòng)、停止和反向功能。

　　高可靠性，因?yàn)閾Q向不需要電刷或物理接觸。步進(jìn)電機(jī)的壽命取決于軸承的性能。

　　可以使用微步進(jìn)模式，允許直接連接到負(fù)載而無需中間齒輪。

　　通過改變驅(qū)動(dòng)信號時(shí)序可以控制較寬的速度范圍。

　　步進(jìn)電機(jī)也有一些缺點(diǎn)：

　　固有的共振會(huì)導(dǎo)致噪音、不平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，并且在極端情況下會(huì)導(dǎo)致位置丟失。

　　在某些情況下可能會(huì)失去位置控制，因?yàn)楸緳C(jī)不提供反饋。

　　即使沒有負(fù)載，功耗也不會(huì)降低到零。

　　與有刷和無刷直流電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)具有低功率密度和較低的最大速度。步進(jìn)電機(jī)的典型負(fù)載最大運(yùn)行速度約為 1000 RPM。

　　需要復(fù)雜的電子控制。

　　步進(jìn)電機(jī)是同步交流電機(jī)，與無刷直流 （BLDC） 屬于同一家族。

　　圖 1：電機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　步進(jìn)電機(jī)的類型 步進(jìn)電機(jī)

　　有幾種基本類型：

　　帶金屬齒的可變磁阻電機(jī)。

　　永磁電機(jī)。

　　具有永磁體和金屬齒的混合電機(jī)。

　　可變磁阻電機(jī)

　　可變磁阻步進(jìn)電機(jī)具有三到五個(gè)繞組和一個(gè)公共端子連接，在定子上形成多個(gè)相位。轉(zhuǎn)子是帶齒的，由金屬制成，但不是永久磁化的。簡化的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)如圖 2 所示。在該圖中，轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒，定子有三個(gè)獨(dú)立的繞組（六相），形成 30 度步進(jìn)。

　　圖 2：簡單的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)。

　　可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是通過激勵(lì)各個(gè)繞組來產(chǎn)生的。當(dāng)繞組通電時(shí)，電流流動(dòng)并產(chǎn)生磁極，從而吸引轉(zhuǎn)子的金屬齒。轉(zhuǎn)子移動(dòng)一步以將偏置齒與通電繞組對齊。在這個(gè)位置，下一個(gè)相鄰繞組可以通電以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)步驟，或者當(dāng)前繞組可以保持通電以將電機(jī)保持在其當(dāng)前位置。當(dāng)相位依次開啟時(shí)，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　所描述的旋轉(zhuǎn)與典型的 BLDC 電機(jī)相同。步進(jìn)電機(jī)和 BLDC 電機(jī)之間的根本區(qū)別在于，步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)為連續(xù)失速運(yùn)行而不會(huì)過熱或損壞。

　　具有三個(gè)繞組和四個(gè)轉(zhuǎn)子齒的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)如圖 3 所示。

　　繞組順序：1、2、3、1

　　→ 3 步 → 四分之一圈

　　每轉(zhuǎn) 12 步

　　如圖 3 所示，為每個(gè)電機(jī)通電繞組按順序?qū)⑥D(zhuǎn)子移動(dòng)四分之一圈，整圈需要 12 步。

　　表 1：圖 3 中的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)。

　　圖 3 所示的三個(gè)步驟將轉(zhuǎn)子移動(dòng)四分之一圈。對于可變磁阻步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 步。

　　典型的可變磁阻電機(jī)具有更多齒，并使用齒極和帶齒轉(zhuǎn)子來產(chǎn)生接近 1 度的步距角。

　　圖 3：可變磁阻步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。

　　永磁步進(jìn)電機(jī)

