國(guó)營(yíng)七八五廠第三研究所 王 凱 韓力立

采用STM32控制L6470步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

國(guó)營(yíng)七八五廠第三研究所 王 凱 韓力立

常用的步進(jìn)電機(jī)控制器，根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)方式需要由單片機(jī)發(fā)出不同頻率的和數(shù)目的脈沖信號(hào)到專用控制芯片，而ST公司的數(shù)字控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L6470內(nèi)部數(shù)字控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完備的運(yùn)動(dòng)曲線控制方案，只需要使用單片機(jī)發(fā)出命令告訴它要怎樣運(yùn)動(dòng)即可，簡(jiǎn)化了電路和程序。

數(shù)字控制內(nèi)核；微步；STM32；SPI接口

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變?yōu)殡姍C(jī)角位移的或機(jī)電執(zhí)行元件，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度，非常適合單片機(jī)控制，因此可以用單片機(jī)控制脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，控制脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，而改變電機(jī)電流的方向可以改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

ST公司的L6470省去了單片機(jī)的這些工作，單片機(jī)只要通過(guò)命令告訴L6470以什么樣的速度運(yùn)行到什么位置停止，電機(jī)就會(huì)在L6470數(shù)字內(nèi)核的控制下按指定方式運(yùn)行，這些只要發(fā)送一個(gè)函數(shù)命令即可，剩下的就交給L6470去完成。

1.系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由4部分組成，電源、單片機(jī)（MCU）、L6470、電機(jī)，其中電源的24V給L6470的功率驅(qū)動(dòng)電路供電，24V經(jīng)過(guò)DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為3.3V分別給單片機(jī)和L6470的數(shù)字控制部分供電。單片機(jī)通過(guò)SPI接口控制L6470，而L6470把各種狀態(tài)位反饋回單片機(jī)。上位機(jī)可以通過(guò)串口命令控制電機(jī)。

2.驅(qū)動(dòng)芯片L6470簡(jiǎn)介

L6470是ST公司生產(chǎn)的新一代兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以在8～45V的寬電壓下工作，峰值電流7A(平均電流最大3A)。內(nèi)部集成兩個(gè)低導(dǎo)通電阻的DMOS全橋電路和數(shù)字控制內(nèi)核，可以高效地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，精確的片上電流檢測(cè)電路有完備的電流控制能力和過(guò)電流保護(hù)。獨(dú)特的控制系統(tǒng)可以把單步細(xì)分為最多128微步，使運(yùn)動(dòng)效果更平滑穩(wěn)定。數(shù)字控制內(nèi)核通過(guò)配置制定寄存器能夠按照用戶定義設(shè)置加速、減速、勻速和運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置等運(yùn)動(dòng)方案。具有完備的過(guò)熱、欠壓、過(guò)流、當(dāng)機(jī)、反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)方案。所有的命令和數(shù)據(jù)寄存器都由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口訪問(wèn)和控制。

2.1 運(yùn)動(dòng)控制命令

單片機(jī)通過(guò)SPI接口可以向L6470發(fā)送以下4種不同的運(yùn)動(dòng)控制命令。

恒速命令：讓電機(jī)以設(shè)定的加減速度旋轉(zhuǎn)到恒定的速度。

絕對(duì)位置命令：設(shè)定電機(jī)以指定路徑或最小路徑旋轉(zhuǎn)到指定位置，然后停止。

運(yùn)動(dòng)命令：讓電機(jī)按指定的方向運(yùn)動(dòng)指定步進(jìn)數(shù)目

停止命令：使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

以上4種命令配合加減速控制，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制方案，不再需要單片機(jī)來(lái)計(jì)算脈沖頻率、脈沖數(shù)目，脈沖時(shí)序等參數(shù)。

2.2 內(nèi)部寄存器說(shuō)明

L6470內(nèi)部一共有25個(gè)可用寄存器，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)某種控制功能或狀態(tài)位，單片機(jī)通過(guò)SPI接口訪問(wèn)或改寫(xiě)這些寄存器地址里面的內(nèi)容。

