步進電機控制系統(tǒng)設計分析
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關鍵詞:步進電機;STM32單片機;細分驅動
步進電機是一種通過脈沖信號控制角位移的器件，作為一種執(zhí)行機構被廣泛應用于數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)及工業(yè)機器人等領域［1－2］。本文以兩相四線制混合式步進電機為研究對象，設計出一款基于微處理器的步進電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過按鍵和語音識別兩種方式向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，提高了系統(tǒng)的交互性;通過采用指數(shù)型加速曲線，提高了步進電機連續(xù)運行頻率范圍;通過采用細分驅動方式控制步進電機，使系統(tǒng)具有步距角小、運行平穩(wěn)特點;同時系統(tǒng)在硬件和軟件設計上均采用了抗干擾設計，使系統(tǒng)運行更加可靠。該實踐項目結合工程實際，很好地奉行了基于項目、基于案例的教學方法和學習方法，可以較好地促進學生綜合實踐能力的提升，為學生創(chuàng)新設計打下基礎［3］。
1系統(tǒng)總體設計
如圖1所示，步進電機控制系統(tǒng)主要由微處理器模塊、步進電機驅動模塊、按鍵輸入模塊、語音模塊及顯示屏模塊組成。步進電機選取兩相混合式步進電機，型號為57BYG250。按鍵和語音輸入模塊向系統(tǒng)發(fā)出啟動和停止、加速和減速等控制指令，設置運行步數(shù)和運行頻率，改變步進電機運行模式、轉動方向、步距角等。微處理器模塊負責識別控制指令并進行信息處理，根據(jù)控制指令輸出一定頻率脈沖信號和控制信號，脈沖信號驅動步進電機轉動，控制信號改變電機轉動方向和步距角等。顯示屏模塊實時顯示當前系統(tǒng)運行的相關參數(shù)，如電機轉動速度、轉動方向和運行模式等。步進電機驅動模塊負責接收控制信號和脈沖信號，對脈沖信號進行分配和功率放大，驅動電機轉動。
2系統(tǒng)硬件設計
如圖2所示，步進電機控制系統(tǒng)硬件電路主要由單片機最小系統(tǒng)、電源轉換、按鍵接口、顯示屏接口、語音模塊接口、光耦隔離、驅動芯片及外圍等電路組成。
2．1單片機最小系統(tǒng)
最小系統(tǒng)需要處理來自按鍵和語音控制命令并產(chǎn)生控制信號，因此要求系統(tǒng)具有IIC、SPI等串口通信外設和產(chǎn)生脈沖輸出功能。STM32F103系列單片機具有豐富的外設接口，性價比高，運行速度快等特點［4］。本文基于STM32F103C8T6設計的最小系統(tǒng)，包括電源轉換電路、晶振電路、下載電路及復位電路。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。晶振電路使用8M石英晶振作為芯片高速外部時鐘源，晶振兩端22pF起振電容接地，并聯(lián)1M電阻幫助起振。下載電路設計20針JTAG接口，使用單片機JTAG模式進行程序下載和在線調試。復位電路采用帶按鍵的RC復位電路。
2．2步進電機驅動電路
系統(tǒng)基于THB6064MQ芯片實現(xiàn)步進電機驅動電路設計。該芯片是一款大功率、高細分的集成功率驅動芯片，適合驅動57系列步進電機［5］。THB6064MQ芯片內部集成了電流分配、雙H橋驅動、過流和溫度保護電路，需要設計相應的外圍電路保證芯片正常工作。驅動電路設計如圖4所示。M1、M2、M3三個引腳通過光電隔離模塊同控制模塊連接，完成對細分數(shù)的控制。驅動芯片DCY1、DCY2兩個引腳通過撥碼開關設置不同衰減方式，改善芯片驅動效果，提高電機運行的平穩(wěn)性。在分壓電路中調節(jié)滑變阻R9，使VREF引腳電壓為1．8V，滿足步進電機額定驅動電流3A需求。在VREF和Down引腳之間串聯(lián)電阻R11，實現(xiàn)半流鎖定功能，在電機鎖定狀態(tài)下降低驅動電流，減少能量的損耗。RESTER引腳低電平時，芯片復位，RC自動復位電路中的二極管D1有利于電路斷開后，電容C2迅速放電，方便芯片下一次復位。ALERT引腳串聯(lián)LED燈，當芯片發(fā)熱嚴重時，ALERT輸出低電平，電路導通，LED燈發(fā)光，提醒操作員及時散熱，實現(xiàn)過流及溫度保護［6－7］。
2．3光耦隔離電路
步進電路驅動電路中，如果直接將控制信號引腳與驅動電路相連，則需要控制電路與驅動電路共地連接，驅動電路中的大電流有可能沿著地回路對控制電路的數(shù)字器件造成電磁干擾，甚至燒毀低工作電壓的芯片［8］。因此，設計光耦隔離模塊將控制電路和驅動電路進行電氣隔離。隔離信號包括高頻率的脈沖信號和低頻率的開關信號，使用6N137芯片隔離高頻信號，使用TP521芯片隔離開關信號，隔離電路設計如圖5所示。TP521隔離電路采用同相邏輯傳輸方案，限流電阻R23取330，防止導通時電流過大燒毀發(fā)光二極管，R17為3、4引腳內部的光敏三極管上拉電阻。6N137隔離電路中2、3引腳之間為發(fā)光二極管，能使引腳7接高電平，R24為限流電阻，C5為去耦電容，可減少輸出端電源波動，R22和C6改善高頻傳輸時芯片的響應時間。