　　永磁步進(jìn)電機(jī)由帶有繞組的定子和帶有永磁極的轉(zhuǎn)子組成。交替的轉(zhuǎn)子磁極具有平行于電機(jī)軸線的直線形式。具有磁化轉(zhuǎn)子的步進(jìn)電機(jī)比具有可變磁阻的電機(jī)提供更大的磁通量和轉(zhuǎn)矩。如圖 4 所示，電機(jī)具有三個(gè)轉(zhuǎn)子磁極對和兩個(gè)獨(dú)立的定子繞組，形成 30 度步進(jìn)。

　　帶有永磁體的電機(jī)會(huì)受到轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢的影響，從而限制了最大速度。因此，當(dāng)需要高速時(shí)，可變磁阻電機(jī)優(yōu)于永磁電機(jī)。

　　圖 4：永磁步進(jìn)電機(jī)。

　　永磁步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是通過沿正向或負(fù)向?yàn)楦鱾€(gè)繞組通電來產(chǎn)生的。當(dāng)繞組通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生北極和南極，具體取決于電流流動(dòng)的極性。這些產(chǎn)生的磁極吸引轉(zhuǎn)子的永久磁極。轉(zhuǎn)子移動(dòng)一步以將偏移的永久磁極與相應(yīng)的通電繞組對齊。在這個(gè)位置，下一個(gè)相鄰繞組可以通電以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到另一個(gè)步驟，或者當(dāng)前繞組可以保持通電以將電機(jī)保持在其當(dāng)前位置。當(dāng)相位依次打開時(shí)，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　具有兩個(gè)繞組和三對永磁轉(zhuǎn)子磁極（六極）的永磁步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)如圖 5 所示。

　　繞線順序：

　　1 +/-、2 +/-、1 -/+、2 -/+ → 3 步 → 四分之一圈

　　每轉(zhuǎn) 12 步

　　表 2：圖 5 中的永磁步進(jìn)電機(jī)。

　　一個(gè)繞組通電后，三個(gè)步驟將轉(zhuǎn)子移動(dòng)四分之一圈。對于永磁步進(jìn)電機(jī)（雙極）來說，一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個(gè)步驟，每個(gè)步驟中兩個(gè)繞組都通電。如圖 5 所示，通過每個(gè)極性依次為每個(gè)繞組通電會(huì)使轉(zhuǎn)子移動(dòng)四分之一圈。和以前一樣，一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個(gè)步驟。

　　圖 5：永磁步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制，對各個(gè)繞組進(jìn)行排序。

　　旋轉(zhuǎn)永磁轉(zhuǎn)子的另一種替代方法是在每個(gè)步驟中為兩個(gè)繞組通電。每個(gè)線圈產(chǎn)生的矢量轉(zhuǎn)矩是相加的；這使電機(jī)中流動(dòng)的電流加倍，并增加了扭矩。還需要更復(fù)雜的控制來對兩個(gè)繞組的開啟和關(guān)閉進(jìn)行排序。

　　如圖 6 所示，在每個(gè)步驟中為兩個(gè)繞組通電，對每種極性組合進(jìn)行排序，使轉(zhuǎn)子移動(dòng)四分之一圈。和以前一樣，一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個(gè)步驟。

　　表 3：圖 6 中的永磁步進(jìn)電機(jī)。

　　圖 6：同時(shí)使用兩個(gè)繞組的永磁步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。

　　典型的永磁電機(jī)具有更多的磁極以產(chǎn)生更小的步長。為了使步進(jìn)顯著減小到 1 度，永磁轉(zhuǎn)子可以添加金屬齒和帶齒繞組。下一節(jié)將介紹這種混合電機(jī)。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)

　　混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合了永磁體和帶有金屬齒的轉(zhuǎn)子，以提供可變磁阻和永磁電機(jī)的特性?；旌想姍C(jī)比帶有永磁體的電機(jī)更昂貴，但它們使用更小的步距、更大的扭矩和更大的最大速度。

