徐 錕，黨幼云，張 峰

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

目前所研究的機(jī)器人以工業(yè)機(jī)器人為主，為了更好地與環(huán)境進(jìn)行交互，靈活地操縱物體、準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)位置、精確地完成所分配的任務(wù)，很多工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考了人體手臂的結(jié)構(gòu).這種機(jī)器人是一種對生產(chǎn)條件適應(yīng)性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備，可以在無人看管的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、搬運(yùn)、裝配和焊接等多種操作，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)類似于人的臂部，故一般稱其為機(jī)械臂［1-2］.

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，四自由度機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)有越來越廣泛.四自由度機(jī)械手可以模仿人手和臂的某些動(dòng)作，按照固定的程序抓取、搬運(yùn)、或操作工具.四自由度機(jī)械手可以代替人進(jìn)行復(fù)雜重復(fù)的動(dòng)作，可以在危害環(huán)境下代替人力［3-4］.目前四自由度機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)往往都是使用混合式步進(jìn)電機(jī).四自由度機(jī)械手在操作過程中會(huì)進(jìn)行頻繁的啟停，抓取搬運(yùn)物品的重量不同，這就要求步進(jìn)電機(jī)具有很好的高低速運(yùn)行平穩(wěn)性，在高速情況下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，啟停平穩(wěn)，精度高［5-9］.

通過分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)，本文給出了一種基于STM32F103的多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，分析了驅(qū)動(dòng)器的硬件及軟件設(shè)計(jì)，并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了本設(shè)計(jì)的正確性.

1 設(shè)計(jì)方案

隨著步進(jìn)電機(jī)越發(fā)廣泛的應(yīng)用，對步進(jìn)電機(jī)的要求也越來越高，要求步距精度越來越高，震動(dòng)和噪聲越來越低.式（1）為步距角公式，即每給一個(gè)電脈沖信號步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度.

其中，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m0為運(yùn)行拍數(shù)（通常等于定子相數(shù)或相數(shù)的整數(shù)倍，即m0=km；m為定子相數(shù)，k為電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式）.步進(jìn)電機(jī)步距角的大小由電機(jī)自身的轉(zhuǎn)子數(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式所決定，受電機(jī)制造工藝的限制，電機(jī)本身的參數(shù)（相數(shù)m）基本不可能在做大幅度的增大，只有通過增大k來獲取更小的步距角.k=1時(shí)步進(jìn)電機(jī)工作于整步方式，k=2時(shí)步進(jìn)電機(jī)工作于半步方式，為了獲取更大的k，就必須采用細(xì)分控制的方式［10-11］.

理想的步進(jìn)電機(jī)電流曲線應(yīng)該是相差90°的正弦曲線.細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式實(shí)際上是一種電流波形控制技術(shù)，將傳統(tǒng)的矩形電流波形改為階梯型近似正弦波形，在正弦波零值和最大值之間分為若干個(gè)等幅值、等寬度的階梯.波形分成若干個(gè)階梯，而額定電流分成多少個(gè)階梯，轉(zhuǎn)子就以多少步完成一個(gè)原有的步距角.圖1（a）為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)兩相電流整步運(yùn)行圖，圖1（b）為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)兩相電流的單步4細(xì)分示意圖.

在兩相混合式步進(jìn)電機(jī)中，若在AB兩相繞組中通入幅值按正弦規(guī)律變化、相位相差的階梯波電流時(shí)，就可以得到幅度恒定、角度均勻的合成電流矢量.電流合成矢量為

圖1 細(xì)分示意圖Fig.1 Multiple segments

改變兩相繞組電流的大小并使其按正余弦規(guī)律變化，則可使合成電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)恒力矩、均勻步距角的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制.

驅(qū)動(dòng)器的主控制芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VCT6，使用STM32F103VCT6的定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，使用其自帶的12位ADC采樣母線電流，監(jiān)測電機(jī)電流.本設(shè)計(jì)采用RS485總線的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)通信，使上位機(jī)對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，提高驅(qū)動(dòng)器的可控性.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示.

