CN113364369A - 一种步进电机细分控制电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种步进电机细分控制电路及其控制方法，涉及步进电机细分控制领域，目的是解决现有控制成本高、费时和集成度低的问题,时钟模块连接到分频模块和同步模块，同步模块的输入端还连接有STEP信号源，同步模块的输出端连接到查找表的输入端，状态设置信号从查找表的输入端输入，查找表的输出端连接到DAC模块的输入端，DAC模块的输出端连接到电机的绕线电流选择电路；PWM生成模块和分频模块的输出端输出250KHz的时钟信号CLK_250K，分频模块的输出端连接到PWM生成模块的输入端，实现了易于实施成本低的步进电机细分控制电路及其控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及步进电机细分控制领域，具体涉及一种步进电机细分控制电路及其控制方法。
背景技术
传统步进电机驱动电路通过外部输入控制脉冲并根据由环形分配器确定的分配模式控制步进电机的每个相绕组上的电流，使得步进电机执行步进运动。
当代步进电机的微步距细分控制的方法基本上是基于等幅电流矢量思想的电流细分法。实现方法大多为单片机输出逻辑控制信号给环形分配器，环形分配器控制各项绕组上电流变化。环形分配器实现时大多由设计者手工搭建，设计时间长，布局布线时间长，成本高，体积大，难以集成。
发明内容
本发明公开了一种步进电机细分控制电路及其控制方法，目的是解决现有控制成本高、费时和集成度低的问题。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种步进电机细分控制电路及其控制方法，包括频率为1MHz的时钟模块、分频模块、同步模块、查找表、PWM生成模块和DAC模块。
所述时钟模块连接到分频模块和同步模块，同步模块的输入端还连接有STEP信号源，同步模块的输出端连接到查找表的输入端，状态设置信号从查找表的输入端输入，查找表的输出端连接到DAC模块的输入端，DAC模块的输出端连接到电机的绕线电流选择电路；PWM生成模块和分频模块的输出端输出250KHz的时钟信号CLK_250K，分频模块的输出端连接到PWM生成模块的输入端，传输给PWM生成模块的计数器PWM_CNT,状态设置信号和过流信号从PWM生成模块的输入端输入，PWM生成模块的输出端连接到电机的功率管驱动模块。
分频模块产生整个系统工作所需要的时钟信号；同步模块将外部输入的STEP异步信号同步到系统的时钟下；查找表保存每个步进状态下电机绕组上电流占最大电流的比例以及每个周期消隐时间功率管栅极的逻辑信号；PWM生成模块根据状态设置信号和过流信号输出电机转动时功率管栅极逻辑信号；DAC模块将查找表输出的33位数字信号转变为模拟电压信号。
优选地，所述DAC模块包括30个电阻和64个NMOS开关管，30个通过一条主线路电阻串联，串联电阻一端接电源另一端接地，主线路上每两个相邻电阻之间均接有两个NMOS开关管的漏极，主线路靠近电源一侧接有六个NMOS开关管的漏极，主线路靠近接地端一侧接有两个NMOS开关管的漏极，按从电源到接地端的顺序的30个电阻的电阻值的比例为1:1:1:2:2:2:2:2:3:3:3:3:3:4:4:3:4:5:4:4:5:4:5:5:4:5:5:5:5:5。
优选地，所述查找表内置128个单元，每个单元储存了一个33位二进制数和一个8位寄存器的赋值，所述33位二进制数连接到DAC模块，8位寄存器连接到PWM生成模块。
优选地，通过控制每个所述STEP方波信号上升沿到来时所述查找表的地址变化来控制步进电机正转或反转；增加所述查找表的地址时电机正转，减小所述查找表的地址时电机反转。
优选地，所述查找表中的计数器cnt的复位状态为cnt＝16，每个STEP方波信号到来时，cnt根据步进模式进行切换，每次切换的单元数依赖MODE的值：
当MODE＝3’b000时，cnt切换32个单元；MODE＝3’b001时，cnt切换16个单元；MODE＝3’b010时，cnt切换8个单元；MODE＝3’b011时，cnt切换4个单元；MODE＝3’b100时，cnt切换2个单元；MODE＝3’b101、3’b110、3’b111时，cnt切换1个单元；每个模式下依次切换的cnt组成对应模式下的地址切换轨道。