　　混合電機(jī)轉(zhuǎn)子的齒放置在定向軸上。轉(zhuǎn)子在恒定磁極之間分成多個(gè)部分。轉(zhuǎn)子極對的數(shù)量等于轉(zhuǎn)子部件之一上的齒數(shù)?；旌想姍C(jī)定子的齒產(chǎn)生的磁極比僅包含繞組的主磁極多。轉(zhuǎn)子齒在某些轉(zhuǎn)子位置提供了較小的磁路電阻，從而提高了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。這是由相應(yīng)的牙齒定位提供的；轉(zhuǎn)子齒的某些部分與定子齒相對放置，其余轉(zhuǎn)子齒位于定子齒之間。轉(zhuǎn)子極數(shù)、定子等效極數(shù)和相數(shù)之間的相關(guān)性定義步距角：

　　圖 7：混合式步進(jìn)電機(jī)。

　　混合式步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)采用與永磁步進(jìn)電機(jī)相同的控制方法，通過沿正向或負(fù)向激勵(lì)各個(gè)繞組來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)繞組通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生北極和南極，具體取決于電流流動(dòng)的極性。這些產(chǎn)生的磁極吸引轉(zhuǎn)子的永久磁極和更精細(xì)的金屬轉(zhuǎn)子齒。轉(zhuǎn)子移動(dòng)一步以將偏置磁化轉(zhuǎn)子齒與相應(yīng)的通電繞組對齊。

　　步進(jìn)電機(jī)控制

　　步進(jìn)電機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)。其固定的轉(zhuǎn)子平衡位置發(fā)生在與定子磁場對齊時(shí)。當(dāng)定子改變位置時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以占據(jù)新的平衡位置。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有以下幾種：

• 　　全步模式。
• 　　雙步模式。
• 　　半步模式。
• 　　微步模式。

　　這些模式中的每一種都以不同的方式控制步進(jìn)電機(jī)的相位。

　　旋轉(zhuǎn)控制

　　步進(jìn)電機(jī)可以通過多種方式進(jìn)行控制，以更高的精度和更平滑的過渡來權(quán)衡實(shí)施要求。全步、半步和微步的旋轉(zhuǎn)控制描述如下：

　　全步模式

　　永磁和混合式步進(jìn)電機(jī)的全步模式在步進(jìn)電機(jī)介紹中有詳細(xì)說明。圖 5 說明了單相全步模式，其中一次僅導(dǎo)通一個(gè)繞組。在這種模式下，轉(zhuǎn)子每一步的平衡位置與定子磁極一致。在給定時(shí)間僅使用一半的電機(jī)線圈，獲得的全部扭矩是有限的。

　　雙步模式

　　圖 6 所示的兩相全步模式在每一步都使用兩個(gè)繞組通電。與一次僅使用一個(gè)相時(shí)相比，這使通過電機(jī)的電流翻了一番，并提供了 40% 的扭矩。在兩個(gè)繞組通電的情況下，轉(zhuǎn)子每一步的平衡位置在兩個(gè)通電的定子磁極之間。

　　半步模式

　　全步和雙步驅(qū)動(dòng)模式可以組合起來，為半步模式生成半步旋轉(zhuǎn)。第一個(gè)繞組打開，然后第二個(gè)繞組通電，將轉(zhuǎn)子向第二個(gè)繞組移動(dòng)半步，如圖 8 所示。

　　在全步模式下通電的一個(gè)和兩個(gè)繞組組合的半步產(chǎn)生分辨率更高，但在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中不提供恒定扭矩。

　　圖 8：三個(gè)半步，1/8 圈。

　　微步模式

　　微步模式是半步驅(qū)動(dòng)模式的擴(kuò)展。不是將繞組中的電流從開到關(guān)切換，而是以較小的步長放大和縮小電流。當(dāng)兩相導(dǎo)通且各相電流不相等時(shí)，轉(zhuǎn)子位置由電流相位比決定。這種變化的電流比會(huì)在施加在轉(zhuǎn)子上的扭矩中產(chǎn)生離散的步進(jìn)，并導(dǎo)致每個(gè)完整步進(jìn)之間的旋轉(zhuǎn)分?jǐn)?shù)步長更小。微步模式減少了其他模式中存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和低速共振，并且在許多情況下都是必需的。