有的是用于控制的，主要有：絕對(duì)位置、電氣位置、運(yùn)行速度、最大/最小速度、加/減速度、步進(jìn)單位、過(guò)電流門(mén)檻、保持/運(yùn)行/加速/減速PWM功率周期、振蕩器頻率、PWM頻率。

有的是用于狀態(tài)檢測(cè)的，比如過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、失步等警告。

這些參數(shù)的設(shè)置需要參考《L6470數(shù)據(jù)手冊(cè)》和所用步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)值，比如步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、相位電阻、力矩-頻率特性曲線等。

2.3 相位電流控制

通常情況下，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是電流式控制設(shè)計(jì)，電流控制器監(jiān)測(cè)并控制繞組電流強(qiáng)度，因?yàn)殡娫措妷鹤兓?、停轉(zhuǎn)等會(huì)導(dǎo)致電流有很大變化，而且，隨著轉(zhuǎn)速提高或減小，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)的變化也會(huì)導(dǎo)致繞組電流的變化。L6470可以通過(guò)在電機(jī)繞組上施加電壓來(lái)控制相電流。雖然不能直接控制相電流的幅度，但是，相電流與相電壓的大小、負(fù)載、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電學(xué)特性和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。有效輸出電壓與電機(jī)電源電壓和補(bǔ)償系數(shù)Kval的積成正比。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 補(bǔ)償因子計(jì)算

圖3 軟件流程

KVAL=((KVAL_X+BEMF_COMP)×VSCOMP×K_THERM)×microstep

其中KVAL_X是當(dāng)前Kval值，BEMF_COMP是反電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償因子，VSCOMP是輸入電壓，K_THERM是線圈電阻補(bǔ)償因子，microstep是當(dāng)前設(shè)置的微步數(shù)。

當(dāng)然可以利用ST公司提供的dSPIN evaluation tool可以方便地求出Kval值，只要你把電機(jī)的各個(gè)參數(shù)代入數(shù)據(jù)框，點(diǎn)擊一下evaluate按鍵就可以求出L6470的各個(gè)補(bǔ)償因子和對(duì)應(yīng)寄存器值。

3.MCU介紹

本設(shè)計(jì)所用的MCU為STM32F103C6T6，是ST公司最新的基于ARMv7內(nèi)核的32位處理芯片，ARMv7內(nèi)核有A，R，M這3個(gè)系列，R系列為軍工產(chǎn)品，M為中低端的民用消費(fèi)產(chǎn)品，STM32F103C6T6屬于cortex-M3系列。

STM32F103C6T6性能：

這款STM32F103C6T6是TQFP-48封裝，具有32K FLASH ROM，10K SRAM，3個(gè)16位定時(shí)器，USART、I2C、I2S、SPI、USB、CAN等接口一應(yīng)俱全，所有的IO口都可以作中斷使用，內(nèi)核頻率高達(dá)72MHz，比同價(jià)格甚至更貴的51芯片1～2M的內(nèi)核頻率高出幾十倍。

4.軟件設(shè)計(jì)

STM32采用KEIL MDK編程環(huán)境進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，如果原先掌握了51芯片的編程，STM32很容易上手，而且ST公司為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的固件庫(kù)，所有的功能開(kāi)發(fā)者不再需要接觸底層的寄存器，直接調(diào)用高級(jí)函數(shù)就可以了，節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.1 SPI固件庫(kù)

L6470通過(guò)SPI接口和STM32F103C6T6通訊，SPI是Motorola公司推出的三線同步接口，同步串行3線方式進(jìn)行通信：一條時(shí)鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO，用于CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。

STM32F103C6T6芯片擁有完備的SPI固件庫(kù)，使用固件庫(kù)要經(jīng)過(guò)以下幾步設(shè)置：

● 使能SPI接口要用到的IO口控制時(shí)鐘和SPI模塊控制時(shí)鐘；

● 配置IO口輸入輸出工作方式，這里設(shè)置為復(fù)用推挽模式；

● 配置SPI工作模式；

● 使能SPI模塊。

經(jīng)過(guò)配置以后就可以使用SPI庫(kù)函數(shù)控制L6470，下面是典型的L6470控制函數(shù)。

● void dSPIN_Peripherals_Init(void)

