设计报告西安航空技术高等专科学校步进电机细分驱动器设计张少坤湛航岳博文档格式.docx

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韩党群

二〇〇八年八月二十八日

参赛作品原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的参赛作品报告，是本人和队友独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，不侵犯任何第三方的知识产权或其他权利。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

参赛队员签名：

张少坤湛航岳博

日期：

2008年8月28日

作者：

张少坤、湛航、岳博

摘要

该设计针对于细分步进电机控制的问题提出了以MSP430单片机为微控制器，

通过DAC7612产生相差互为90°

的细分电流控制信号，以步进电机控制芯片3955为驱动器，实现了整步、八分之一步、十分之一步方式的步进驱动控制，如果需要还可以运行于更高的细分驱动方式。

在整步方式下，此驱动器还可在电机静止的时候将电机绕组电流减小。

关键字：

步进电机；

细分驱动；

微步距

一、设计意义

步进电机应用非常广泛，但其在传统的整步及半步驱动方式下工作时存在许多缺点，主要表现在：

第一，工作噪声大、振动大、故障率高；

第二，控制精度低等。

这样就达不到许多控制领域的技术要求，为了解决这些问题，提高步进电机运行的平稳性、可靠性及控制精度，这里以MSP430单片机为微控制器，采用细分驱动的原理，设计制作了步进电机的细分驱动器，为解决相关的问题提出了可行的途径。

二、方案的设计比较与论证

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。

两相混合式步进电机在控制领域内应用广泛，这种步进电机的常用驱动方式为整步驱动方式，即四拍驱动方式：

AB´

→AB→A´

B→A´

B´

。

如下图1所示：

图1整步驱动电压波形

细分驱动是将电机绕组中的电流进行细分控制，由常见的矩形波供电改为阶梯的正弦波供电（其各相理想波形如图2所示）。

根据步进电机的结构及运行原理可知：

如果能够给两相混合式步进电机的两相绕组施加两相相差为90°

的正弦电流，则步进电机由一个整步对齐位置运动到下一个整步对齐位置的过程中驱动力矩可以保持均匀，从而不会出现整步运行时的力矩的脉动，从而降低电机运行时由于力矩脉动而引起的抖动和运行噪音，更重要的是如果能够精确的控制两相绕组中的电流，就可以精确的控制每次电流变化时引起的位置变化，从而提高步进电机的位置控制精度。

下图2是两相混合式步进电机理想驱动电流波形及相位关系。

图2两相混合式步进电机理想驱动电流波形及相位关系

三、系统设计

为了细化步进电机的步距,提高分辩率,减少转距脉动以及低频振荡,实现更高精度的控制，使得运行更加平稳。

该系统采用MSP430单片机作为DAC7612和3955电机驱动芯片控制的核心，主要实现步进电机微步控制。

采用微步距控制的驱动器使步进电机在高级运动控制中具有更好的性能。

该步进电机的细分驱动系统可分为以下几个模块：

如图3所示。

Allegro公司生产的3955适用于小功率步进电机一相绕组双极性微步距驱动,可输出1.5A左右的连续电流,工作电压可达50V,设有过热、交叉电流保护等保护功能,内部脉宽调制（PWM）电流控制结合内部3位的非线性数模转换器将电机电流控制在整步、1/2步,1/4或1/8（微步距）的步距模式。

非线性增量使微步距所需的控制线的数目减到最少。

细化步进电机的步距,提高分辩率,减少转距脉动以及低频振荡,使得运行更加平稳。

步进电机细分驱动器系统电路原理图（见附件图1）

图3系统框图

一）、系统各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：

1．电机驱动电路

方案一：

让3955内部的DAC闲置,即3955电机驱动芯片的D2、D1、D0固定地输入高电平,控制电流为100%,利用1片外部的11bitD/A转换电路,提供可变的参考电压VREF,有ITFIP=VREF/3RS。