　　微步進(jìn)通過縮放來自兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)繞組的兩個(gè)附加轉(zhuǎn)矩矢量的貢獻(xiàn)來創(chuàng)建轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

　　圖 9：微步控制模式下的扭矩。

　　施加在轉(zhuǎn)子上的總轉(zhuǎn)矩是來自兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩的矢量相加。每個(gè)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的位置和步距角的正弦/余弦成比例。

　　通過縮放繞組之間的扭矩貢獻(xiàn)來創(chuàng)建分?jǐn)?shù)階。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩與與繞組中的電流成正比的磁通量成正比，所以可以通過控制每個(gè)繞組中流動(dòng)的電流來控制轉(zhuǎn)子的位置。為了在全步之間創(chuàng)建平滑的微步，電流在兩個(gè)繞組之間以 90 度相移正弦變化，如圖 10 所示。

　　通過使用電流模式降壓轉(zhuǎn)換器控制均方根 （RMS） 電流來縮放電流，當(dāng)與步進(jìn)電機(jī)一起使用時(shí)，通常稱為斬波驅(qū)動(dòng)器。使用每個(gè)相接地路徑中的檢測電阻器將相電流轉(zhuǎn)換為電壓。該電壓被路由到一個(gè)比較器，只要相電流上升到參考值以上，該比較器就會(huì)禁用輸出。比較器參考由電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （VDAC） 提供。通過為每個(gè)微步改變 VDAC 提供的電流限制，電機(jī)總轉(zhuǎn)矩對于正弦電流波形的每個(gè)步長保持大致恒定。

　　圖 10：微步模式的 VDAC 電流限制。

　　微步允許更精確地控制轉(zhuǎn)子位置，并且在旋轉(zhuǎn)方面也具有優(yōu)勢。微步的優(yōu)點(diǎn)是：

　　位置控制更準(zhǔn)確。

　　旋轉(zhuǎn)可以在步長的特定部分停止。

　　過渡更順暢。

　　阻尼共振在電機(jī)步進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的振蕩較少（尤其是在啟動(dòng)和減速時(shí)）。

　　更平滑的過渡如圖 11 所示。由于系統(tǒng)中的非理想因素（例如電阻損耗、靜摩擦和正弦電流限制的近似值），位置和過渡與理想計(jì)算有所不同。由于電機(jī)摩擦和機(jī)械誤差的影響，超過 16 的微步分辨率可能不明顯。

　　圖 11：步進(jìn)和有限振蕩之間的平滑過渡以及微步模式下的穩(wěn)定。

　　PSoC 3 簡介

　　CY8C3866AXI 器件位于 PSoC 3 架構(gòu)中。圖 12 顯示了該器件的框圖，其中突出顯示了步進(jìn)應(yīng)用程序中使用的模塊。

　　圖 12：PSoC 3 （CY8C3866AXI） 框圖。

　　數(shù)字子系統(tǒng)

　　PSoC 3 數(shù)字子系統(tǒng)提供獨(dú)特的功能和互連配置。步進(jìn)電機(jī)控制使用這些數(shù)字資源來實(shí)現(xiàn)定時(shí)器、脈寬調(diào)制器 （PWM） 模塊、控制寄存器和硬件查找表 （LUT）。

　　模擬子系統(tǒng)

　　PSoC 3 模擬子系統(tǒng)為器件提供了其獨(dú)特的可配置性的后半部分。步進(jìn)電機(jī)使用專用比較器、電壓 DAC 和可編程增益放大器 （PGA）。

　　基于 PSoC 3

　　的步進(jìn)電機(jī)控制 基于 CY8C3866AXI 的步進(jìn)電機(jī)控制框圖如圖 13 所示。PSoC Creator? 原理圖如圖 14 所示。