优选地，在电机工作切换步进模式时，所述查找表的地址在下一个STEP上升沿切换到切换后的步进模式对应的所述查找表的地址，切换方法如下：
切换步进模式前的地址切换轨道为轨道M，切换步进模式后对应的地址切换轨道为轨道N，当前的cnt的值为cntm，轨道N上值为cntm的地址的前一个地址为cntn-1，轨道N上值为cntm的地址的后一个地址为cntn+1，切换后的cnt的值为cntn，若为电机反转cntn的值为cntn-1，若为正转则为cntn+1。
优选地，所述PWM生成模块是时序逻辑电路，其输入为1MHz的时钟，输出信号为功率管栅极控制信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4；PWM生成模块通过调节功率管栅极控制信号的占空比控制电机绕组电流大小，在每个所述250KHz时钟的上升沿，所述计数器PWM_CNT加一,在每个1MHz时钟的上升沿检测PWM_CNT的值，当PWM_CNT＝0时，将输出信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4分别置为此时查找表输出的8位寄存器的值，表示功率管在前1/8个驱动周期处于默认驱动状态，当PWM_CNT不等于0并且过流信号为低电平时，PWM生成模块根据DECAY信号输出信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4。
优选地，所述PWM生成模块内置一个过流触发信号Overflag，该信号初始值为0，当电机绕组过流时，该信号变为1；将过流信号Over做非逻辑运算后与Overflag信号做或逻辑运算得到信号Decay_begin信号作为PWM生成模块的状态切换信号，当Decay_begin为高电平，PWM生成模块根据输入状态信号中的DECAY信号，切换输出的功率管栅极控制信号：
当Decay_begin_a为高电平，DECAY＝2’b00时，A1、A3＝0，A2、A4＝1，电机绕组电流慢衰减；DECAY＝2’b01时，A1、A2、A3、A4＝0，电机绕组电流快衰减；DECAY＝2’b10或2’b11时，若pwm_cnt大于5，A1、A3＝0，A2、A4＝1，对应电机电流混合衰减；若pwm_cnt小于等于5，A1、A2、A3、A4＝0，对应电机电流混合衰减。
本发明使用查找表结合DAC模块和PWM生成模块实现了步进电机微步距细分控制，解决了传统步进电机微步距细分控制器结构复杂、实现困难、成本高、体积大、难以集成的问题，使得步进电机细分驱动控制电路作为数字电路可以集成在步进电机驱动芯片上，很大程度上简化了步进电机驱动板的体积和成本。
附图说明
图1为实施例1的步进电机细分控制电路的结构示意图；
图2为时钟信号及同步电路时序图；
图3为DAC、模块结构示意图；
图4为查找表切换地址的流程示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的步进电机细分控制电路的结构主要使用Verilog实现，DAC模块为模拟电路，根据搭建的testbench使用Modelsim仿真，根据设置的约束条件使用DesignComplier综合为网表，使用Innovus进行自动布局布线以及静态时序分析，提取布局布线后网表之后使用Formality进行形式验证，使用Calibre进行DRC和LVS检查，通过之后使用Verilogin将布局布线后网表导入到Virtuoso中进行数模混合的仿真，后仿真验证正确后完成设计流程。整个数模混合设计流程完整，自动化程度高，有大量软件优化，这是传统模拟电路实现的步进电机微步距细分控制电路所不具备的优点。
本实施例的步进电机细分控制电路的结构示意图参阅图1，包括频率为1MHz的时钟模块、分频模块、同步模块、查找表、PWM生成模块和DAC模块。时钟模块连接到分频模块和同步模块，同步模块的输入端还连接有STEP信号源，同步模块的输出端连接到查找表的输入端，状态设置信号从查找表的输入端输入，查找表的输出端连接到DAC模块的输入端，DAC模块的输出端连接到电机的绕线电流选择电路；PWM生成模块和分频模块的输出端输出250KHz的时钟信号CLK_250K，分频模块的输出端连接到PWM生成模块的输入端，传输给PWM生成模块的计数器PWM_CNT,状态设置信号和过流信号从PWM生成模块的输入端输入，PWM生成模块的输出端连接到电机的功率管驱动模块。状态设置信号包括DIR、MODE[2:0]和DECAY[1:0]。
