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)就會以離散的步長移動。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、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)動信號時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)：

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

　　在某些情況下可能會失去位置控制，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)具有三到五個繞組和一個公共端子連接，在定子上形成多個相位。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)子有四個齒，定子有三個獨(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)是通過激勵各個繞組來產(chǎn)生的。當(dāng)繞組通電時，電流流動并產(chǎn)生磁極，從而吸引轉(zhuǎn)子的金屬齒。轉(zhuǎn)子移動一步以將偏置齒與通電繞組對齊。在這個位置，下一個相鄰繞組可以通電以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到另一個步驟，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，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)計為連續(xù)失速運(yùn)行而不會過熱或損壞。

　　具有三個繞組和四個轉(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，為每個電機(jī)通電繞組按順序?qū)⑥D(zhuǎn)子移動四分之一圈，整圈需要 12 步。

　　表 1：圖 3 中的可變磁阻步進(jìn)電機(jī)。

　　圖 3 所示的三個步驟將轉(zhuǎn)子移動四分之一圈。對于可變磁阻步進(jìn)電機(jī)，一個完整的旋轉(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)具有三個轉(zhuǎn)子磁極對和兩個獨(dú)立的定子繞組，形成 30 度步進(jìn)。

　　帶有永磁體的電機(jī)會受到轉(zhuǎn)子反電動勢的影響，從而限制了最大速度。因此，當(dāng)需要高速時，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€繞組通電來產(chǎn)生的。當(dāng)繞組通電時，會產(chǎn)生北極和南極，具體取決于電流流動的極性。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。在這個位置，下一個相鄰繞組可以通電以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)到另一個步驟，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，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　具有兩個繞組和三對永磁轉(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)。

　　一個繞組通電后，三個步驟將轉(zhuǎn)子移動四分之一圈。對于永磁步進(jìn)電機(jī)（雙極）來說，一個完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個步驟，每個步驟中兩個繞組都通電。如圖 5 所示，通過每個極性依次為每個繞組通電會使轉(zhuǎn)子移動四分之一圈。和以前一樣，一個完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個步驟。

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

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

　　如圖 6 所示，在每個步驟中為兩個繞組通電，對每種極性組合進(jìn)行排序，使轉(zhuǎn)子移動四分之一圈。和以前一樣，一個完整的旋轉(zhuǎn)需要 12 個步驟。

　　表 3：圖 6 中的永磁步進(jìn)電機(jī)。

　　圖 6：同時使用兩個繞組的永磁步進(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。混合電機(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)向激勵各個繞組來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)繞組通電時，會產(chǎn)生北極和南極，具體取決于電流流動的極性。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。當(dāng)定子改變位置時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以占據(jù)新的平衡位置。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式有以下幾種：

• 　　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繞組通電。與一次僅使用一個相時相比，這使通過電機(jī)的電流翻了一番，并提供了 40% 的扭矩。在兩個繞組通電的情況下，轉(zhuǎn)子每一步的平衡位置在兩個通電的定子磁極之間。

　　半步模式

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

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

　　圖 8：三個半步，1/8 圈。

　　微步模式

　　微步模式是半步驅(qū)動模式的擴(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，轉(zhuǎn)子位置由電流相位比決定。這種變化的電流比會在施加在轉(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)通過縮放來自兩個步進(jìn)電機(jī)繞組的兩個附加轉(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)矩是來自兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩的矢量相加。每個轉(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繞組中流動的電流來控制轉(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，通常稱為斬波驅(qū)動器。使用每個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比較器，只要相電流上升到參考值以上，該比較器就會禁用輸出。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)時產(chǎn)生的振蕩較少（尤其是在啟動和減速時）。

　　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數(shù)字引腳。

　　字符 LCD：數(shù)字輸出端口（七針）驅(qū)動 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)動信號：

　　PWM 信號到高端驅(qū)動器（四個數(shù)字輸出引腳）。

　　PWM 信號到低端驅(qū)動器（四個數(shù)字輸出引腳）。

　　共有八個用于電機(jī)驅(qū)動的數(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 更像是一個定時器，以確保最大斬波頻率以避免驅(qū)動器過熱。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 周期的剩余時間內(nèi)禁用驅(qū)動輸出來實(shí)現(xiàn)斬波驅(qū)動方法。

　　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 信號路由到八個合法輸出控制組合。這些控制信號通過 GPIO 路由到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的外部電源驅(qū)動器電路。在演示的斬波器驅(qū)動拓?fù)渲校?a target="_blank">晶體管或 MOSFET 通常用于切換用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的高電壓和電流。外部電源驅(qū)動器上的 PWM 控制信號的排序產(chǎn)生電機(jī)的逐步旋轉(zhuǎn)。

　　定時器產(chǎn)生周期性中斷，產(chǎn)生電機(jī)的每一步（或微步）。此計時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)動器 MOSFETS 的接地路徑中的兩個分流電阻器（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)動到連續(xù)時間比較器。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：

　　兩個連續(xù)時間 （CT） 模塊實(shí)現(xiàn) PGA。

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

　　兩個 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繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩并控制轉(zhuǎn)子的微步位置。對于每個微步，每個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)中流動的瞬時電流，防止過熱、磁通飽和或失步。

　　圖 17 中顯示了每個 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間步長。

　　在兩個繞組中流動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)動器由硬件查找表控制。該表從兩個 PWM 模塊和一個保存旋轉(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 PWM 驅(qū)動器信號。

　　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)動模式運(yùn)行時，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，兩個 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 PWM 驅(qū)動器信號。

　　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）的定時器周期會被調(diào)整。16 位定時器終端計數(shù)觸發(fā)用于啟動每個步驟的中斷。定時器的輸入頻率為 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，定時器終端計數(shù)觸發(fā)了啟動每個步驟的中斷。

　　圖 19：速度控制定時器的 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)部計數(shù)器用于計算所需步數(shù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)所需位置時，來自定時器中斷的步進(jìn)控制被屏蔽，直到用戶請求另一個動作。

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

　　通過計算步數(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)可能會丟失步數(shù)，并且絕對旋轉(zhuǎn)位置信息會丟失。

　　固件架構(gòu)

　　有一個主循環(huán)和一個中斷服務(wù)程序 （ISR） 用于控制電機(jī)，即定時器 ISR。定時器 ISR 產(chǎn)生一個觸發(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，電機(jī)都會走一步（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 VDAC 和兩個比較器用于步進(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)動器”，作者 Victor Kremin 和 Ruslan Bachinsky。