因此,理论上可实现2048细分。

此外,在整步工作时,还可采用二相四拍方式,既AB→-AB→-A-B→A-B,二相绕组都取100%流,转矩是单相四拍方式的1.41倍。

方案二：

采用DAC7612输出峰值为2V的馒头波作为3955的参考电压（VREF管角输入），加上单片机对3955相位端（VPFD管角）的控制，使3955输出正弦波电流控制步进电机运转，达到细分目的。

基于上述理论分析，系统设计采用了以上两种方案。

2．DAC转换电路

采用DAC7612或TLC5615等都是单路输出，鉴于本系统要给两片电机驱动芯片3955提供参考电压，就需要两块片，这样会降低其性价比。

采用DAC7612数模转换芯片不但精度和转换速度要求符合我们的设计需要，而且是两路输出。

鉴于本系统要给两片电机驱动芯片3955提供参考电压和性价比的考虑。

基于上述理论分析，拟定方案二。

3、电平兼容问题

由于MSP430F2272单片机的最小高电平电压为2.4V，而DAC7612最小高电平电压为3.5V，电平不兼容，所以MSP430F2272单片机不能和DAC7612直接连接，需要电平转换电路。

（电平转换电路如图4所示）为了减少成本，我们采用了三极管作为电平转换器件来解决电平兼容问题。

而3955最小高电平电压为2.0V，和MSP430F2272单片机电平兼容，不需要进行电平转换。

3955的衰减模式控制端的电压关系为：

当VPFD≥3.5V时为慢速衰减模式；

当0.8V≤VPFD≤3.1V时为混合衰减模式；

当VPFD≤0.8V时为快速衰减模式。

图4电平转换电路

二）、电源模块

由于整个系统需要给MSP430单片机系统、DA转换芯片、和步进电机驱动芯片（A3955SLB）等供电。

所以采用24V、5V双路输出的开关电源为整个系统供电，5V经过TLV1117.芯片稳压得到3.3V电压，给CPU和3.3V外设供电。

本系统还加有串行口，用来与计算机通信——实现更好的控制。

电源电路如图5所示。

图5电源电路

为了使电源输出的纹波较小和降低其对整个系统的干扰，在输入端和输出端连接两个电容滤除高频和低频干扰，在输出端得到稳定的直流工作电压。

24V的电源输入端加上了自恢复保险是该系统更加安全、可靠。

4.串行通信模块

串行口模块是用作与计算机通信和控制所设计的，该电路中采用了电平转换芯片MAX3232实现.电路图如图6所示。

图6RS-232接口

四、测试

测试仪器：

数字示波器（TDS002）

1）对比D/A输出波形和相位的关系

当步进电机工作在10细分时，利用示波器双通道测试,1通道探头接DAC7612D的Vouta端口测试其输出波形，2通道探头与其对应的3955（U2）的7管角（PHASE）相位波形，对比两个波形的相位是否相同，如图7（a）所示。

同理，测试DAC7612的Voutb端口的波形与3955（U3）的7管角（PHASE）相位的波形，测试效果与前一个基本相同。

2）对比两路D/A输出的相位差是否为90°

在步进电机控制在10细分时，利用示波器双通道测试,1通道探头接DAC7612的Vouta端口，2通道探头接DAC7612的Voutb端口，对比两个波形的相位相位情况，如图7（b）所示。

（a）

（b）

图7

五、程序流程图

六、系统电路图及参考文献目录

1、系统电路图

图8步进电机细分驱动器系统电路原理图

2、参考资料

1、《MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲》

主编：

秦龙

电子工业出版社

2、《MSP430系列单片机实用C语言程序设计》

张晞王德银张晨

人民邮件出版社

3、《电子装配工艺》

杨清学

4、《电力拖动自动控制系统》

沉伯时

北京机械工业

5、《电机控制专用集成电路》

谭建成

北京机械工业

6、《步进电动机及其驱动控制系统》

刘宝廷

哈尔滨大学出版社