三相混合式步进电机细分驱动器的设计毕业设计.doc

三相混合式步进电机细分驱动器的设计院 系：机电与自动化学院专 业 班：电气工程及其自动化1004班姓 名： 学 号：20101131179指导教师： 2014年5月三相混合式步进电机细分驱动器的设计The Design of Three-phaseHybrid Stepping Motor Subdivision Drive摘 要作为一种常用的开环控制执行元件，步进电机脉冲控制一般分为整步，半步，和细分三种工作方式。由于整步和半步方式易导致步进电机工作出现振荡现象，且噪声大，效率低，故细分驱动已成为步进电机脉冲控制的主流。本文正是以三相混合式步进电机为研究对象，针对已有细分驱动采用专用驱动器带来的成本高，档位少，且控制不够灵活等问题，提出一种基于分离器件设计的细分驱动方案。本文主要研究内容如下：在对三种步进电机分类比较的基础上，讨论了步进电机的几种常用驱动电路。重点分析并探讨了三相混合式步进电机细分驱动原理，针对目前三相混合式步进电机细分驱动现状，提出结合正弦细分和恒流斩波控制的细分驱动方案。分析了三相混合式步进电机细分驱动的设计要求，完成了细分驱动的逆变电路主拓扑结构设计。基于系统整体设计，完成了细分驱动器的硬件设计和软件设计。其中，硬件设计主要包括微处理器最小系统，电源模块，信号输入及调理单元，电流采样及PI电流调节单元，PWM调制及三路功率驱动电路设计等。软件设计主要包括上位PC机软件和下位机软件设计。上位机完成三相混合式步进电机驱动器细分参数的生成，并基于串行通信实现对下位机的参数设置和控制；下位机基于Keil C语言平台，实现细分驱动器的控制算法。关键词：步进电机 细分 单片机 PWMAbstractAs a commonly used open-loop control actuator, the pulse control of stepper motor is generally divided into full step, half step, and subdivision driver three ways of working. As full step and half step easily lead stepper motor oscillation and noise, low efficiency, the subdivision division drive has become the mainstream way of the stepper motor pulse control. This article mainly study three-phase hybrid stepping motor, but the equipment is usually expensive, and only has a few stalls, and not flexible enough to control. A new way based on separation device design and sub-driving program. The main contents are as follows.Based on the researching the kinds of stepper motor, we discuss several ways of control. We mainly discuss the subdivision division of three-phase hybrid stepping motor. And make a project to design a good equipment to make the stepper motor work well.Give Three-phase hybrid stepping motor subdivision driver design requirements, and completed of the subdivision drive inverter circuit topology design. Complete hardware design