2．4電源轉換電路
系統(tǒng)電源電路需要滿足控制電路和驅動電路兩部分需求?？刂齐娐稴TM32F103C8T6和語音模塊等數(shù)字器件需要3.3V工作電壓，驅動芯片THB6064MQ內部集成的H橋驅動電路需要4.5～42V輸入電壓，另外，芯片還需要5V的工作電壓，步進電機額定電流為3A。電源分配如下:使用電源適配器將220V市電轉換為5V直流電，使用AMS1117降壓芯片將5V電壓降低為3．3V供控制電路相關器件使用，使用開關電源將220V市電轉換為24V/3A直流為驅動電路供電，使用LM317芯片將24V轉換為5V供驅動芯片使用。降壓電路設計如圖6所示。AMS1117降壓電路中，輸入輸出濾波電容均選取220uF鉭電容和100nF無極性電容，分別濾除高頻和低頻干擾。LM317降壓電路中，C7、E5、E2為輸入濾波電容，電路中大電容均使用鋁電解電容，小電容使用陶瓷電容，使用R28和R30搭建分壓電路為ADJ引腳提供反饋電壓，R28和R30電阻值取1KΩ和3KΩ，設置輸出電平大小約為5V。
2．5其他模塊
顯示模塊采用OLED12864顯示屏，分辨率為128×64，可顯示4行漢字，每行最多8個。該模塊使用IIC通信協(xié)議，通過CK、SD引腳與單片機進行通訊。語音模塊采用LD3320語音識別模塊，該模塊集成優(yōu)化算法和語音識別處理器，不需要進行訓練和錄音，只需將待識別詞語拼音寫入寄存器即可，模塊使用SPI通信協(xié)議與單片機進行通訊，IRQ中斷請求引腳與單片機外部中斷復用功能引腳相連，當語音模塊檢測聲音時，便會發(fā)出中斷請求［9］。顯示模塊和語音模塊實物圖如圖7所示。
3系統(tǒng)軟件設計
整個系統(tǒng)軟件設計包括:轉速控制子程序、按鍵掃描子程序、語音識別子程序、顯示子程序、主程序和中斷服務程序等。
3．1步進電機轉速控制
步進電機轉速與輸入脈沖頻率有關，驅動電路每收到一個脈沖，電機繞組通電狀態(tài)發(fā)生一次改變，電機轉過一個步距角。系統(tǒng)使用STM32F103C8T6定時器2產(chǎn)生PWM方波，通過設置定時器PSC分頻值和ARR重裝載值得到PWM方波頻率。定時器按照72M工作頻率分頻后的頻率向上計數(shù)，當計數(shù)值達到ARR值時清0重新計數(shù)，設置PWM模式比較值為ARR的1/2，當計數(shù)值小于比較值時，輸出高電平，反之輸出低電平，由此，產(chǎn)生驅動步進電機轉動的脈沖。脈沖頻率與PSC、ARR關系如式(1)所示。本系統(tǒng)將PSC固定為3599，當設定步進電機運行頻率時，反向計算出ARR值，通過重新設置定時器ARR值，就可改變步進電機轉速。
3．2指數(shù)型加速曲線設計
步進電機由于繞組存在電感，當電機啟動頻率過大時，繞組電流短時間內無法上升到驅動轉子轉動的大小，導致電機丟步或啟動失敗現(xiàn)象出現(xiàn)［10］。因此，本系統(tǒng)在電機啟動頻率高于1500Hz時，使用指數(shù)型加速曲線逐漸提高運行頻率，過渡時間不超過0．1s。同直線型加速曲線相比，指數(shù)型加速曲線更加符合步進電機的矩頻特性，加速曲線如式(2)所示［11］。其中，f0為初始頻率，設置為1500Hz，fh為待設置頻率，k1為頻率系數(shù)，取值區(qū)間為0．90～0．98，f(k)為當前運行頻率。
3．3主程序設計
主程序功能主要是初始化驅動模塊、語音模塊及按鍵模塊的I/O口，進行中斷分組并設置搶占優(yōu)先級和響應優(yōu)先級［12］，初始化定時器中斷、外部中斷及看門狗中斷。開啟中斷，等待中斷發(fā)生。主程序設計流程圖如圖8所示。在主程序中為提高抗干擾性，引入窗口看門狗程序，在程序運行過程中，必須不停地在窗口時間內進入喂狗中斷服務程序，如果程序跑飛而不能及時喂狗，芯片則會發(fā)生軟復位，系統(tǒng)重啟。
3．4中斷服務程序設計
中斷服務程序主要完成命令識別、控制和實時顯示步進電機運行狀態(tài)。進入中斷首先判斷是否發(fā)生定時中斷，如果是，運行一次語音識別，如果成功，讀取最佳識別結果，使用switch－case語句對識別結果進行判斷，執(zhí)行相應程序;運行鍵盤掃描程序，確定鍵值，使用switch－case語句根據(jù)鍵值執(zhí)行相應程序。中斷服務程序流程如圖9所示。
4結語
步進電機具有開環(huán)精度高、可靠性高優(yōu)點，被廣泛應用于各種控制領域。本文設計的步進電機控制系統(tǒng)采用細分功率芯片設計驅動電路，性價比高，步進電機能以更小步距角轉動，運行更加平穩(wěn)。按鍵模塊和語音識別兩種輸入命令方式，極大提高了步進電機運用過程中的人機交互，在硬件和軟件上采用抗干擾設計，使系統(tǒng)運行更加可靠。
作者：呂淑平 趙斌韜 單位：哈爾濱工程大學