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XP F1680 微步进电机
接线图
2023年08月22日 19:58 257
admin
XP F1680 微步进控制器是一款闪存微控制器，具有多通道 PWM 定时器和 10 位模数转换器 (ADC)。因此，本应用笔记介绍了一个使用微控制器的板载模拟比较器在驱动单极步进电机时进行单触发反馈电流限制的示例。它还将 MCU 的多通道定时器描述为微步进正弦/余弦电流发生器。
操作原理
微步进或正弦/余弦微步进是一种步进电机驱动技术，其中电机绕组中的电流被控制为近似正弦波形。微步进产生比全步驱动更平滑的旋转，此外，它提供了更高的分辨率并避免了共振问题，因为它每转涉及更多的步数。
在传统的全步驱动中，等量的电流被施加到电机的每个定子线圈。磁转子在线圈的磁场中自行对齐。对于电机的每一步，其中一个线圈中的电流会反转，并且转子会重新对准新的磁场，以将转子移动一个电机步，即 90 度。
图 1 微步
通过微步进，向电机线圈施加不同量的电流，以便磁场从一个极性平滑地过渡到下一个极性。每个完整的步骤被分成几个变化电流的微步骤，以产生转子可以对准的大量磁场。其结果是电机旋转更平稳、运行更安静以及电机分辨率更高。
图 2 变化电流的微步
硬件架构
为了从理论到演示，我们开发了一种电机应用程序，该电机需要两个电流发生器，每个线圈一个。该应用程序包括以下元素：
用于调节电机速度的电位器
用于打开和关闭电机的开关
用于反转电机方向的开关
使电机前进一步的开关
用户界面
开关 SW1、SW2 和 SW3 按下时下拉，并由 F1680 微控制器的内部上拉电阻上拉。速度电位器 R1 由 F1680 MCU 的内部逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 读取，使用 VDD 作为参考。
电流发生器
电机的两个电流发生器使用了多个 Z8 Encore！XP F1680 MCU的特点。图 3 显示了其中一台电流发生器。
图 3 电流发生器
F1680 MCU 提供由 R7 和 C5 平均的 PWM 信号。PWM 占空比代表发电机产生的所需电流。R6 和 R8 衰减平均 PWM 信号，以便针对 F1680 比较器的同相输入正确调整 PWM 信号。R12 是电机绕组的电流检测电阻，而 R10 和 C6 为比较器提供少量延迟。当 Q1 或 Q2 接通时，电机绕组中开始产生电流，并且 R12 上的电压降也会产生，直到 F1680 MCU 的比较器在达到所需电机电流时跳闸。在某些应用中，可能需要额外的二极管来保护每个场效应晶体管 (FET) 的体二极管免遭过度耗散。图 4 显示了该过程的模拟。
图4 仿真
DisableS 和DisableN 信号确定线圈的极性。这些 I/O 引脚配置为漏极开路。因此，当端口引脚为高电平时，来自比较器的 PWM 信号将打开相应的晶体管，而当端口引脚被拉低时，它会通过将晶体管的栅极拉低来关闭线圈。
多通道定时器
F1680 MCU 的多通道定时器提供电流发生器参考所需的两个 PWM。多通道定时器具有一个带预分频器的 16 位向上/向下计数器和四个独立的捕捉/比较通道，可用于单次、连续、PWM 或捕捉模式。在 PWM 输出操作中，通道在通道输出引脚（TOutA、B、C 或 D）上生成 PWM 输出信号。只要定时器计数与匹配寄存器（MCTCHyH 和 MCTCHyL）中的通道比较值匹配并且计数终止，通道输出就会切换。参见图 5。
图 5 多通道定时器
MCTCHyH 和 MCTCHyL 匹配寄存器被缓冲并可随时写入，而不会破坏 PWM。对寄存器的任何更改都会延迟到下一个定时器结束计数为止。
比较器
Z8安可！XP F1680 MCU 具有两个带可编程内部参考的板载比较器。在此应用中，比较器用作独立式比较器，使设计无需额外的外部硬件。
开漏输出