其中，分频模块产生整个系统工作所需要的时钟信号；同步模块将外部输入的STEP异步信号同步到系统的时钟下；查找表保存每个步进状态下电机绕组上电流占最大电流的比例以及每个周期消隐时间功率管栅极的逻辑信号；PWM生成模块根据状态设置信号和过流信号输出电机转动时功率管栅极逻辑信号；DAC模块将查找表输出的33位数字信号转变为模拟电压信号。
此外，步进电机内有转子和定子，电机绕组按照一定规律绕在定子上，绕组上通电流后，产生内部磁场。磁场吸引转子转动，使得步进电机转动。本实施例的步进电机细分控制电路通过查找表和PWM生成模块结合的方式，调节功率管栅极信号占空比从而控制功率管导通时间、控制电机绕组电流，根据DECAY信号切换输出的A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4信号，控制电机绕组上的电流衰减。
实施例2
本实施例的控制方法基于实施例1描述的控制电路。
在工作时，分频模块产生将输入的1MHZ时钟信号经过4分频得到250KHZ的时钟信号，250KHZ的时钟信号作为PWM生成模块的输入时钟，通过3位计数器计数后再控制生成PWM信号。参阅图2，输入时钟1MHz的CLK1经过4分频后得到频率为250KHz相位与CLK1相同的CLK2。异步输入信号STEP经过CLK1的同步后，在每个STEP信号的上升沿后的第一个CLK1的上升沿处，得到宽度为一个CLK1周期的STEP_SYN信号。
在本实施例中，PWM生成模块是时序逻辑电路，其输入为1MHz的时钟，输出为功率管栅极控制信号A1-A4和B1-B4；PWM生成模块通过调节功率管栅极控制信号的占空比控制电机绕组电流大小，每个所述250KHz时钟的上升沿，所述计数器PWM_CNT加一,每个1MHz时钟的上升沿检测PWM_CNT的值，当PWM_CNT＝0时，将A1-A4、B1-B4分别置为此时查找表输出的8位寄存器的值，表示功率管在前1/8个驱动周期处于默认驱动状态，当PWM_CNT不等于0并且过流信号为低电平时，PWM生成模块根据DECAY信号输出信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4，不同的输出信号表示不同的衰减模式，衰减模式包括快衰减、慢衰减和混合衰减，本实施例的具体的衰减模式控制方法如下：
PWM生成模块内置一个过流触发信号Overflag，该信号初始值为0，当电机绕组过流时，该信号变为1；将过流信号Over做非逻辑运算后与Overflag信号做或逻辑运算得到信号Decay_begin信号作为PWM生成模块的状态切换信号，当Decay_begin为高电平，PWM生成模块根据输入状态信号中的DECAY信号，切换输出的功率管栅极控制信号：
当Decay_begin_a为高电平，DECAY＝2’b00时，A1、A3＝0，A2、A4＝1，对应H桥功率管下管开启，电机绕组电流慢衰减；DECAY＝2’b01时，A1、A2、A3、A4＝0，对应H桥功率管关闭，电机绕组电流快衰减；DECAY＝2’b10或2’b11时，若pwm_cnt大于5，A1、A3＝0，A2、A4＝1，对应电机电流混合衰减，若pwm_cnt小于等于5，A1、A2、A3、A4＝0，对应电机电流混合衰减。
同步模块将外部输入的STEP信号转换到内部的时钟域下，完成了异步信号到同步信号的转换。同步模块使用1MHz时钟对STEP信号采样，在STEP上升沿时，取出1us宽的STEP_SYN脉冲信号作为查找表的切换信号。