and software design. Including microprocessor system, power supply module, the signal input and conditioning unit, current sampling and PI current regulator unit, PWM modulation and three-way power driver circuit design, hardware design.Software design includes PC software and MCU software design. The program used to computer subdivision drive parameters, communicated with MCU by serial. And the MCU software control the hardware system.Key words: stepper motor subdivision microcontroller PWM目 录摘 要IAbstractII绪论11 基于三相混合式步进电机驱动器综述21.1 课题研究的目的和意义21.2 国内外研究现状21.3 课题研究应解决主要问题即基本理论依据32 设计方案42.1 系统设计总体方案框图42.2 微控制器控制电路52.3 电源模块62.4 三路功率驱动电路63 硬件设计73.1 硬件电路框图73.2 微处理器最小系统设计73.3 开关电源设计103.3.1 电源需求分析103.3.2 EMI滤波器设计113.3.3 反激电源设计123.4 PWM及三相驱动电路设计163.4.1 PWM电路163.4.2 三相驱动电路203.5 电流采样及PI调节电路223.5.1 电流采样电路223.5.2 PI调节电路243.6 信号接口电路253.6.1 电流设定和细分档位设定253.6.2 外部脉冲输入电路263.6.3 PC通信接口电路273.6.4 两路正弦信号283.7 保护电路设计293.7.1 欠压保护303.7.2 过流保护303.7.3 过温保护314 系统软件设计324.1 上位机图形界面设计324.1.1 细分参数生成软件部分324.1.2 串口通信部分344.2 KEIL软件编写部分37结论39致谢40参考文献41绪 论步进电机是一种很简易方便的位置控制型器件，可以加反馈装置作精确控制，也可以不使用任何反馈装置就能达到比较好的位置控制精度。该类电机可以将脉冲性质的方波电信号转换为圆形角度位移或者线性距离位移的被控型元件。步进电机有很多特点，最常见的是在正常工作的状态下，其每次运动结束时的停止位置可以很好通过计算给定的脉冲的方波电信号数目和方向来计算获取；该类电机的转动的加速度与转速也可以通过给信号的控制方向、脉冲的方波电信号的给出频率来计算；还有当其外部带动的负载大小出现变化时，以上提及的几个特点不会受到影响。每个步进电机在设计完成之后都会有一个固定的参数，就是在整步工作状态时，每接收到一个脉冲的方波电信号，其都会转动一个固定的角度（有一些直线步进电机是改变的线性位移），这个固定的转动角度称之为步进电机的“步距角”。步进电机最早的雏形诞生时期和柱塞泵发明时期一样。但是步进电转动速度远不及现在其他类型的电机，在一些高速控制的地方效果不好，拖动负载的能力也比不上其他类型的电机。但是步进电机具有很好的位置控制功能，很多非电类专业的人员只需要买回步进电机、驱动器、控制器就能组建一个很好的运动控制平台。步进电机工作的驱动方式有多种，如整步驱动、半步驱动、平滑驱动、细分驱动等。在整步驱动和半步驱动工作状态时，由于步进电机转子每相绕组线圈的电流变化大，容易出现振荡、噪声大的现象，而且步距角的分辨率不高，控制精度低。平滑的工作方式并不能精确控制步进电机的每相电流，只是把每相电流的变化率降低很多，步进电机转动时平稳一点。细分驱动后的每相电流是呈离散的正弦曲线变化的。采用细分控制以后不但不会引起电机的力矩下降，恰恰相反会使等效力矩有所增加。