基于TMS320F28034两相混合式步进电机驱动电路设计

倪晓宇，余前金，吴庆杨，崔瑞龙，黎俊，高明纶

（江西中船航海仪器有限公司，江西九江 332000）

步进电机是一种将PWM 信号转换成步距角的电能转换装置[1]，步进电机的种类很多，其中两相混合式步进电机在工业化产品中的应用最为广泛，常用作定位控制和定速控制[2]。步进电机的控制相对于其他电机来说较为简单，步进电机转动的步距角数与输入PWM 的数量有关[3]，转动的速度与输入PWM 的频率有关，步进电机的这一工作特性决定了其非常适合用DSP 进行控制[4-5]。

步进电机的驱动方式有多种，为了提高电路驱动功率、降低驱动电路发热量，该文提出一种控制电路选用DSP、驱动电路选用半桥栅极驱动器组成的H 桥恒流斩波驱动电路的两相混合式步进电机驱动电路的设计方案[6]。

1 两相步进电机结构

两相步进电机结构图如图1 所示。步进电机也是一种旋转电机，由定子和转子组成。步进电机的转子由两段一样且均匀分布的50 个锯齿状铁芯组成，这两段铁芯相互错开半个齿宽，一端铁芯为转子的N 极、另一端铁芯为转子的S 极。定子铁芯分成对称的8 个“T”形齿，8 个“T”形齿上绕有材料一致、等长度的铜芯线圈，每4 个线圈串成一相绕组，组成A、B 两相绕组[7]。

图1 两相步进电动机结构图

当给电机两相绕组按一定顺序施加电脉冲信号时，此时两个绕组会呈现两组不同的极性，一组为N极，一组为S 极，其等效磁极示意图如图2 所示。此时定子两相绕组产生很强的磁场，转子铁芯根据磁场方向被磁通力转动至相应的磁极处，转子运动带动转轴旋转。若改变两相绕组电脉冲的方向，则会改变定子绕组的磁场方向，进而改变转轴旋转方向，实现电机换向。两相绕组接收的电脉冲数量越多电机转动的行程越长，接收的电脉冲频率越高电机的转速越快[8]。

图2 等效磁极图

2 硬件电路设计

系统硬件组成框图如图3 所示，步进电机驱动电路由控制电路、驱动电路组成。控制电路接收上位机的控制指令来控制驱动电路驱动步进电机运行，控制电路设有细分开关调节细分数。

图3 系统硬件组成框图

2.1 控制电路设计

由上述分析可知，步进电机的转动量及转速只与施加给绕组的电脉冲有关，因此，步进电机非常适合用DSP 进行控制[9]。综合性能、价格等因素，选用TI 公司的TMS320F28034 作控制器。TMS320F28034是一款高效32 位微处理器，它是TI 公司推出的专门面向电机控制的微处理器，其主频可达60 MHz，在处理、传感、驱动方面进行了优化，提升了实时控制的闭环性能；RAM 和FLASH 容量大，运算快速、中断响应和处理快；多种寻址模式，寻址方式灵活；内部设有一个稳压器实现了3.3 V 单电源供电，上电、断电时无需考虑电源顺序，可简化应用电路设计；内部集成加电复位、欠压复位，便于使用；内部集成高精度的模拟比较器，可直接控制产生标准的PWM 电脉冲，产生的PWM 经过增强型脉宽调制器（ePWM）控制可为驱动电路精准地提供所需的4 路PWM 波。

控制电路图如图4 所示。控制电路由DSP 最小系统、通信电路、显示电路、电流反馈处理电路、细分设置电路和滤波电路共同组成。8 个GPIO 口产生4路PWM 波，H 桥下桥臂电阻电流反馈接入ADC 口，通过8 位拨码开关设置细分数，设有两路LED 灯显示系统工作状态。

图4 控制电路图

2.2 驱动电路设计

步进电动机驱动方式有多种，驱动电路的设计也有多种[9-10]，结合电路复杂程度、编程的难易程度及成本等因素，驱动电路最终确定以下两种方案：

方案一：通过高压高速功率驱动器（如IRS2003S等）组成的H 桥恒流斩波驱动电路进行功率放大，调节电机运行，实现控制步进电机的运行[11-12]。该方案的优点：驱动电路由分立器件组合而成，驱动功率大、电路可靠性高、产生的热量小且散热快。缺点是用到的元器件较多、电路布线繁琐、软件编程相对复杂。

方案二：选用步进电机专用集成驱动芯片（如L298N、DRV8412 等），配置相关外围电路组成驱动电路[5,13]。该方案的优点是使用方便、所需元件少、电路布线简单、软件编程简单。缺点是驱动电流较小，无法驱动更大的功率电机，芯片发热量高，芯片温度过高就会进入温度保护进而停止工作，该缺点是致命的，严重限制了其应用范围。