每次切换查找表地址相当于切换绕组电流值。本实施例的查找表内置128个单元，每个单元储存了一个33位二进制数和一个8位寄存器的赋值，单元1到单元128的33位二进制数分别是20、21、22、23……232、231、230……20、21……232、231……21；单元1到单元128的8位寄存器赋值分别是：单元1到单元33：A1＝1，A2＝0，A3＝0，A4＝1，B1＝1，B2＝0，B3＝0，B4＝1；单元34到单元65：A1＝0，A2＝1，A3＝1，A4＝0，B1＝1，B2＝0，B3＝0，B4＝1；单元66到单元97：A1＝0，A2＝1，A3＝1，A4＝0，B1＝0，B2＝1，B3＝1，B4＝0；单元98到单元128：A1＝1，A2＝0，A3＝0，A4＝1，B1＝0，B2＝1，B3＝1，B4＝0，其中，33位二进制数连接到DAC模块，8位寄存器连接到PWM生成模块，每个STEP_SYN信号的上升沿切换一次查找表的地址。当DIR端口为1时，查找表地址增加，当DIR为0时，查找表地址减小。查找表将33位二进制数输出到DAC模块，8位寄存器的赋值输出到PWM生成电路。
特别地，通过控制每个所述STEP方波信号上升沿到来时所述查找表的地址变化来控制步进电机正转或反转；增加所述查找表的地址时电机正转，减小所述查找表的地址时电机反转。
查找表中的计数器cnt的复位状态为cnt＝16，每个STEP方波信号到来时，cnt根据步进模式进行切换，每次切换的单元依赖MODE的值：
cnt的切换流程参阅图4，具体可以简单描述为：当MODE＝3’b000时，cnt切换32个单元；MODE＝3’b001时，cnt切换16个单元；MODE＝3’b010时，cnt切换8个单元；MODE＝3’b011时，cnt切换4个单元；MODE＝3’b100时，cnt切换2个单元；MODE＝3’b101、3’b110、3’b111时，cnt切换1个单元；其中，具体切换的增或减如前文所述，当DIR端口为1时，查找表地址增加，当DIR为0时，查找表地址减小；每个模式下依次切换的cnt组成对应模式下的地址切换轨道。
上述地址切换轨道为如下：
MODE＝3’b000时：cnt＝16→48→80→112→16；MODE＝3’b001：cnt＝16→32→48→64→80→96→112→0→16；MODE＝3’b010：cnt＝16→24→32→40→48→56→64→72→80→88→96→104→112→120→0→8→16；MODE＝3’b011：cnt＝16→20→24→28→32→36→40→44→48→56→60→64→68→72→76→80→84→88→92→96→100→104→108→112→116→120→124→0→4→8→12→16；MODE＝3’b100：cnt＝16→18→20→22→24→26→28→30→32→34→36→38→40→42→44→46→48→50→52→54→56→58→60→62→64→66→68→70→72→74→76→78→80→82→84→86→88→90→92→94→96→98→100→102→104→106→108→110→112→114→116→118→120→122→124→126→0→2→4→6→8→10→12→14→16；MODE＝3’b101、3’b110、3’b111，地址切换轨道以1为步长依次切换。
特别说明的是，在电机工作切换步进模式时，所述查找表的地址在下一个STEP上升沿切换到切换后的步进模式对应的所述查找表的地址，切换方法如下：
切换步进模式前的地址切换轨道为轨道M，切换步进模式后对应的地址切换轨道为轨道N，当前的cnt的值为cntm，轨道N上值为cntm的地址的前一个地址为cntn-1，轨道N上值为cntm的地址的后一个地址为cntn+1，切换后的cnt的值为cntn，若为电机反转cntn的值为cntn-1，若为正转则为cntn+1。
另外，DAC模块通过30个电阻分压和64个开关管选择的方式，将查找表输出的33位二进制数转换为A、B两路模拟的电压信号，作为该状态下电机绕组最大电流的比较信号。作为优选方案，参阅图3，DAC模块包括30个电阻和64个NMOS开关管，30个通过一条主线路电阻串联，串联电阻一端接电源另一端接地，主线路上每两个相邻电阻之间均接有两个NMOS开关管的漏极，主线路靠近电源一侧接有六个NMOS开关管的漏极，主线路靠近接地端一侧接有两个NMOS开关管的漏极，按从电源到接地端的顺序的30个电阻的电阻值的比例为1:1:1:2:2:2:2:2:3:3:3:3:3:4:4:3:4:5:4:4:5:4:5:5:4:5:5:5:5:5，NMOS开关管其他部分按照常规电路安全连接即可。每个NMOS开关管的栅极信号为查找表输出的33位二进制数代表的参考电压选择信号中的一位，通过切换查找表的地址，改变查找表的输出信号，进而改变由电阻分压得到的电压信号，实现DAC的功能。