1 基于三相混合式步进电机驱动器综述1.1 课题研究的目的和意义现阶段在市场上广泛销售使用的步进电机驱动器，并未能很好解决步进电机运动转角大、振荡、失步等缺点，而且不能很好的根据客户需求改变，有的时候只能降低设计指标，为了满足更多特殊需求，有必要自己开发一款步进电机细分驱动器，这样可以更具需求来快速的改变方案，做出满足要求的设计。设计一款新的步进电机驱动器的设计方法，使用MCU单片机、一片双路输出的DA芯片、驱动电路、电流采样电路等来构成恒流正弦细分驱动器，这样成本低，使用效率高。可以实现步进电机转角精确控制这一目的，并具有欠压、过热、过压等保护，提高驱动器使用寿命。可通过拨码开关来设置电流大小和多档细分，能使步进电机运转更为稳定可靠，提高运转精度，有广泛的应用前景。1.2 国内外研究现状步进电机正弦细分驱动技术最开始是由科学家在美国增量运动控制系统及器件年会上发表和提出。细分驱动器的最初设计是对步进电机转子每相绕组线圈的电流的控制，主要采用模拟电路来实现，多个晶体功率管并联，单个晶体功率管控制一种电流的调控，多个晶体管的开通和关断组合成多种电流，通过这样的方式来实现线圈电流的调控。随着现代数字集成IC的发展，微控制器技术日益成熟，单片机和DSP之类的大规模集成IC被广泛使用，步进电机正弦细分驱动技术方面开始使用这些可编程芯片，简化了驱动电路硬件方面的设计，缩小了控制系统的体积，降低了成本，同时进一步提高了控制系统的高度智能化和细分定位精度，从而使正弦细分驱动技术得到了很好的推广。我国在步进电机的研究和应用方面起步很晚，由于国外技术的封锁，我国的控制技术和现代半导体技术研发都比较以内自主研发，相比发达国家也非常落后14。50年代后期到60年代后期，步进电机主要是我国的一些科研机构和高等院校做研究和设备装置而采用。70年代初期，我国在步进电机的设计和研究方面才有所突破和发展，在步进电机机体设计方面也有了很大进步与提升。70年代中期到80年代中期，反应式步进电机整机的设计和研究工作也发展到较高水平。九十年代中期，我国也对步进电机做了大量研究，各种混合式步进电机和驱动器被广泛应用和推广。国内步进电机细分驱动技术在九十年代中期得到了较大发展，主要应用在工业、航天、机器人、精密测量等领域，如数控机床、跟踪卫星用光电经纬仪中采用了步进电机细分驱动技术，大大提高了控制与测量精度。国内有很多步进电机生产厂商，如四海步进电机，就能很好的提供驱动器和电机，还有白云步进电机。国内在步进电机控制领域中，雷赛科技申请了大量专利，设计的产品安全可靠，并大量的销售国外，在步进电机控制领域，是国内执牛耳的公司。上海运控也是我国最为专业的步进电机生产商，并研发了两相步进电机专用的芯片TL206，该芯片使用两相步进电机，和四相步进电机，电流可设定，并可以外置拓展功率管，使用更加方便。1.3 课题研究应解决主要问题即基本理论依据步进电机是一种广泛应用的电机，使用简单方便。由于市场上的驱动器设计通用，但是现场环境太为复杂，供电波动大，很多细分驱动器会出现死机现象，而且容易出现失步现象，有必要结合现有的软硬件资源，研究一款实用方便稳定可靠的细分驱动器，使其具有市面上普通驱动器的有点，并能有所改进，使得步进电机运转更为稳定可靠，提高精度，并可自定义配置开发新的平台，这是本项目的意义所在。本课题设计主要内容有：（1） 研究三相混合式步进电机步进原理，以及细分工作原理等。并根据步进电机细分原理设计一套方案并实现，制作一套三相混合式步进电机细分驱动器。（2） 根据三相混合式步进电机细分驱动原理，设计满足要求的硬件，包括电源设计、信号接口电路、三路正弦信号产生电路、功率驱动电路、闭环电路、PWM波电路、采样电路、保护电路等。（3） 最后对研究与实验过程做以详细的叙述，总结了在研究中遇到的问题和采取的解决方法，以及后期对该设计的改进意见等。2 设计方案2.1 系统设计总体方案框图步进电机的驱动方式有多种，比如整步、半步、细分驱动。其中以细分方案最优，但是控制结构复杂。三相混合式步进电机采用细分驱动时，可以等效为一种特定的三相同步电机。这款步进电机细分驱动器具有市面上普通驱动器都具有的特点，还将实现总线控制，PC软件配置等。三相混合式步进电机细分驱动也有多种方式，比如恒压正弦驱动和恒流正弦驱动。三相恒压正弦驱动输出给定的三相正弦变化电压，采样回路采集三相输出电压并和给定电压进行误差放大比较，输出占空比可调的PWM波，驱动电机工作，达到恒压驱动。