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介绍
步进电机是用于高精度运动的最广泛的执行器之一。它们被用于路由系统、3D打印机、机器人等。
对于类似的应用,伺服电机雷竞技安卓下载在过去被使用;但是今天,与步进电机相比,它们有更高的成本和复杂性,因为它们需要额外的组件(位置传感器和误差放大器等)。这就是为什么今天,理想的选择往往是步进电机,因为它更简单的控制,它有良好的精度,良好的扭矩,中等速度,和低成本。
一个基于步进电机的应用需要两个更多的组件:
- 控制器:这是一种能够连续产生步进脉冲的集成电路,驱动程序可以使电机旋转。
- 驱动器:它是控制器的步进信号和电机绕组所需电流之间的接口。有各种类型的司机;常用的是h型桥。
有几种实现步进电机控制器的方法。其中之一是使用微控制器。在这种情况下,用户必须编写自己的固件来控制速度和方向。由于产生阶跃脉冲是一项连续的任务,一般采用专用的微控制器作为主控制器。
控制步进电机的另一种方法是使用专用的独立集成电路(IC)。有几个不同品牌的商业ic实现基于外部时钟和控制信号的步进脉冲。在这种情况下,用户必须配置运动方向,并提供时钟信号。
对于最常见的应用,基于微控制器的解决方案雷竞技安卓下载更加昂贵和复杂,因为用户还必须包括所有外部组件,如晶体、电阻、晶体管、二极管和去耦电容来运行固件。相反,商业集成电路被设计来完成同样的任务,而不需要编写任何程序。
在本应用说明中,SLG46531V将被配置为商用IC控制器。步进脉冲将根据设定运动方向的外部信号产生。此外,用户将有能力启用或禁用外部的运动,将有一个需要提供外部时钟来定义速度运动。
步进电机描述
步进电机之所以叫步进电机,是因为它的转子以离散的步骤移动,而不是像传统电机那样连续旋转。在两相步进电机(传统的电机)中,电机线圈有两种基本的绕组布置:单极和双极。
单极步进电机具有单绕组,每相有一个中心抽头。在绕组的每一段上,可以用单向流动的电流来确定磁场的方向。如图1所示。若要旋转,用户必须按正确的方向对绕组的每一半施加顺序电流。
双极步进电机每相只有一个绕组。绕组中的电流需要反向,以使磁极反向转动转子。在图2中,可以看到另一个示意图。要旋转,用户必须按顺序给每个绕组施加电流,在每个步骤中使电流方向相反。
在这个应用笔记,我们将使用双极步进电机,因为电流流过整个线圈,他们有更多的扭矩。如果要使用单极步进电机,则必须对驱动电路进行轻微的修改;然而,控制器无需修改即可使用。
在双极电机中,有三种典型的控制绕组电流步长的方法。
的完整的步骤方法是驱动电机的常用方法。两相总是通电(以相应的电流方向),确保转子总是在两个极位置之间校准。这样,电机将提供它的最大扭矩。
的波驱动方法一次只激活一个阶段。它具有与全步驱动相同的步数,但电机将有明显较小的扭矩。因此,它很少被使用。
的半步方法激活一个阶段,然后两个阶段,然后一个阶段,以此类推。
这确保电机以半步的增量移动。与全步法相比,该方法提高了角分辨率,但扭矩明显减小。
步进电机的参数之一是每转步进角。它表示电机转一圈需要做多少步;这反过来又定义了在给定的距离中需要重复多少次的驾驶方法序列。
为了将步进脉冲与电机连接起来,使用h桥来提供电流。目前市面上有几种H-Bridge集成电路,或者我们可以使用Dialog公司的GreenPAK ic来实现。
这个应用程序笔记将实现Full Step方法和Half Step方法,这样用户就可以从控制器中选择一个输入。
逻辑描述和原理图
本应用笔记中实现的设计可以用图3所示的原理图来描述。
系统的输入和输出以及h桥的简化原理图如图3所示。表1描述了输入和输出。
图3所示的h桥是电路的简化示意图。每个桥控制步进电机的一相电流,因此在这种情况下需要两个h桥。
如果使能信号设置为高,则实现的控制器在输出A、B、C和D处产生步进脉冲。在这种情况下,信号OFF 1和OFF 2都设置为高电平,并根据信号a /C的电平生成步骤序列。如果A/C低,则产生逆时针运动序列,但如果A/C高,则产生顺时针运动序列。
信号 |
函数 |
H / F |
确定控制方法。低电平表示半步法,高电平表示全步法。 |
A / C |
决定运动的方向。低位为逆时针旋转,高位为顺时针旋转。 |