实施例3
本实施例基于实施例1和实施例2的技术方案。
本实施例的系统功能是在每个STEP的上升沿时，步进电机转动一步，步进电机转动一步实质上改变绕组电流的合成电气角，通过将参考电压信号转化成33位数字信号保存在查找表中的方式，每个STEP的上升沿切换查找表的地址，也就是切换33位数字信号，且通过切换参考电压信号，来实现改变每相绕组上电流的目的。
本实施例的系统输出两种信号，一种为DAC模块输出的参考电压信号，另一类为PWM生成模块输出的功率管栅极逻辑控制信号。
参考电压信号的生产步骤如下：
步骤101：查找表地址回到初始值，即cnt＝16，此时DAC输出最大电压的71％；
步骤102：:当STEP信号上升沿时，判断MODE信号，根据MODE的值来输出切换查找表地址，从而使DAC模块输出不同的参考电压信号。
PWM生成模块输出功率管栅极逻辑控制信号的流程为：
判断PWM的计数器PWM_CNT是否为0，如果PWM_CNT为0，则输出驱动模式的功率管栅极逻辑控制信号，如果PWM_CNT不为0，则判断过流信号；
如果没有过流信号，则继续输出驱动模式的功率管栅极逻辑控制信号，如果有过流信号，则判断DECAY信号；
如果DECAY为00，则输出慢衰减模式的功率管栅极逻辑控制信号，如果DECAY为01，则输出快衰减模式的功率管栅极逻辑控制信号，如果DECAY为10或11，则输出混合衰减模式的功率管栅极逻辑控制信号。
实施例4
本实施例主要目的是将Verilog的仿真结果应用到现实的控制。
基于Verilog的仿真验证正确后，要将Verilog代码进行物理实现。首先使用Design Complier将Verilog代码综合成门级电路网表。
得到网表后，使用Innovus自动布局布线将网表转换为物理层面的版图，并且计算线延迟和寄生电容后的时序是否收敛。
生成版图后，通过stream out导出为gds格式，再通过Virtuoso的streamin导入到Virtuoso中得到最终版图，将该版图与其他模拟电路连接，即可实现步进电机微步距细分驱动芯片。
Claims (8)
1.一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：包括频率为1MHz的时钟模块、分频模块、同步模块、查找表、PWM生成模块和DAC模块；
所述时钟模块连接到分频模块和同步模块，同步模块的输入端还连接有STEP方波信号，同步模块的输出端连接到查找表的输入端，状态设置信号从查找表的输入端输入，查找表的输出端连接到DAC模块的输入端，DAC模块的输出端连接到电机的绕线电流选择电路；PWM生成模块和分频模块的输出端输出250KHz的时钟信号CLK_250K，分频模块的输出端连接到PWM生成模块的输入端，传输给PWM生成模块的计数器PWM_CNT,状态设置信号和过流信号从PWM生成模块的输入端输入，PWM生成模块的输出端连接到电机的功率管驱动模块；
分频模块产生整个系统工作所需要的时钟信号；同步模块将外部输入的STEP异步信号同步到系统的时钟下；查找表保存每个步进状态下电机绕组上电流占最大电流的比例以及每个周期消隐时间功率管栅极的逻辑信号；PWM生成模块根据状态设置信号和过流信号输出电机转动时功率管栅极逻辑信号；DAC模块将查找表输出的33位数字信号转变为模拟电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：所述DAC模块包括30个电阻和64个NMOS开关管，30个通过一条主线路电阻串联，串联电阻一端接电源另一端接地，主线路上每两个相邻电阻之间均接有两个NMOS开关管的漏极，主线路靠近电源一侧接有六个NMOS开关管的漏极，主线路靠近接地端一侧接有两个NMOS开关管的漏极，按从电源到接地端的顺序的30个电阻的电阻值的比例为1:1:1:2:2:2:2:2:3:3:3:3:3:4:4:3:4:5:4:4:5:4:5:5:4:5:5:5:5:5。
