摘要：在传统步进电动机驱动系统以单片机或DSP为核心的基础上，提出一种基于ARM微控制器的步进电动机细分驱动方案，以ARM7微控制器LPC2478为CPU，uC／OSⅡ为实时操作系统，设计了一种采用正弦脉宽调制技术的电流跟踪型三相混合式步进电动机细分驱动系统。结果表明，该系统结构简单，人机界面良好，有效地抑制了电机运行时的振动和噪声，提高了运行平稳性。
    关键词：三相混合式步进电动机；ARM处理器；实时操作系统；正弦脉宽调制
    中图分类号：TM383．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018f2009110—0056—04
0引言
    步进电动机是一种脉冲型执行器件。步进电动机的运行由专门的控制器驱动，驱动器的性能直接
影响步进电动机的运行性能。
    本文选用NXP公司的ARM7TDMI内核控制器LPC2478为CPU，并移植了bC／OS lI操作系统。
利用正弦波细分控制技术实现了对步进电动机的驱动，提高了步进电动机的分辨率，并有效改善了它的低频运行特性。在工控领域中，这种嵌入式系统应用广泛，如用于激光加工、自动焊接设备的控制系统

1正弦脉宽调制的细分驱动原理概述
    细分驱动的基本原理是将绕组中给定的电流细分，由按一定阶梯顺序变化的阶梯波供电取代常规
的矩形波供电方式，实现电流的分段变化，从而将每一自然步进行细分。细分驱动不仅减少了步进电动机的步距角，也为电机的运行带来优点。因细分后减少了一次驱动电流的变化幅度，使转子到达平衡位置时的过剩能量减少，可降低电机低速运行时的振动和噪声，提高运行平稳性。
    细分驱动****的控制方式是在电机内产生均匀的圆形旋转磁场，各相绕组的合成磁势矢量在空间
做幅值恒定的旋转运动。这就要求在各相绕相中通以正弦电流。
    以三相混合式步进电动机为例，三相绕组A、B与C在空间位置上相差三分之二π给三相绕组分别通以相位相差三分之二π的正弦波电流。设三相绕组电流分别为：
   
    则定子合成的磁动势(以F。为参考)为：
   
    可以看出，三相混合式步进电动机其实就是一个步进运行的永磁同步电动机。定子合成磁动势是
一个步进的旋转磁动势。当通以三相连续的正弦电流，合成的磁动势将保持幅值不变，连续旋转，实现步距角的细分

 本设计采用脉宽调制的细分驱动技术。用一系列幅值相同而占空比按正弦规律变化的脉冲信号，
即sPwM波模拟正弦波，通过对高速M0s管导通和关断的控制来调节导通时间，从而控制电机相绕组中平均电流的大小实现细分驱动。
2选用A】ElM7的优势
    常用的步进电动机驱动设备多采用8位单片机或DsP为cPu。单片机价格低廉、设计简单。但存
在存储容量小、运算速度慢、实时性弱、人机交互开发复杂等问题。基于32位ARM内核的微控制器采用RISC：架构、三级流水线、FLL倍频等先进技术、其性能是Mcu所无法比拟的。DsP芯片多应用于有复杂算法的场合，但存在操作系统单一、用户界面开发难度较大、可移植性较差等弱点。与之相比，ARM具有较强的事务管理功能，易于移植各种嵌入式实时操作系统.经过多年发展，已成为工控领域的主流设计方案。
    经比较，本文选择了NxP公司的LP2478作为cPu，该芯片在设计中具有如下优势：
    (1)运算速度快：LPc2478芯片基于ARM7TDMI内核，90％的指令都是单时钟周期指令。
    (2)开发界面友好：采用一体化集成开发环境IAR—Embedded workbench，开发环境友好，可通过J—LINK进行在线实时调试。
    (3)易于移植操作系统：较DsP，ARM更易移植实时操作系统，满足系统实时性要求。
    (4)可开发人机界面：ARM处理器便于开发人机交互界面。本系统改进了常用驱动器不带人机界
面的现状。利用Lf】c2478芯片内部自带LcD控制器，软件上发挥多任务调度的优势，提供了r触摸屏操作，构成良好的人机界面。
3硬件设计
3 1系统组成
    本系统硬件设计由控制面板、ARM主控、11／A转换、脉宽调制、隔离、栅极驱动、功放、电流反馈和保护电路组成。控制面板作为人机交互界面与ARM进行通信，实现对操作的触发和监控功能；ARM产生控制脉冲和D／A转换的数据信号；由D／A转换成正弦波信号后经脉宽调制成sPwM脉冲信号，通过专用芯片控制功放部分MOsFET管的通断，功率放大后驱动电机负载。由电流监测芯片实时采样绕组中的电流信号形成闭环。系统框图如图l所示。

3．2系统主要硬件描述
    (1)正弦信号产生电路
    IfPc2478作为系统的主控单元，它接收外界的控制信号，包括细分档位、运行脉冲频率、正反转和起停等，然后输出存储器中相应的电流控制信号，再经D／A转换成模拟信号。本系统选用DAc7644(高速高精度四通道16位数模转换器)产牛三路高分辨率的正弦波信号，和有32位I／0总线宽度的ARM配合使用，提高_r输出正弦波的转换速度和精度。同时系统为DAc7644外接了基准源和跟随器。
    (2)PwM斩波恒流控制电路
    脉宽调制电路是本系统的关键部分。D／A转换值输入到sG3525内部误差放大器同相输入端，
绕组电流反馈信号输入到反相输入端，经内部的误差放大器、比较器及PwM锁存电路，sG：3525将输出两路互补的单极性PwM信号。若反相输入端输入的反馈信号变大则输出的占宅比变小，绕组的通电时间缩短，绕组电流减小；反之，绕组电流将增大。这样使绕组电流在一个恒定的电流值附近波动，不会变化太大，实现了斩波恒流控制。
    (3)功率与采样电路
    系统采用三相全桥逆变电路，如图2所示。由六只高频功率场效应管IRF540搭成。本设计中产
生的sPwM信号经6N137光耦隔离后，通过具有自举功能的MOsFET驱动芯片IR2110的上通道送入逆变桥的上桥臂，进行下桥导通、上桥斩波的工作过程。

    系统在功率桥的下端与地之间串联一个100mn电阻，采样得到的模拟电压，进入电流采样芯片
MAx408l。在隔离侧的另一边得到一个增益和偏置可调的输出电压。这个输出电压与电机电流成正
比，作为反馈被送人sG3525误差放大器的同相输入端，实现斩波恒流的电流跟踪型PwM控制功能。
    (4)保护电路
    为r避免电机运行时总功率超过预定的门限值，系统对主回路电流进行了采样，电流取样电阻
R1=0.1 Ω：参考电平uref可通过Rref调节。当逆变器总电流尖峰值超过Imax时比较器的输出为低电平，送到sG3525的保护引脚，封锁PwM输出。电机停止工作，系统受到保护。