——初始化單片機(jī)和L6470連接的用于SPI通訊的4個(gè)GPIO端口的工作模式，初始化單片機(jī)內(nèi)部SPI模塊的工作模式。

● void dSPIN_Regs_Struct_Reset(dSPIN_RegsStruct_TypeDef* dSPIN_RegsStruct)

——按照L6470寄存器表的默認(rèn)值初始化L6470相應(yīng)寄存器的參數(shù)值，這些參數(shù)值合并為一個(gè)寄存器結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)類型，用指向結(jié)構(gòu)體的指針訪問(wèn)它們。

● void dSPIN_Struct_Value(void)

——按用戶定義設(shè)置寄存器的各個(gè)參數(shù)。

● void dSPIN_Set_Param(dSPIN_Registers_TypeDef param,uint32_t value)

——把參數(shù)寫(xiě)入其對(duì)應(yīng)寄存器地址，具體對(duì)應(yīng)寄存器要寫(xiě)什么參數(shù)值要結(jié)合《L6470數(shù)據(jù)手冊(cè)》和所用的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)值。

● uint32_t dSPIN_Get_Param(dSPIN_Registers_TypeDef param)

——讀取對(duì)應(yīng)寄存器地址內(nèi)的參數(shù)。

● void dSPIN_Run(dSPIN_Direction_TypeDef direction,uint32_t speed)

——向L6470發(fā)送RUN指令，參數(shù)為方向和速度值

● void dSPIN_Move(dSPIN_Direction_TypeDef direction,uint32_t n_step)

——向L6470發(fā)送MOVE指令，參數(shù)為方向和步進(jìn)數(shù)目

● void dSPIN_Go_To(uint32_t abs_pos)

——向L6470發(fā)送GO_TO指令，參數(shù)為運(yùn)動(dòng)到的絕對(duì)位置

● void dSPIN_Soft_Stop(void)，void dSPIN_Hard_Stop(void)，void dSPIN_Soft_HiZ(void)，void dSPIN_Hard_HiZ(void)

——發(fā)送停止指令，有軟停止，即減速到0，硬停止，即緊急制動(dòng)，軟高阻，即減速到0再關(guān)閉MOS橋，硬高阻，即緊急制動(dòng)并關(guān)閉MOS橋。

● uint16_t dSPIN_Get_Status(void)

——讀取狀態(tài)寄存器狀態(tài)標(biāo)志

4.2 整體軟件流程

單片機(jī)初始化完成后，開(kāi)始對(duì)L6470進(jìn)行電機(jī)初始工作參數(shù)設(shè)置，然后就可以發(fā)命令讓電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)還可以隨時(shí)接收串口的命令改變電機(jī)狀態(tài)。

下面的程序是一個(gè)電機(jī)運(yùn)行的例子：

5.結(jié)論

本系統(tǒng)主要以高性能的STM32F103C6T6為控制芯片，L6470驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，降低了設(shè)計(jì)難度，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，減小了驅(qū)動(dòng)器的體積，采用微步功能提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，具有控制簡(jiǎn)單、操作靈活的特點(diǎn)，L6470自有的各種電機(jī)檢測(cè)和保護(hù)功能提高了控制系統(tǒng)和電機(jī)的安全性和壽命，可以廣泛用在打印機(jī)、傳真機(jī)、機(jī)器人等精密控制領(lǐng)域。

[1]劉軍.例說(shuō)STM32[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2011,4.

[2]SPI Block Guide[EB/OL].Motorola Ltd.[2003.5].http://www.motorola.com.

[3]Jose Yiu,宋巖(譯).Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009,2.

[4]王永虹.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008,3.

[5]L6470 datasheet[EB/OL].ST Ltd.[2011.5].http://www.st.com/dspin.

[6]ST:STM32中文參考手冊(cè).第10版.[EB/OL].STLtd.[2011.5].http://www.st.com.

王凱（1977—），男，四川成都人，學(xué)士，國(guó)營(yíng)七八五廠第三研究所工程師。