三相恒流正弦驱动输出给定的三相正弦电流，采样回路采集三相输出电流并和给定电压进行误差放大比较，输出占空比可调的PWM波，驱动电机工作，达到恒流斩波。由于三相混合式步进电机每相绕组性能都不是很一致，采用恒压斩波时容易出现相绕组电流不对称，而且反电动势也会耦合到相电压中，即使有时给定电压不能很好的达到运转效果，采用恒流斩波就可以很好的消除这样影响，在设计三相混合式步进电机细分驱动器时采用恒流斩波。系统设计总体方案框图如图2-1所示。图2-1 系统设计总体方案框图由上图2-1可知，三相混合式步进电机细分器主要包括电源模块，外置信号输入电路，微处理器控制电路，欠压过温过流检测报警电路，两相电流采样电路和三路PI电流调节电路，PWM调制电路，三路功率驱动电路。其基本工作原理是，系统在上电以后，电源模块输出多路满足要求的电压给弱电部分供电，同时也给强电部分供电，欠压保护电路将会先对供电电压进行检测，如果供电电压太低，将会输出欠压保护信号，并禁止功率驱动部分电路工作。微处理器控制电路在外置信号的作用下工作，输出可程控的离散正弦给定信号给三路PI调节电路作为参考信号，与电流采样电路反馈回来的电流信号进行比较输出误差信号，误差信号经过PWM调制电路输出多路PWM信号，同时经过三路功率驱动电路以后驱动电机，这样来完成步进电机恒流细分。由于电机运转时可能会出现过流现象，过流信号经过欠压过温过流检测报警，输出过流信号，直接关断PWM调制电路的输出，迅速降低，并输出过流报警信号，直至过流警告解除。同时由于系统在工作时，会发热等现象，欠压过温过流检测报警电路的过温部分对系统发热量进行监测，出现过温信号，将会关闭拉低输出电流甚至禁止来保护系统。这里我们对系统中几个主要的电路结构进行分析和讨论，包括微控制器控制电路、电源模块、三路功率驱动电路。2.2 微控制器控制电路在设计微控制器控制电路时，本文考虑过多款MCU和多种电路结构，主要考虑性能稳定、出货量大、成本低等特点，并不一味的讲究采用高性能的微控制器来提高系统性能。该电路主要接受外部脉冲信号，电平信号和RS232信号等。在整个系统中，单片机的作用是实现PC机通信和外部的输入的脉冲或电平信号，实现三路PI电流调节电路给定量的刷新，和接受欠压过温过流保护信号，并控制报警电路的显示，不算很复杂的控制，可以考虑采用低端的51单片机来实现。这里我们采用AT89S52单片机作为主控。整个系统，每工作一次，都会转动一步，并达到一个相位角，如果断电以后，系统从0相位角启动，而电机初始相位角不在0，则会出现电机第一步运行角度过大的现象，我们考虑加入一个EEPROM芯片来存储断电前的相位关系进行保护。2.3 电源模块整个电路再设计时，需要考虑电源模块的特性。该电源模块的工作电压范围宽，供电电压从AC交流80V-220V，甚至必须承受电网电压10%左右的波动，还需要考虑系统内部的开关电路对外界电子系统的影响，需要加入EMI滤波部分。同时由于系统供电范围宽，如果采用线性稳压芯片，采用最高电压为12V芯片，则需要从AC交流80V-220V用变压器降压整流以后满足供电要求的范围为14-36V，而实际变压整流以后，范围为14-42V，不符合要求，而且从36V降到12V采用线性稳压芯片，效率低，发热量大，我们考虑采用开关电源来设计电源模块。2.4 三路功率驱动电路功率驱动的稳定可靠，在整个系统中尤为重要，由于我们的系统采用的是低端的单片机，不采用数字可靠的PWM生成电路，不能实现软件死区，我们考虑采用硬件电路来实现死区时间调控。IR公司的集成驱动芯片可以实现悬浮驱动，低压供电，就可实现对功率桥部分实现驱动，但是需要注意的是，IR公司的芯片不具有负偏压，一般建议选择IR公司自己的功率管，我们选择的GP4062管。3 硬件设计3.1 硬件电路框图三相混合式步进电机细分驱动器方案的拟定和调试参考了网络和期刊论文数据方面的很多文献，我们对这些方案做了细致的研究与分析，经过多个软件对电路的仿真测试，以及多版电路的调试总结，最后终于完成了一版具有如下功能的细分驱动器，这里我们在后文中对这些模块电路分别予以描述和解析。系统硬件框图如图3-1所示。