　　圖 13：PSoC 3 步進(jìn)電機(jī)控制器的框圖。

　　PSoC 3 器件的輸入控制信號是：

　　電機(jī)電流感應(yīng)：模擬輸入引腳用于檢測分流電阻器上的電機(jī)相電流。用于限制電機(jī)相位的電流。請參閱以下部分中的詳細(xì)信息。

　　用戶界面引腳

　　用戶輸入：模擬引腳讀取電位器以進(jìn)行參數(shù)輸入。菜單控制按鈕的兩個(gè)數(shù)字引腳。

　　字符 LCD：數(shù)字輸出端口（七針）驅(qū)動(dòng) DVK 上的字符 LCD，用于菜單選項(xiàng)和用戶反饋。

　　PSoC 3 器件的輸出是功率器件驅(qū)動(dòng)信號：

　　PWM 信號到高端驅(qū)動(dòng)器（四個(gè)數(shù)字輸出引腳）。

　　PWM 信號到低端驅(qū)動(dòng)器（四個(gè)數(shù)字輸出引腳）。

　　共有八個(gè)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字輸出引腳。

　　圖 14：用于步進(jìn)電機(jī)控制的 PSoC Creator 原理圖。

　　PWM 不用于產(chǎn)生與其他電機(jī)一起使用的典型脈寬調(diào)制輸出。相反，PWM 更像是一個(gè)定時(shí)器，以確保最大斬波頻率以避免驅(qū)動(dòng)器過熱。此外，PWM“終止電路”本身包括周期終止模式，該模式通過在比較器跳閘后在當(dāng)前 PWM 周期的剩余時(shí)間內(nèi)禁用驅(qū)動(dòng)輸出來實(shí)現(xiàn)斬波驅(qū)動(dòng)方法。

　　PWM 信號與當(dāng)前步進(jìn)級索引一起路由到查找表 （LUT） 邏輯塊。該邏輯塊使用通用數(shù)字塊 （UDB） 的 PLD 功能實(shí)現(xiàn) LUT，并根據(jù)每相的當(dāng)前極性將 PWM 信號路由到八個(gè)合法輸出控制組合。這些控制信號通過 GPIO 路由到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的外部電源驅(qū)動(dòng)器電路。在演示的斬波器驅(qū)動(dòng)拓?fù)渲校?a target="_blank">晶體管或 MOSFET 通常用于切換用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的高電壓和電流。外部電源驅(qū)動(dòng)器上的 PWM 控制信號的排序產(chǎn)生電機(jī)的逐步旋轉(zhuǎn)。

　　定時(shí)器產(chǎn)生周期性中斷，產(chǎn)生電機(jī)的每一步（或微步）。此計(jì)時(shí)器可用于以特定速度或特定位置（確切的步數(shù)）運(yùn)行電機(jī)。為了設(shè)置電機(jī)的速度，定時(shí)器的中斷周期由固件更新。

　　PSoC 3 還在硬件中為電機(jī)過流保護(hù)和微步進(jìn)實(shí)現(xiàn)電流限制。這將在下一節(jié)中描述。

　　微步和電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)

　　微步限制了在電機(jī)繞組中流動(dòng)的電流，以在全步之間創(chuàng)建平滑且控制良好的過渡。此功能還在硬件中建立過流保護(hù)，保護(hù)電機(jī)免受損壞。具有電流反饋感應(yīng)路徑的系統(tǒng)框圖如圖 15 所示。

　　圖 15：微步進(jìn)的過流保護(hù)框圖。

　　電機(jī)電流通過功率驅(qū)動(dòng)器 MOSFETS 的接地路徑中的兩個(gè)分流電阻器（圖 15 中的 R1 和 R2）測量。該電壓在板上經(jīng)過低通濾波，并連接到 PSoC 3 上的兩個(gè)模擬引腳（標(biāo)記為 Curr_A 和 Curr_B）。