启用 |
高电平使控制器启动运动。低电平禁用控制器,停止运动。 |
一个 |
电机A相步进信号。 |
B |
电机B相步进信号。 |
C |
电机C相步进信号。 |
D |
电机D相步进信号。 |
OFF1 |
控制一个h型桥。当电压低时,晶体管的所有输出都关闭。 |
远比 |
与OFF 1的第二个h桥相同。 |
此外,序列取决于所选的方法。如果H/F低,则生成半步序列;如果H/F高,则生成全步序列。如果要改变方向或方法,建议先禁用该运动。
当运动被禁用时,信号A, B, C, D, OFF 1和OFF 2被设置为低电平。
图4显示了半步进方法的步进脉冲序列。
图5显示了Full step方法的步进脉冲序列。
为了实现序列,将使用GreenPAK的ASM模块的序列信号发生器。
实现
如前所述,步进电机的运动是基于一系列的步骤。采用SLG46531V的异步状态机模块实现。
ASM模块配置为最大顺序(半步进法),如图6所示。有8个州;一步一个脚印。
ASM是一个线性音序器,可以从状态0到状态7或从状态7到状态0实现顺时针或逆时针的运动。
图7显示了ASM输出配置。
A、B、C、D配置为半步法系统输出的对应值;所以在这个方法中,GreenPak输出复制这些值。
Ao、Bo、Co和Do是全步骤方法的位标志。因为在这种方法中,两个线圈总是通电,这些位表示输出必须是高的步骤,对应于半步方法的一个通电线圈。
这些标志将在稍后的输出逻辑中使用。时钟控制模块如图8所示,图9为4位LUT1配置。
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ASM状态之间的过渡由4位LUT1输出和2位lut控制。
要从偶态变为奇态,4位LUT1的输出必须是低的。要从奇态变为偶态,4位LUT1的输出必须是高的。
为了实现这一点,在半步进方法(H/F输入处于低状态)的情况下,时钟输入连接到DFF4, DFF4被配置为t型FF。4位LUT1复制FF的输出(这是由连接到IN2的H/F定义的)。
对于Full Step方法(H/F输入处于高状态),时钟直接由4位LUT1复制。有了这个逻辑,半步方法中的ASM在时钟的每个上升沿上改变它的状态(每个上升沿是DFF4输出从低到高或从高到低的过渡)。
在Full Step Method中,ASM改变它在时钟两端的状态,因此每个电机的步长(每个时钟周期)对应于ASM的两种状态。2位的LUT0, LUT1, LUT2和LUT3根据引脚A/C选择的运动方向,决定是过渡到下一个状态还是前一个状态。
输出模块如图10所示,4位LUT0配置如图11所示。
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每个输出的逻辑依赖于相应引脚的ASM输出(A),相应的ASM标志输出(Ao),使能信号和运动方向信号。如果半步方法是选择,引脚复制引脚输出的ASM。如果选择Full Step方法,当对应的ASM输出高或对应的ASM标志输出高时,引脚高。这样,在同一步的两种状态下,输出都是高的。
换句话说,考虑到ASM在时钟的两端变为另一种状态,并且每一个完整的步长对应于ASM的两个状态,那么在时钟的每一个上升沿上都完成了一个完整的步长。
对于输出B、C和D,使用了相同的逻辑,但使用两个3位lut实现,因为GreenPAK没有更多的4位lut。
所有的输出和时钟模块也依赖于使能信号。使能信号决定模块的输出信号是否总是低(当用户禁用控制器时)或输出是否使能。
同样,这个输入被复制到OFF 1和OFF 2输出。整个实现如图12所示。
测试和结论
为了测试实现,信号时钟,A, B, C和D被逻辑分析仪注册(按照这个顺序)。
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半步法输出如图13所示,全步法输出如图14所示。
在本应用说明中,采用SLG46531V实现了一种步进电机控制器。用户必须设置方向,控制方法,还必须提供时钟使电机旋转。
在时钟的每一个上升沿上进行步进,输出被设计成控制电机线圈的驱动电路。使用这种实现,用户只需要提供一个时钟信号,而不需要任何其他外部电路或控制逻辑来产生步进脉冲。