图3-1 系统硬件框图该方案是系统第二版调试时所提出的要求和方案结构图，实际过程中为了快速调试，我们改进了一些调试方法，会有少量的电路修改，或者是为了更好的调试我们加入了其他的功能模块，真实的设计以样机为准。同时本论文中，主要以步进电机细分工作原理进行研究和分析，并采用电路拓扑结构对其进行实现，是一篇介绍电路结构和参数选取的论文，主要是做基础的研究与分析，实用参考意义很大。3.2 微处理器最小系统设计在本项目中采用的控制芯片为51单片机，是Atmel公司的At89s52芯片，主要是考虑手上有这样的芯片和编程器，而且成本低，后期设计可以采用增强型的51单片机来进行设计。At89s52单片机的最小系统如下图3-2所示。图3-2 At89s52单片机的最小系统At89s52单片机资源有限，只能处理数字信号，内部资源有限。该信号单片机的接口主要有晶体振荡器部分，一个能全双工通信的串口，还有两个定时器，以及四组普通的I/O端口，当然也可以用总线功能。现在的MCU一般不再使用老式的总线功能，以前可以供选择的MCU过少，需要采用简单的芯片完成复杂的功能，通常一个端口要分时完成多种功能。比如At89s52单片机的P0和P2端口既是地址总线，又是数据总线。At89s52单片机有一个多功能端口，在P3端子上，可以实现全双工串口通信，两个外部中断输入控制，以及两个定时器输出端子或者是两个计数器外部输入端子。单片机正常工作都是在时钟信号的驱动下作用的，我们的系统时钟采用12MHz，这时At89s52的一个振荡频率为12MHz，一个机器周期对应的频率为1MHz，一般执行一条指令需要一个及一个以上的指令周期。由于At89s52没有内部晶振，同时也没有集成的数字锁相环，一般考虑设计为12MHz时，需要添加一个晶振。当今科技发展，晶振也有两种可以选择的方案，一种是无源晶振，这种晶振不需要供电；还有一种是有源晶振，需要供电。有源晶振内部集成了振荡电路和石英晶体。但是有源晶振一般单价远高于无源晶振。At89s52内部具有振荡发生器，其实低端的芯片内部正当发生器就是一个非门。当一个非门输入和输出两端连接一个无源晶振以后，便构成了一个振荡电路，同时为了更快的起振，一般需要在晶振两边接上匹配电容。在本次设计中也有很多巧妙的地方，比如P0端口的P0_0、P0_1、P0_2、P0_3是与CPLD芯片相连接，但是At89s52芯片采用5V供电，而且为了便于与DA芯片端口电压匹配，上拉电压也采用5V。这里为了和CPLD芯片进行电压，采用弱上拉，这样5V的输出电流就会减小，CPLD既可以识别高低电平，也降低了系统供电电流，降低了功耗。三相混合式步进电机细分驱动器设计考虑多重方面的保护，当出现需要报警信号的时候，采用了光电信号。光电信号报警电路如图3-3所示。图3-3 光电报警信号本系统设计时候考虑了三种保护，分别是欠压保护、过流保护、过温保护。分别对应了三个LED发光管，采用红色的LED。还有一个绿色的LED灯，单片机正常工作以后点亮。电机启动的时候需要考虑初始位置，一般需要采用初始位置检测芯片，或者是一定的算法来实现。但是步进电机有一个好处是给定一个脉冲信号转一个角度，当初次系统时候，转的一个角度会有很大变化，主要是没有进行初始位置定位，三个电磁力合成的方向与初始位置隔的太远，才导致这样，但是步进电机第一步工作以后的位置都可以很好的确定，而且停电以后只要不拨动步进电机的转子就可以很好的保持不动，我们可以采用一个EEPROM芯片来存储这个相位数据，便于上电以后读取初始位置。EEPROM芯片电路如图3-4所示。图3-4 EEPROM存储电路EEPROM芯片有很多中，现在有很多新技术应用到其中，最新的技术产品有铁电存储器，刷写次数达数亿次，而且刷写时间快，不过本次设计中并不是平凡的读写数据，而且读写速度并不快，采用普通的AT24C04可以满足设计要求。AT24C04是内部有512个存储字节能力的串行芯片，支持IIC总线。外部有三根地址线，但是对AT24C04来说，最低位的地址线不具有任何意义，该芯片内部以256字节为一页，共有两页，内部占用了一位地址线，理论上AT24C04在IIC总线上只能有四个设备连接在一起，并需要用高两位的地址来硬件锁定，可以实现最多2K字节的数据存储。