　　輸入電壓被饋送到使用模擬連續(xù)時(shí)間 （CT） 模塊實(shí)現(xiàn)的可編程增益放大器 （PGA）。PGA 緩沖輸入電壓并將其驅(qū)動(dòng)到連續(xù)時(shí)間比較器。來自檢測電阻的電壓電平與由 8 位電壓 DAC 設(shè)置的電流限值進(jìn)行比較。為了對 DAC 的輸出進(jìn)行微步進(jìn)，正弦和余弦波形由軟件查找表生成。這會(huì)限制電機(jī)電流正弦以實(shí)現(xiàn)平滑的微步進(jìn)。

　　比較器的輸出連接到 PWM 模塊，并在超過電流限制閾值時(shí)終止 PWM 輸出。這為電機(jī)提供了逐周期電流限制，并創(chuàng)建了平滑的微步轉(zhuǎn)換。PSoC Creator 中限流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)如圖 16 所示。

　　圖 16：用于微步進(jìn)的電流限制模塊的 PSoC Creator 原理圖實(shí)現(xiàn)。

　　電流限制中使用的 PSoC 3 資源包括：

　　兩個(gè)連續(xù)時(shí)間 （CT） 模塊實(shí)現(xiàn) PGA。

　　兩個(gè)固定模擬比較器是專用模擬資源，不使用任何 SC/CT 模塊。

　　在 UDB 中實(shí)現(xiàn)的兩個(gè) 8 位 PWM（用于控制功率設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的相同 PWM）。當(dāng)檢測到電流限制條件時(shí)，比較器的輸出觸發(fā) PWM 的抑制輸入。

　　兩個(gè) 8 位 VDAC。這些內(nèi)置 8 位電壓 DAC 用于設(shè)置比較器電流限制的閾值。

　　設(shè)置電流限制以限制每個(gè)繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩并控制轉(zhuǎn)子的微步位置。對于每個(gè)微步，每個(gè)繞組的電流限制都從正弦/余弦 LUT 更新，保持兩者之間的 90 度偏移（如圖 17 所示）。這些電流限制還為電機(jī)提供保護(hù)，限制電機(jī)中流動(dòng)的瞬時(shí)電流，防止過熱、磁通飽和或失步。

　　圖 17 中顯示了每個(gè) DAC 和旋轉(zhuǎn)指數(shù)的設(shè)置，以及微步指針（斜坡 1-128）。

　　圖 17：128 步微步的電流限制與時(shí)間步長。

　　在兩個(gè)繞組中流動(dòng)的電流是通過功率器件和地之間的小檢測電阻來測量的。電流檢測分流電阻器的值是電源效率和檢測塊穩(wěn)健性之間的折衷。對于給定的電流限制，電機(jī)電流必須產(chǎn)生足夠的電壓變化，以便用比較器準(zhǔn)確檢測變化，但增加電阻會(huì)增加熱量并降低效率。

　　PSoC 3 硬件中實(shí)現(xiàn)的限流保護(hù)機(jī)制是一種片上低成本解決方案。

　　旋轉(zhuǎn)控制

　　輸出 PWM 驅(qū)動(dòng)器由硬件查找表控制。該表從兩個(gè) PWM 模塊和一個(gè)保存旋轉(zhuǎn)索引的控制寄存器獲取輸入（如圖 18 所示）。

　　在表 4 中，PWM 控制硬件 LUT 接收階段索引和 PWM 信號作為輸入，并輸出 8 個(gè) PWM 驅(qū)動(dòng)器信號。

　　表 4：PWM 控制硬件 LUT。

　　圖 18：PWM 輸出控制的 PSoC Creator 示意圖 LUT 實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)以微步驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，PWM_A 和 PWM_B 的 PWM 輸出循環(huán)通過 01、10 和 11。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在全步模式下運(yùn)行時(shí)，兩個(gè) PWM 都打開 （11）。在這種情況下，LUT 將前面完整步驟描述中描述的旋轉(zhuǎn)順序簡化為下表。