Z8 Encore 的附加功能！系列微控制器能够将端口配置为漏极开路。这意味着输出端口引脚在高电平时不会产生任何电流，但在低电平时会吸收电流。使用端口引脚作为开漏的能力有助于解决棘手的设计问题，否则需要额外的硬件。
操作原理
微步进或正弦/余弦微步进是一种步进电机驱动技术，其中电机绕组中的电流被控制为近似正弦波形。微步进产生比全步驱动更平滑的旋转，此外，它提供了更高的分辨率并避免了共振问题，因为它每转涉及更多的步数。
在传统的全步驱动中，等量的电流被施加到电机的每个定子线圈。磁转子在线圈的磁场中自行对齐。对于电机的每一步，其中一个线圈中的电流会反转，并且转子会重新对准新的磁场，以将转子移动一个电机步，即 90 度。
图 1 微步通过微步进，向电机线圈施加不同量的电流，以便磁场从一个极性平滑地过渡到下一个极性。每个完整的步骤被分成几个变化电流的微步骤，以产生转子可以对准的大量磁场。其结果是电机旋转更平稳、运行更安静以及电机分辨率更高。
图 2 变化电流的微步硬件架构
为了从理论到演示，我们开发了一种电机应用程序，该电机需要两个电流发生器，每个线圈一个。该应用程序包括以下元素：
用于调节电机速度的电位器
用于打开和关闭电机的开关
用于反转电机方向的开关
使电机前进一步的开关
用户界面
开关 SW1、SW2 和 SW3 按下时下拉，并由 F1680 微控制器的内部上拉电阻上拉。速度电位器 R1 由 F1680 MCU 的内部逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 读取，使用 VDD 作为参考。
电流发生器
电机的两个电流发生器使用了多个 Z8 Encore！XP F1680 MCU的特点。图 3 显示了其中一台电流发生器。
图 3 电流发生器F1680 MCU 提供由 R7 和 C5 平均的 PWM 信号。PWM 占空比代表发电机产生的所需电流。R6 和 R8 衰减平均 PWM 信号，以便针对 F1680 比较器的同相输入正确调整 PWM 信号。R12 是电机绕组的电流检测电阻，而 R10 和 C6 为比较器提供少量延迟。当 Q1 或 Q2 接通时，电机绕组中开始产生电流，并且 R12 上的电压降也会产生，直到 F1680 MCU 的比较器在达到所需电机电流时跳闸。在某些应用中，可能需要额外的二极管来保护每个场效应晶体管 (FET) 的体二极管免遭过度耗散。图 4 显示了该过程的模拟。
图4 仿真DisableS 和DisableN 信号确定线圈的极性。这些 I/O 引脚配置为漏极开路。因此，当端口引脚为高电平时，来自比较器的 PWM 信号将打开相应的晶体管，而当端口引脚被拉低时，它会通过将晶体管的栅极拉低来关闭线圈。
多通道定时器
F1680 MCU 的多通道定时器提供电流发生器参考所需的两个 PWM。多通道定时器具有一个带预分频器的 16 位向上/向下计数器和四个独立的捕捉/比较通道，可用于单次、连续、PWM 或捕捉模式。在 PWM 输出操作中，通道在通道输出引脚（TOutA、B、C 或 D）上生成 PWM 输出信号。只要定时器计数与匹配寄存器（MCTCHyH 和 MCTCHyL）中的通道比较值匹配并且计数终止，通道输出就会切换。参见图 5。
图 5 多通道定时器MCTCHyH 和 MCTCHyL 匹配寄存器被缓冲并可随时写入，而不会破坏 PWM。对寄存器的任何更改都会延迟到下一个定时器结束计数为止。
比较器
Z8安可！XP F1680 MCU 具有两个带可编程内部参考的板载比较器。在此应用中，比较器用作独立式比较器，使设计无需额外的外部硬件。
开漏输出
Z8 Encore 的附加功能！系列微控制器能够将端口配置为漏极开路。这意味着输出端口引脚在高电平时不会产生任何电流，但在低电平时会吸收电流。使用端口引脚作为开漏的能力有助于解决棘手的设计问题，否则需要额外的硬件。
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