3.3 开关电源设计3.3.1 电源需求分析由于系统供电复杂，供电电源范围内广为AC交流80220V，或者直流供电大于113V，小于310V，其中需要考虑市电会有正负10%的电压幅度波动。由于市电扰动打，现场的环境也比较复杂，同时细分驱动器采用斩波电路驱动，会有高频开关噪声产生，干扰会通过线路反串会电网，需要EMI滤波，尽量降低市电对细分驱动器的干扰，也避免细分驱动器工作时开关噪声干扰电网。由于不同芯片多，需要供电电源大小也不一样，有+3.3V，+5V，+-12V，+10V，还要给功率电路供电，需要设计一个宽范围供电的电源。如果采用线性稳压芯片稳压，比如W781X这样的三端稳压器，需要采用变压器降压，变压器体积大，而且输入电压范围大，三端稳压器输入电压不能超过36V，最低输入电压一般要比输出电压高出2V左右，输入电压范围不能很好的控制，采用线性稳压芯片不能很好的解决这个问题。采用开关电源芯片输出电压负反馈稳压，并结合线性芯片稳压，可以很好的解决这个问题。供电系统采用UC3842A设计反击变换器，+5V，+-12V，+10V，并通过AMS1117-3.3V芯片稳压，给低压芯片供电。3.3.2 EMI滤波器设计随着现代社会科技的飞速发展与进步，对能量效率的利用提出了更高的要求。现在越来越多的电路为了提高电能的利用效率采用了开关技术，电磁干扰环境更为复杂。数字电路只需要处理高低电平信号，也只有两个状态，可以很好的转换到电路的开关状态上。现在数字电路设计上也采用开关技术，降低了系统工作漏电流。随着科技的进步，越来越多的数字电路和开关电源技术的在设计中被使用，很多电子设备泄露和辐射出来的电磁波，会对周边的电子设备正常工作产生严重干扰。这种干扰很容易见到，比如我们在实验室调试好的设备到了现场就容易出现死机，或者我们的设备在现场开机以后，周边的设备都不能正常工作。最近有新闻报道，一个通信基站设备不能正常工作，经过专业的设备检查以后，发现是周边一家商店的电子广告牌工作以后发出的电磁辐射干扰了基站的正常工作，可见这些泄露和辐射出来的电磁能量能严重干扰其他设备控制出错，设备不能正常运转，甚至现在有些人因为长期使用手机通话引发头疼现象，甚至因为电力线路的辐射患有重大疾病，严重危险了人类的人身健康。这种无形的电磁干扰对人类生活的影响并不亚于环境噪声、食品、饮用水、空气等实质性的污染物，很有必要好好的研究如何降低电磁干扰。现在研究表明，在电路中加入EMI滤波器，可以有效的减少干扰。其中这些干扰信号一般被分为两种，一种是共模干扰，一种是差模干扰。共模干扰就是导电物体和参考地线之间不希望存在的电位差；差模干扰是两个导电物体之间不希望存在的电位差。共模干扰和差模干扰的来源主要可以从以下两个方面来考虑：架空的导线在传输过程中受到周边的电磁辐射照成的干扰，比如闪电雷击等为共模干扰；当同一条输电线上的不同设备其中一台设备操作切换时容易产生的干扰为差模干扰。为了有效的滤除工模干扰和差模干扰，有的时候采用多级滤波器。图3-5示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳。其中C2、C3、C4、U1、U2主要用来滤去工模干扰，C1、C5、U1、U2主要用来滤除差摸干扰。当然这些参数从理论上来讲是越大越好，但是会造成电感电容体积过大，成本增加，无功功率太大，效率降低。图3-5 两级复合式EMI滤波器的内部电路为减小体积、降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器， 典型电路如图3-6所示。图3-6 单级EMI滤波器其中P4为电源输入端子，假设输入电源幅度为220V交流电，则其峰值电压为310V。C9和U3构成工模滤波器，C9和U3，C10构成差模滤波器。该电路同时具有整流功能，通过集成的全波整流桥U4整流以后，C6，C7，C8三个电容充电滤波，输出310V的直流电。同时该电路也具有软启动功能。继电器U5处于断开状态，R1和R2两个正温度系数的热敏电阻串联，当接入电源，启动电流较大时，两个热敏电阻工作，发热阻抗增大，使得启动电流迅速降低，电流较小则正常启动，启动以后，闭合继电器，R1和R2短路。F1保险丝的作用主要是在启动以后，电机开始工作，有大电流产生起到保护作用，以防烧毁贵重的元器件和电机内部线圈。