　　在表 5 中，簡化的 MPhase 輸出控制硬件 LUT 接收階段索引和 PWM 信號作為輸入，并輸出 8 個(gè) PWM 驅(qū)動(dòng)器信號。

　　表 5：MPhase 輸出控制硬件 LUT。

　　速度控制

　　步進(jìn)電機(jī)可以以固定速度運(yùn)行或運(yùn)行到所需位置。為了以固定速度運(yùn)行，觸發(fā)每一步（或微步）的定時(shí)器周期會(huì)被調(diào)整。16 位定時(shí)器終端計(jì)數(shù)觸發(fā)用于啟動(dòng)每個(gè)步驟的中斷。定時(shí)器的輸入頻率為 100 kHz，以確保精確的速度控制。PSoC 3 還能夠從外部控制器（例如 PLC）接收步進(jìn)脈沖命令。

　　在圖 19 中，定時(shí)器終端計(jì)數(shù)觸發(fā)了啟動(dòng)每個(gè)步驟的中斷。

　　圖 19：速度控制定時(shí)器的 PSoC Creator 原理圖實(shí)現(xiàn)。

　　位置控制

　　要在位置控制模式下運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)特定步數(shù)然后停止。（步進(jìn)電機(jī)演示中的用戶界面不支持位置控制模式）。內(nèi)部計(jì)數(shù)器用于計(jì)算所需步數(shù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)所需位置時(shí)，來自定時(shí)器中斷的步進(jìn)控制被屏蔽，直到用戶請求另一個(gè)動(dòng)作。

　　當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，相電流自動(dòng)降低，以節(jié)省電力并減少發(fā)熱。

　　通過計(jì)算步數(shù)（或微步數(shù)）來控制開環(huán)配置中位置的能力取決于在扭矩和電機(jī)負(fù)載限制內(nèi)運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)。如果超出扭矩/負(fù)載限制，電機(jī)可能會(huì)丟失步數(shù)，并且絕對旋轉(zhuǎn)位置信息會(huì)丟失。

　　固件架構(gòu)

　　有一個(gè)主循環(huán)和一個(gè)中斷服務(wù)程序 （ISR） 用于控制電機(jī)，即定時(shí)器 ISR。定時(shí)器 ISR 產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)步進(jìn)控制功能的中斷（參見圖 19）。每次調(diào)用步進(jìn)函數(shù)時(shí)，電機(jī)都會(huì)走一步（或微步）。階躍函數(shù)從表中查找正弦值并設(shè)置 DAC 輸出電壓以控制相電流。固件操作流程圖如圖 20 所示。UART 和 ADC 的其他 ISR 也用于演示項(xiàng)目 UI 和 GUI 界面。

　　圖 20：步進(jìn)電機(jī)控制固件流程圖。

　　PSoC 資源利用

　　步進(jìn)電機(jī)使用來自 PSoC 3 器件的數(shù)字和模擬部分的資源。資源的最高使用來自 VDAC 和比較器。兩個(gè) VDAC 和兩個(gè)比較器用于步進(jìn)電機(jī)微步控制。此約束將 CY8C3866AXI-040 器件限制為最多兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器。

　　表 6：步進(jìn)電機(jī)演示 CY8C3866AXI-040 資源利用率（未顯示未使用的塊）。

　　表 7：關(guān)于 CY8C3866AXI-040 內(nèi)存利用率的步進(jìn)電機(jī)演示（Keil? Complier，Level-5 優(yōu)化）

　　總結(jié)

　　賽普拉斯采用 PSoC 3 的步進(jìn)電機(jī)控制結(jié)合了電流限制和微步控制，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的解決方案。高達(dá) 128 微步適用于精密位置控制。PSoC 3 步進(jìn)電機(jī)控制解決方案具有較低的系統(tǒng)總成本，并為額外的系統(tǒng)功能留下了大量的 PSoC 3 資源。

　　參考

　　賽普拉斯應(yīng)用筆記 AN2229，“電機(jī)控制 - 多功能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器”，作者 Victor Kremin 和 Ruslan Bachinsky。