1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 PSoC 单片机在步进电机控制中的应用 摘要： 本文主要介绍了 PCoC 单片机的组成和特点，在这一特点上进行对步进电机的控制，对比了FPGA 控制方案， 我们可以看出通过 PSoC 内部丰富的资源可以以较低成本实现步进电机的高精度控制，并且设计方案比较简便。 关键词： PSoC；步进电机；原理；控制 1 引言 步进电机 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。 步进电机是一种 感应电机 ， 由于具有显著的特点，使得它在电机的大家族中扮演着很重要的角色，它 是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，在 CNC 数控机床中，步进电机可以驱动加工平台做精
2、确定位。在咖啡机中，步进电机可以控制液体流量及开关门仓。在汽车仪表中，步进电机控制已经取代了传统机械式表盘。打印机中，步进电机可以控制纸张的进出位置。 而通过 PSoC 控制步进电机，可以实现低成本，高效率，二次开发相当简便，甚至可以在开发最后一刻根据突发状况改变设计完成设计方案 1，可以说 PSoC 在步进电机控制中的意义十分明显。 2 步进电机原理和应用 步进电机的运行原理是通过 电子电路，将直流电 转 变成分时供电 、 多相时序控制电流为步进电机供电，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器 。 在非超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，并不受负载变
3、化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机 转动一个固定的角度，这个角度称为“步距角”，它的旋转是以一定的角度一步一步进行的。通过控制脉冲个数就可以控制角位移，从而达到精准定位的目的；同时 通过控制脉冲频率就可以控制电机转动的速度，从而达到调速的 目的 2。 步进电机的结构和工作原理使其具备如下特点： 1 位置定位精确：定位精度可以保持在步进角的 3 5%， 且不累积。 2 保持转矩： 步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩 比较大。 3 可靠性高：因为没有电刷，磨损小，无需定期维护 4 控制简便：开环控制，控制成本低。改变输入脉冲指令的频率和个数就可以控制转速和位置 5
4、 停止 /启动容易：有脉冲启动，无脉冲停止 6 步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势 ，高速产生的感应电动势会抵消掉供电电压。 7 转矩弱：尤其 在高速下，转矩很弱 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ VR）、永磁式步进电机（ PM）、 混合式步进电机 （ HB）和单相式步进电机等。 反应式步进电机 （ VR）： 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出， 也有人称为可变磁阻步进电机，步进角一般为 1.5 度， 但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 永磁式 步
5、进电机 （ PM）： 永磁式步进电机 的结构同永磁式电机相似，输出 转矩 比反应式步进电机要大 ， 受永磁体加工工艺限制，转子磁极数不能充分细分，歩距角不能足够小， 一般为 7.5 度 或 15 度。 混合式步进电机 （ HB）： 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。 但工艺复杂，成本要比其他两种电机要高 3。 表 1 中罗列了三种步进电机的性能特点：可以看到 ,VR 和 PM 应用于对性能要求不高的场合。 HB 应用于对性能要求较高的 场合。 表 1 在了解了步进电机的结构
6、和原理之后，我们知道，对位置有较高要求且速度不快转矩不高的场合中，步进电机作用十分明显。 3 PSoC 单片机的特点 PSoC：（ Programmable System-On-Chip，片上可编程系统） PSoC 系列单片机是在一个专有的 MCU（ Microprogrammed Control Unit）内核周围集成了可配置的模拟和数字外围器件阵列 PSoC 块，利用芯片内部的可编程互联阵列，有效地配置芯片上的模拟和数字块资源，达到可编程片上系统的目的 4。 PSoC 是一 种对于标准的 “全数字式 ”微控制器设计、纯粹的模拟设计以及介乎此二者之间的所有设计而言具有同等的高适用性的器件，是
7、一种具有极端灵活且完全可编程的混合信号SOC 的基本原理的全新一代器件 5。 PSoC 可编程片上系统比标准的固定功能的微控制器有明显的优势， 采用一个微控制器，一个 PSoC 器件最多可集成 100 种外设功能， PSoC 系统集成有 MCU、 FLASH 及可编程模拟和数字模块， 从而帮助客户节约设计时间和板上面积 。 图 1 中左面的部分是普通单片机的结构，包含时钟源， Flash， SRAM，和 MCU 本身。右面的部分是 PSoC 的特色，这就是可编程数字模块和模拟模块。 易用的开发工具使设计人员能够准确选择所需的外设功能，包括放大器、 ADC、 DAC、滤波器及比较器等模拟功能以及
8、定时器、计数器、 PWM、 SPI 和 UART 等数字功能 6。 图 1： PSoC 结构图 Cypress 将 PSoC Express 可视化嵌入式系统设计工具与功能齐全的 PSoC Designer 软件进行完美结合，创建了一个全新 集成设 计环境 PSoC Designer 5.07，它是一款功能全面的基于图形用户接口 (GUI)的设计工具套件， 让设计人员能够为满足不断变化的系统要求而轻松的进行修改。系统级设计不是在 PSoC 芯片“内部”工作，而是在芯片“外部”工作，避免了所有亢长乏味的低级细节。 而 PSoC Express 工作在比以往技术更高的抽象水平上，不再需要开发有关固
9、件，因此能在几小时或几天之内 就 推出 全 新的设计 方案 ，针对 PSoC 器件进行模拟和编程，而无需花费数星期或数月的时间 8。 与传统意义上的单片机系统相比， PSoc 最大程度地实 现了系统单片化的目标，也减少了 PCB 的面积。和其他架构的 SoC 相比， PSoc 在保证以更简便方式实现更多更灵活功能和具备较高性能的前提下，是目前为止最高性价比的设计方案 9。 4 PSoC 单片机控制步进电机的优势 PSoC 设计方案的特点： 1 双极性控制，可以控制双极性电机； 2 提供多种微步模式可供用户选择； 3 PWM 斩波恒流电流驱动，效率和准确性比较好； 4 分立的功率开关元件； 5
10、步进电机的动态工作电流动态可调； 6 在电路板上有脉冲命令接收接口，可通过其他设备的接口发送指令； 7 静止时步进电机 的静态电流自动减半，减少功耗和发热 10。 基于 CPLD 的控制方案，可以看到在 CPLD 的周围分布着很多的外围芯片，如 EEPROM， 2 个 DAC数模转换器、外部运算放大器、逻辑处理芯片、以及 555 定时芯片。 而在 PSoC 设计方案中，只用到了 PSoC 一个芯片：如图 2 图 2：两种方案对比 5 总结 从以上的叙述中可以看出 PSoC步进电机微步控制方案中，我们可以看出 PSoC的价值在于，通过内部丰富的资源实现步进电机的高精度控制，它内部高度集成了普通单
11、片机的结构， 可编程模拟和数字模块 ，包括数模 /模数转换器，模拟 运放器，模拟比较器。这样使得设计更加灵活，用户可以方便的修改方案，而不必重新的排版。高度集成使得成本更低，节省了外围电路装配等工艺流程，使得设计周期大幅缩短。 参考文献 1 朱明程，李晓滨 .PSoC 原理与应用设计 M.北京：机械工业出版社， 2008,3. 2 廖高华 .高性能步进电机控制系统的研制 D. 西安 :西安科技大学， 2004. 3 百度百科 ,步进电机 EB/OL,2010-10-26.http:/ 4 BIT-Automotive Electronics Technical Innovation Cente
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