3.3.3 反激电源设计由于市电会有10%的电压幅度波动，并且电源从AC80V220V供电范围太宽，普通的线性稳压芯片难以满足设计要求。并且需要输出多路电源，如果采用稳压芯片，侧需要块芯片，这里采用反激变换电路和线性稳压芯片实现。反激变化电路采用UC3842结合分离器件实现，输出+5V，+-15V，+12V；+5V通过AMS1117-3.3V稳压芯片稳压输出+3.3V。UC3842B芯片内部结构如图1所示。图3-7所示的UC3842B芯片是美国半导体公司Unitrode公司设计生产的一种高性能PWM控制型的开关电源芯片，Unitrode公司已被美国TI德州仪器公司收购。该芯片可以直接驱动MOS管、IGBT管等半导体功率管，该芯片封装为SOP-8体积小、内部集成运放比较器等、管脚少、外围电路简单、调试方便等特点。UC3842B芯片内部具有集成式的5V电压基准源，并可以精确的控制PWM波占空比。还有过流保护用的集成比较器，以及大电流驱动的推完输出结构，可以很好的驱动MOS管之类的功率器件。图3-7 UC3842B芯片内部结构管脚1为内部电压误差放大器的输出端子，一般需要外接电阻电容元件来降低开环增益，运放的增益带宽积一定，增益降低则带宽增大，改善了误差放大器的频率和增益特性；管脚2是反馈电压的反相输入端子，此脚的输入电压与误差放大器同相端的基准电压2.5V进行比较，形成误差电压，用来控制占空比；管脚3为电流过流检测输入端，当电流通过电阻采样转为电压后，超过1V的电压会缩小脉冲宽度，并使电源处于一种停止工作和正常工作切换状态；管脚4为定时器输入端子，内部振荡器的发生频率由外接电阻电容的时间常数和内部电流电压泄放参数决定；管5脚芯片为公共端，即参考地；管脚6为晶体管推挽输出端，上升和下降时间反应快，驱动电流大；管脚7是电源供电端，具有欠压、过压锁定功能，启动时要超过16V；管脚8为5V的基准电压输出端子，具有一定的带载能力。根据PDF手册推荐的常用电路和我们需要的相关参数计算，设计的反激变换电路如图3-8所示。图3-8 反激变换电路假设市电220V供电，经过3.1.2章节EMI滤波器和整流，电容充电以后，输出脉动很小的直流电，约为310V。这时310V直流经过R3、R4对电容C13、C15缓慢而快速的充电，R3、R4起限流作用。假如在5V端子，加上一个LED灯电路，可以明显观察到，交流80V供电时，LED灯被点亮需要的时间远大于交流220V供电时间。当C13、C15两端的电压超过16V，UC3842芯片启动，C13、C15两端电压继续升高，该芯片正常工作电压在12V至25V。芯片内部有5V基准，从8脚输出，一般加上电容滤波，可以输出50mA电流，8脚通过R11给C19充电，内部有电荷泄放电路，当C19两端电压超过门限电压时快速放电并降低，低于另一门限电压时，开始充电，如此反复，产生振荡的三角波，可以在4脚测量观察。三角波振荡频率计算公式有： （3-1）当6脚输出高电压时，Q1管导通，变压器U4的3、4部分开始储能；当6脚输出低电压时，Q1管截止，变压器U4的3、4部分释放能量，开关管U4这样不停的导通关断，把直流电能通过变压器耦合出去。C13、C15两端电压继续升高，超过一定的电压，该芯片会自动锁死保护，并有可能烧毁，经过变压器耦合出去的能量通过变压器U4的6、7部分传送，经过D2二极管整流，C10充电滤波以后输出15V电压供UC3842B芯片使用。在整个系统设计中，由于采用了DA芯片，并且没有加电压基准源芯片，考虑为了节约成本，将一路输出VDD为5V的电源端子电压反馈回去，以采用最低的成本，使得5V的电压最为稳定，文波最小，变压器U4的8、9端子就是用来输出5V电压的。5V电压通过R5、R6串联分压，输出2.5V到U5芯片2脚。VDD的输出电压由公式计算为： （3-2）U5芯片的2脚是内部运放的反向输入端，内部运放的正向输入端接在内部基准电压2.5V上。由于运放开环增益很大，这样势必会照成运放的带宽很小，影响通频带的频率特性，为了提高通频带的增益稳定性，需要降低开环增益，U5芯片将内部运放的输出脚引出，为1脚，通过在U5芯片的1、3管脚并上电阻电容，构成反馈网络，降低增益，拓宽频率特性。