两种驱动电路的优缺点对比如表1 所示。

表1 驱动电路对比表

由表1 可知，虽然专用集成芯片DRV8412 控制简单、所需的外围电路简单，但其驱动电流较小，且驱动大功率电机时其温度升高特别快，限制了其工业化应用。

基于以上分析，驱动电路选用方案一。驱动电路选用4 个半桥栅极驱动器组成H 桥功率放大电路，再配备驱动电机所需要的外围功能电路。

半桥栅极驱动器选用广泛使用的高压高速功率驱动器IRS2003S 芯片。IRS2003S 是一款自带隔离双通道输入、输出的功率驱动器；双通道都设计的是悬浮通道,使其广泛用于驱动N 沟道MOSFET 管及IGBT；使用时芯片内部自行产生静态电流，可为高侧电路提供自举电源，可简化电路[14]；栅极驱动电源为宽电压输入，10～20 V 都可以，使用方便，在该设计中电源采用12 V 供电；具有高、低侧参考输出通道，所处环境应力的变化对其性能的影响大大减弱，使其可在恶劣的环境中正常工作。

两相混合式步进电机工作需要四路PWM 信号，以一路驱动电路为例，控制电路产生一组反相的PWM 脉冲信号，经过IRS2003S 芯片构成半桥功率放大电路驱动电机运行。驱动电路图如图5所示。

图5 驱动电路图

图5 中D5 为快速开关二极管，可提升C201、C202电容充电电压、降低电路电能消耗。在驱动电路中将H 桥上桥臂的应用电路悬浮起来，Vs 与M3 MOS 管的源极连接作为该相绕组电压的参考点[15]。下桥臂M7 MOS 管导通时，C202电容在自举电路中的充电电压为上桥臂的驱动提供电源，使上桥臂M3 MOS 管导通。电路工作时，HIN 输入PWM 信号高电平，则HO 输出高电平，电容自举电压，使得M3 导通，同时，LO 为低电平，M7 关断。使用时一定要在软件程序中添加死区控制，使上、下桥臂的MOS 管不会同时导通，以免烧毁器件，确保电路安全[16]。R207为该相绕组电流采样电阻，只有在下桥臂M7 MOS 管导通时R207才有电流流过，因为采样的电流较大，所以R207选用25 Ω电阻。

2.3 电源电路设计

为提高驱动电路的电源适用性，驱动电路采用宽电压供电，电源输入范围为DC 24～48 V，高压高速功率驱动器IRS2003S 芯片需要12 V 电源，在该设计中选用TI 公司的集成电源芯片TPS54160 将输入电压转为12 V，12 V 电源电路图如图6 所示。

图6 12 V电源电路图

主控制器TMS320F28034 需要3.3 V 电源供电。在该设计中选用集成电源芯片AP1501-33K5A将12 V 电压转为3.3 V，3.3 V 电源电路图如图7所示。

图7 3.3 V电源电路图

2.4 PCB设计

该文设计的两相混合式步进电机驱动电路的原理图、PCB 布板设计都是基于AD10 画图软件完成的。AD10 是一款专业的电子电路制作工具。

3 结构设计

系统结构设计主要是散热单元的设计。散热单元外形图如图8 所示，散热单元采用铝合金材料一体化成形设计，具有较高的机械强度和散热性能，散热单元的底部设有16 个散热槽，增加了散热面积，有利于加速散热。

图8 散热单元外形图

驱动电路工作时，驱动电路上的高压高速功率驱动器会产生热量。安装时在驱动电路PCB 板的背面贴上导热硅胶片，再将驱动电路PCB 板安装在散热单元上。这样，高压高速功率驱动器产生的热量可以很快地散发到周围的环境中。

4 软件设计

1）主控制器为TI 公司的TMS320F28034，系统软件开发基于CCC5.1 开发环境，主程序主要完成初始化时钟、变量、寄存器、引脚配置、开启中断和无限循环的功能。主程序的软件流程如图9 所示。

图9 主程序流程图

程序开始时先初始化系统时钟和变量，然后初始化中断标志并关闭中断，配置完外设后开启中断，而后进入主程序进行循环，直到中断到来。

2）主程序：主程序的关键在于PWM 波形的控制，以其中一路PWM 波形产生的程序为例：

PWM 波形产生后还需根据实际运行情况进行PID 调节，PID 参数设置程序如下：

5 结论

该文设计的两相混合式步进电机驱动电路具有电路简单、驱动性能稳定等特点，提升电路驱动能力的同时解决了驱动电路发热快的问题。该驱动电路达到了预期的效果，可长时间驱动5N.M 步进电机满负荷运行。