2 硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖Fig.2 System design

2.1.1 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)放大電路包括H全橋電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路.MOSFET驅(qū)動(dòng)電路主要是產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)能力驅(qū)動(dòng)后級的H全橋MOSFET管.H全橋直接控制步進(jìn)電機(jī).MOSFET驅(qū)動(dòng)電路主要采用IR2110自舉半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110芯片是一種H半橋（獨(dú)立一橋臂雙通道）、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓、高速單片式專用功率器件集成驅(qū)，動(dòng)電路，2片IR2110就能構(gòu)成 H全橋功率MOS-FET管可逆PWM他勵(lì)直流控制系統(tǒng)主控回路.IR2110芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容產(chǎn)生懸浮電壓源，與低端通道共用一個(gè)外接驅(qū)動(dòng)電源，兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，配置所有高壓引腳在芯片一側(cè)、獨(dú)立的邏輯地和功率地，使芯片結(jié)構(gòu)緊固可靠.柵極門電壓在10～20V范圍高，高端懸浮通道用于驅(qū)動(dòng)MOSFET的高壓端，電壓最高可達(dá)500V.IR2110欠壓鎖定功能可確保在工作在正常7.4～9.6V范圍內(nèi).關(guān)斷功能可使H半橋雙通道立即強(qiáng)制輸出低電平，用于電機(jī)過流保護(hù)等場合［12］.IR2110采用自舉法給高端控制邏輯電路供電雖然簡單便宜，但是自舉電容對PWM占空比和開通時(shí)間都有一定限制，選取自舉電容有一些基本原則不能用于PWM超低頻或長期占空比100%的場合，實(shí)際應(yīng)用占空比上限設(shè)在97%左右［13］.本設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)采用兩相混合式，故使用4片IR2110驅(qū)動(dòng)2個(gè)H橋.IR2110驅(qū)動(dòng)MOS-FET H橋電路如圖3所示.

圖3 IR2110驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 Drive circuit of IR2110

2.1.2 通信接口電路設(shè) 驅(qū)動(dòng)器與上位機(jī)通信采用RS485總線通信.RS485是目前工業(yè)控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的一種分布式串行總線結(jié)構(gòu)，RS485采用一對雙平衡差分信號線，工作于半雙工工作模式.RS485通信系統(tǒng)中，可以支持多于32個(gè)的負(fù)載，所有的負(fù)載即可以做發(fā)送器也可以作為接收器來使用.針對這一特性，本設(shè)計(jì)對所有負(fù)載采取唯一地址編號的方式，防止通信混亂.

RS485組網(wǎng)過程中還有一個(gè)很重要的問題是接地處理，接地系統(tǒng)的好壞直接影響RS485網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量，這是常常容易被忽視的一個(gè)大問題，對于所有電子系統(tǒng)應(yīng)用來說接地處理都起著非常關(guān)鍵的作用，接地處理不合適會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下會(huì)造成系統(tǒng)損壞.本文設(shè)計(jì)了一種RS485接口電路，很好的解決了RS485組網(wǎng)過程中的這一問題.RS485接口電路如圖4所示.

圖4 RS485接口電路Fig.4 RS485interface circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制器主程序軟件設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電，系統(tǒng)延遲100μs等待系統(tǒng)穩(wěn)定.系統(tǒng)穩(wěn)定之后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化AD轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、PI控制子系統(tǒng)等.初始化完畢系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢測各路傳感器、通信是否工作正常.自檢完畢，一切準(zhǔn)備就緒等待上位機(jī)發(fā)送的控制指令，接到控制指令驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析控制指令，執(zhí)行控制指令的正反轉(zhuǎn)方向.當(dāng)一條控制指令執(zhí)行完畢之后，把當(dāng)前相位標(biāo)記記錄下來，為下次執(zhí)行做準(zhǔn)備.相位標(biāo)記完成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等待上位機(jī)的下一條控制指令.主程序流程圖如圖5所示.

2.2.2 RS485通信的軟件設(shè)計(jì) 在四自由度機(jī)械手的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為保證步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，上位機(jī)一次只發(fā)送一條控制指令.針對這種要求，本文設(shè)計(jì)了一種簡潔、可靠、可擴(kuò)展的RS485通信數(shù)據(jù)幀格式.通訊幀格式為起始域、地址域、控制域、擴(kuò)展域以及結(jié)束域.