3.根据权利要求1所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：所述查找表内置128个单元，每个单元储存了一个33位二进制数和一个8位寄存器的赋值，所述33位二进制数连接到所述DAC模块，8位寄存器连接到所述PWM生成模块。
4.根据权利要求3所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：通过控制每个所述STEP方波信号上升沿到来时所述查找表的地址变化来控制步进电机正转或反转；增加所述查找表的地址时电机正转，减小所述查找表的地址时电机反转。
5.根据权利要求4所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：所述查找表中的计数器cnt的复位状态下地址寄存器为cnt＝16，每个STEP方波信号到来时，cnt根据步进模式进行切换，每次切换的单元依赖MODE的值：
当MODE＝3’b000时，cnt切换32个单元；MODE＝3’b001时，cnt切换16个单元；MODE＝3’b010时，cnt切换8个单元；MODE＝3’b011时，cnt切换4个单元；MODE＝3’b100时，cnt切换2个单元；MODE＝3’b101、3’b110或3’b111时，cnt切换1个单元；每个模式下依次切换的cnt组成对应模式下的地址切换轨道。
6.根据权利要求5所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：在电机工作切换步进模式时，所述查找表的地址在下一个STEP上升沿切换到切换后的步进模式对应的所述查找表的地址，切换方法如下：
切换步进模式前的地址切换轨道为轨道M，切换步进模式后对应的地址切换轨道为轨道N，当前的cnt的值为cntm，轨道N上值为cntm的地址的前一个地址为cntn-1，轨道N上值为cntm的地址的后一个地址为cntn+1，切换后的cnt的值为cntn，若为电机反转cntn的值为cntn-1，若为正转则为cntn+1。
7.根据权利要求1所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：所述PWM生成模块是时序逻辑电路，其输入为1MHz的时钟，输出信号为功率管栅极控制信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4；PWM生成模块通过调节功率管栅极控制信号的占空比控制电机绕组电流大小，在每个所述250KHz时钟的上升沿，所述计数器PWM_CNT加一,在每个1MHz时钟的上升沿检测PWM_CNT的值，当PWM_CNT＝0时，将输出信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4分别置为此时查找表输出的8位寄存器的值，表示功率管在前1/8个驱动周期处于默认驱动状态，当PWM_CNT不等于0并且过流信号为低电平时，PWM生成模块根据DECAY信号输出信号A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3和B4。
8.根据权利要求7所述的一种步进电机细分控制电路及其控制方法，其特征在于：所述PWM生成模块内置一个过流触发信号Overflag，该信号初始值为0，当电机绕组过流时，该信号变为1；将过流信号Over做非逻辑运算后与Overflag信号做或逻辑运算得到信号Decay_begin信号作为PWM生成模块的状态切换信号，当Decay_begin为高电平，PWM生成模块根据输入状态信号中的DECAY信号切换输出的功率管栅极控制信号：
当Decay_begin_a为高电平，DECAY＝2’b00时，A1、A3＝0，A2、A4＝1，电机绕组电流慢衰减；DECAY＝2’b01时，A1、A2、A3、A4＝0，电机绕组电流快衰减；DECAY＝2’b10或2’b11时，若pwm_cnt大于5，A1、A3＝0，A2、A4＝1，对应电机电流混合衰减，若pwm_cnt小于等于5，A1、A2、A3、A4＝0，对应电机电流混合衰减。
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