通过将变压器耦合输出的电压反馈回去与U5芯片内部基准电压2.5V比较并将误差电压放大输出，并于振荡产生的三角波调制输出带宽可变的PWM波，控制开关管Q1的导通和关断，达到调节输出电压的作用。R8是防止上电时Q1管处于导通状态，烧坏器件，加上R8，Q1管在上电时处于关断状态。Q1管下接的R13选值1欧，是检测电流的，当电流超过1A，电阻端电压超过1V，经过R12、C18滤波以后，通过U5芯片3脚输入，起电流保护。U6管起到过压保护作用，当VCC电压超过18V时，就保护。D6、R9、C16构成RCD吸收电路，吸收尖峰电压，防止击穿Q1管。+3.3V输出电压由反激变换电源输出的+5V电压，通过AMS1117-3.3V线性稳压芯片降压输出。AMS1117-3.3V线性稳压电路如图3-9所示。其中C22和C23用来滤去高频噪声，C20和C23滤去低频干扰。图3-9 AMS1117-3.3V线性稳压电路3.4 PWM及三相驱动电路设计PWM是一种对方波占空比进行控制的开关数字方式，一般用在电压电流高效率控制电路中，有软件数字调制和模拟硬件电路调制两种方式。这里采用硬件电路调制的方法来实现PWM波的输出。其实现方法比较简单，用模拟电路构成振荡三角波做载波和正弦调制波发生电路，输入比较器的两端，用来比较两个信号的大小来输出高低电平，就可以生成SPWM波了。3.4.1 PWM电路（1） 三角波电路传统的双运放三角波振荡电路由滞缓比较器和积分电路组成，一般需要双限幅二极管，但是双限幅管体积大，而且贵。这里采用简单的方波振荡电路，加上限幅电路，将方波振荡电路的电压限定在-0.7V-6V以内，再经过一个模拟开关，其实是模拟开关多了一路没用，刚好利用一下控制开关，输出低电平0V和高电平5V的方波。最后后级电路滤波和积分，滤波部分滤去0-5V方波中的直流部分，输出交流-2.5-2.5V的方波，积分电路对方波积分，输出三角波。图3-10为本次设计采用的三角波电路。图3-10 三角波电路（2） 比较器电路当用硬件的方法描述PWM波时，需要用的比较器。这里比较器电路设计如下图所示。SINU表示三相混合式步进电机U相的参考信号和反馈信号经过PID电路误差放大以后的输出值，经过R13、C4简单的滤波，与三角波进行比较。其中R11骑到正反馈作用，比较器部分相当于一个滞缓比较器电路。由于比较器的输出需要上拉，这里采用R14和R12串联的方式，上拉只VDD电源5V电压。其中U4A输出-15V到5V的电压，从R14输出以后，为幅度0V至5V的方波，在通过U5A门电路缓冲一下，滤去方波的边沿毛刺。比较器电路如图3-11所示。图3-11 比较器电路（3） CPLD电路和实现CPLD是从GAL器件与PAL器件发展过来的器件，可以更具需求来开发普通的逻辑电路，如果要开发大型复杂的功能，比如芯片内核设计等，则需要采用FPGA之类的芯片了。在做专用的数字芯片时，可以先用CPLD芯片在实验室进行芯片设计和验证，再做出RTL之类的文件，最后在生成硬件版图，就可以找像中芯国际之类的厂商流片了。在该项目中采用的EPM570T100C5N片子，可以采用latice公司的低端CPLD，EPM570T100C5N最小系统如图3-12所示。EPM570T100C5N是当今四大FPGA和CPLD供应商之一的Altera公司生产，属于古董级的芯片。这四家公司分别为Xilinx、Altera、Actel和Lattice，其中前两家基本上占有了市场上近3/4的空间。选择EPM570T100C5N主要是基于现有的手中资源，比如芯片和仿真器，以及编辑软件等。由于EPM570T100C5N采用的3.3V供电，而PWMU、PWMV、PWMW和IOVER这几个信号输入幅度为0-5V，管脚电平不兼容，这里采用串电阻的方式来进行缓冲。QuartusII是美国Altera公司独立开发的编程器，xilinx公司的fpga开发软件也是委托其他公司开发的。我们采用Verilog语言开发了一段简短的代码，主要是用来做PWM信号一路分两路，还有就是中断保护，中断级别最高，一段出现保护信号，所有的PWM输出全部禁止，如果采用门电路，是可以实现的，但是结构复杂，使用的数字芯片成片多，成本超过使用低端的CPLD，而且CPLD可以软件配置，有的时候需要改动一下需求只需要用软件编写一下就好了。图3-12 EPM570T100C5N最小系统