每一幀數(shù)據(jù)包含5個(gè)域，每域各占1字節(jié)，共5字節(jié).起始域?yàn)橥ㄐ盼帐中盘?四自由度機(jī)械手臂控制系統(tǒng)中，共有4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有唯一的地址ID.地址域表示上位機(jī)會(huì)向哪個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)幀.控制域?yàn)樯衔粰C(jī)發(fā)送的控制指令，控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)等.擴(kuò)展域?yàn)橐院罂刂浦噶顢U(kuò)展的預(yù)留.結(jié)束域?yàn)橐粠瑪?shù)據(jù)的結(jié)束.

具體通信協(xié)議如下：

（1）上位機(jī)分別向各個(gè)系統(tǒng)發(fā)送只有地址域的數(shù)據(jù)幀，向各系統(tǒng)進(jìn)行地址校驗(yàn).驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收到地址校驗(yàn)幀后與自身的地址進(jìn)行比較，若相同返回確認(rèn)幀.

（2）若地址校驗(yàn)正確，上位機(jī)發(fā)送正常的控制指令.若校驗(yàn)錯(cuò)誤，上位機(jī)向錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位信號.

（3）驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)收到復(fù)位信號后，立即復(fù)位，然后進(jìn)入地址等待階段.若收到接收命令，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入接收等待階段.

（4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)送的控制指令后，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作.

（5）一幀數(shù)據(jù)接收完畢，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推出本次通信，準(zhǔn)備下次通信.

2.2.3 相電流PI控制 由于步進(jìn)電機(jī)的永磁特性，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢使得步進(jìn)電機(jī)的相電流減小，使輸出力矩降低，特別是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢非常大.隨著轉(zhuǎn)速的持續(xù)上升，反電動(dòng)勢對步進(jìn)電機(jī)相電流的影響也逐步加大，相電流的減小非常明顯.本設(shè)計(jì)通過相電流的PI控制，使得相電流一直處于恒值狀態(tài)，從而使步進(jìn)電機(jī)可以恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行［14］.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)電流如式（3）所示.

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flow chart

其中，VCC為電機(jī)繞組兩端的電壓源電壓，Vemf為反電動(dòng)勢，R為電機(jī)繞組的電阻，I0為繞組初始電流，L為相電感.由式（3）可知，當(dāng)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢遠(yuǎn)小于電機(jī)繞組兩端的電壓，因而，步進(jìn)電機(jī)的相電流在額定電流狀態(tài)下工作，而隨著步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，反電動(dòng)勢隨著轉(zhuǎn)速上升，步進(jìn)電機(jī)的相電流也會(huì)隨著下降，從而比額定電流低很多.這種情況下，步進(jìn)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步或者堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，從而影響電機(jī)在高速運(yùn)行下帶負(fù)載的能力.

通過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)，可以使相電流工作在恒值，本設(shè)計(jì)采用的是離散PI調(diào)節(jié)，在微控制器內(nèi)完成.PI調(diào)節(jié)增量式算法如式（4）：

3 系統(tǒng)整體驗(yàn)證

四自由度機(jī)械手中多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制作出來后在兩相步進(jìn)電機(jī)上進(jìn)行了測試，測試了電機(jī)在不同細(xì)分?jǐn)?shù)下電流波形測試分析.圖6的（a）為4細(xì)分時(shí)單相繞組的電流波形，（b）為128細(xì)分時(shí)單相繞組的電流波形.隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，繞組電流波形也越接近于正弦波，波形更平滑，電機(jī)運(yùn)行也更加平穩(wěn).從這組電流波形圖中可以說明，細(xì)分?jǐn)?shù)越大，電流波形越來越向正弦波逼近，電機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲越小，越能夠使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行.經(jīng)測試論證，結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)器基本滿足設(shè)定的功能要求，性能良好.

圖6 實(shí)驗(yàn)測得細(xì)分波形Fig.6 The measured waveform segments

4 結(jié)束語

（1）IR2110能有效控制功率MOS-FET，實(shí)現(xiàn)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng).

（2）驅(qū)動(dòng)器有效解決了四自由度機(jī)械手中兩相混合式步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行下噪聲大、震動(dòng)大，在高速運(yùn)行下帶負(fù)載能力差的問題.保證了四自由度機(jī)械手臂高精度的工作.

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