XP F1680 微步進(jìn)控制器是一款閃存微控制器，具有多通道 PWM 定時(shí)器和 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。因此，本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)使用微控制器的板載模擬比較器在驅(qū)動(dòng)單極步進(jìn)電機(jī)時(shí)進(jìn)行單觸發(fā)反饋電流限制的示例。它還將 MCU 的多通道定時(shí)器描述為微步進(jìn)正弦/余弦電流發(fā)生器。
    操作原理
    微步進(jìn)或正弦/余弦微步進(jìn)是一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其中電機(jī)繞組中的電流被控制為近似正弦波形。微步進(jìn)產(chǎn)生比全步驅(qū)動(dòng)更平滑的旋轉(zhuǎn)，此外，它提供了更高的分辨率并避免了共振問(wèn)題，因?yàn)樗哭D(zhuǎn)涉及更多的步數(shù)。
    在傳統(tǒng)的全步驅(qū)動(dòng)中，等量的電流被施加到電機(jī)的每個(gè)定子線圈。磁轉(zhuǎn)子在線圈的磁場(chǎng)中自行對(duì)齊。對(duì)于電機(jī)的每一步，其中一個(gè)線圈中的電流會(huì)反轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)子會(huì)重新對(duì)準(zhǔn)新的磁場(chǎng)，以將轉(zhuǎn)子移動(dòng)一個(gè)電機(jī)步，即 90 度。
     圖 1 微步
    通過(guò)微步進(jìn)，向電機(jī)線圈施加不同量的電流，以便磁場(chǎng)從一個(gè)極性平滑地過(guò)渡到下一個(gè)極性。每個(gè)完整的步驟被分成幾個(gè)變化電流的微步驟，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)子可以對(duì)準(zhǔn)的大量磁場(chǎng)。其結(jié)果是電機(jī)旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、運(yùn)行更安靜以及電機(jī)分辨率更高。
        圖 2 變化電流的微步
    硬件架構(gòu)
    為了從理論到演示，我們開發(fā)了一種電機(jī)應(yīng)用程序，該電機(jī)需要兩個(gè)電流發(fā)生器，每個(gè)線圈一個(gè)。該應(yīng)用程序包括以下元素：
    用于調(diào)節(jié)電機(jī)速度的電位器
    用于打開和關(guān)閉電機(jī)的開關(guān)
    用于反轉(zhuǎn)電機(jī)方向的開關(guān)
    使電機(jī)前進(jìn)一步的開關(guān)
    用戶界面
    開關(guān) SW1、SW2 和 SW3 按下時(shí)下拉，并由 F1680 微控制器的內(nèi)部上拉電阻上拉。速度電位器 R1 由 F1680 MCU 的內(nèi)部逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 讀取，使用 VDD 作為參考。
    電流發(fā)生器
    電機(jī)的兩個(gè)電流發(fā)生器使用了多個(gè) Z8 Encore！XP F1680 MCU的特點(diǎn)。圖 3 顯示了其中一臺(tái)電流發(fā)生器。
     圖 3 電流發(fā)生器
    F1680 MCU 提供由 R7 和 C5 平均的 PWM 信號(hào)。PWM 占空比代表發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的所需電流。R6 和 R8 衰減平均 PWM 信號(hào)，以便針對(duì) F1680 比較器的同相輸入正確調(diào)整 PWM 信號(hào)。R12 是電機(jī)繞組的電流檢測(cè)電阻，而 R10 和 C6 為比較器提供少量延遲。當(dāng) Q1 或 Q2 接通時(shí)，電機(jī)繞組中開始產(chǎn)生電流，并且 R12 上的電壓降也會(huì)產(chǎn)生，直到 F1680 MCU 的比較器在達(dá)到所需電機(jī)電流時(shí)跳閘。在某些應(yīng)用中，可能需要額外的二極管來(lái)保護(hù)每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的體二極管免遭過(guò)度耗散。圖 4 顯示了該過(guò)程的模擬。
       圖4 仿真
    DisableS 和DisableN 信號(hào)確定線圈的極性。這些 I/O 引腳配置為漏極開路。因此，當(dāng)端口引腳為高電平時(shí)，來(lái)自比較器的 PWM 信號(hào)將打開相應(yīng)的晶體管，而當(dāng)端口引腳被拉低時(shí)，它會(huì)通過(guò)將晶體管的柵極拉低來(lái)關(guān)閉線圈。
    多通道定時(shí)器
    F1680 MCU 的多通道定時(shí)器提供電流發(fā)生器參考所需的兩個(gè) PWM。多通道定時(shí)器具有一個(gè)帶預(yù)分頻器的 16 位向上/向下計(jì)數(shù)器和四個(gè)獨(dú)立的捕捉/比較通道，可用于單次、連續(xù)、PWM 或捕捉模式。在 PWM 輸出操作中，通道在通道輸出引腳（TOutA、B、C 或 D）上生成 PWM 輸出信號(hào)。只要定時(shí)器計(jì)數(shù)與匹配寄存器（MCTCHyH 和 MCTCHyL）中的通道比較值匹配并且計(jì)數(shù)終止，通道輸出就會(huì)切換。參見圖 5。
       圖 5 多通道定時(shí)器
    MCTCHyH 和 MCTCHyL 匹配寄存器被緩沖并可隨時(shí)寫入，而不會(huì)破壞 PWM。對(duì)寄存器的任何更改都會(huì)延遲到下一個(gè)定時(shí)器結(jié)束計(jì)數(shù)為止。
    比較器
    Z8安可！XP F1680 MCU 具有兩個(gè)帶可編程內(nèi)部參考的板載比較器。在此應(yīng)用中，比較器用作獨(dú)立式比較器，使設(shè)計(jì)無(wú)需額外的外部硬件。
    開漏輸出
    Z8 Encore 的附加功能！系列微控制器能夠?qū)⒍丝谂渲脼槁O開路。這意味著輸出端口引腳在高電平時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何電流，但在低電平時(shí)會(huì)吸收電流。使用端口引腳作為開漏的能力有助于解決棘手的設(shè)計(jì)問(wèn)題，否則需要額外的硬件。