趙成龍 張春雷 陳 龍

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院 成都610065）

步進(jìn)電機(jī)常常作為自動(dòng)化設(shè)備中的重要?jiǎng)恿υ?，近年?lái)針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制器產(chǎn)品也越來(lái)越多。定時(shí)器是單片機(jī)的重要功能模塊之一，在檢測(cè)、控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。定時(shí)器常用作定時(shí)時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)檢測(cè)、定時(shí)響應(yīng)、定時(shí)控制，并且可以產(chǎn)生ms寬的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開發(fā)一款基于定時(shí)器的控制器產(chǎn)品意義較大。此類控制器相比傳統(tǒng)基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的步進(jìn)電機(jī)控制器，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的巨大優(yōu)勢(shì)。

步進(jìn)電機(jī)可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或者線位移[1]，其轉(zhuǎn)速和位置分別由脈沖頻率和脈沖數(shù)決定。根據(jù)這個(gè)特性，該程序設(shè)計(jì)使單片機(jī)引腳輸出可控頻率的脈沖數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度和位置的精確控制。

1 基于定時(shí)器產(chǎn)生脈沖的原理

定時(shí)器有自下向上和自上向下兩種計(jì)數(shù)模式。在本實(shí)驗(yàn)中，定時(shí)器采用向上計(jì)數(shù)模式，從零開始加到設(shè)定值后溢出，設(shè)定值由自己設(shè)置并存放在ARR（auto reload register，自動(dòng)重裝載寄存器）中[2]，設(shè)定ARR的值就可以設(shè)定輸出脈沖的頻率。定時(shí)器由零開始向上計(jì)數(shù)的過(guò)程中，會(huì)先達(dá)到比較值，這個(gè)比較值存放在CCR（capture/compare register，捕獲/比較寄存器）中，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值和CCR的值相等時(shí)定時(shí)器映射引腳的 IO電平反轉(zhuǎn)一次，即在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值比 CCR值小，則輸出低電平，比CCR值大，則輸出高電平，設(shè)定CCR值就可以設(shè)定脈沖的占空比。在步進(jìn)電機(jī)的控制中脈沖的占空比一般不影響步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)特性，因此取占空比為50%，即CCR值為ARR值二分之一。

當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值小于CCR寄存器的值時(shí)IO邏輯為0，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于CCR寄存器的值時(shí)IO邏輯為1，這樣不斷地切換IO口的輸出電平就形成了連續(xù)的方波脈沖，定時(shí)器計(jì)數(shù)值，如圖1所示。

圖1 定時(shí)器計(jì)數(shù)值與寄存器值比較IO邏輯圖

2 多通道脈沖輸出的實(shí)現(xiàn)

2.1 初始化設(shè)計(jì)

以高性能Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F4系列微控制器具有多個(gè)定時(shí)器，在本實(shí)驗(yàn)中，要使STM32F405芯片同時(shí)輸出三路脈沖信號(hào)，參數(shù)初始化實(shí)現(xiàn)步驟：第一步先配置三個(gè)定時(shí)器的相關(guān)參數(shù)，分別是TIM2的通道2，TIM3的通道4，TIM4的通道 4；第二步將各定時(shí)器脈沖通道在芯片上映射的管腳進(jìn)行初始化，通過(guò)查 STM32的技術(shù)手冊(cè)可知TIM2的通道2映射的管腳為PA1，TIM3的通道4映射的管腳是PB1，TIM4的通道4映射的管腳是PB9，分別對(duì)這三個(gè)管腳的時(shí)鐘使能，并設(shè)置管腳模式的為復(fù)用推挽輸出，頻率為50MHz；第三步初始化用于控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的管腳。

2.2 脈沖輸出算法設(shè)計(jì)

算法實(shí)現(xiàn)的步驟為：第一步判斷軸號(hào) tAxis,并跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)軸號(hào)的case中執(zhí)行程序；第二步判斷插補(bǔ)周期內(nèi)的脈沖數(shù)pulnum是否為正值，如果pulnum為正，方向管腳置1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則方向管腳置0，pulnum取相反數(shù)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；第三步更新CRR和ARR值；第四步在中斷函數(shù)中記錄脈沖個(gè)數(shù)；第五步判斷下一插補(bǔ)周期脈沖數(shù)是否為 0，如果是結(jié)束程序，否則繼續(xù)循環(huán)。具體實(shí)現(xiàn)的流程如圖2所示。

圖2 輸出脈沖流程圖

3 步進(jìn)電機(jī)位置控制的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)位置取決于兩個(gè)因素：初始相位和步距。初始相位與機(jī)械原點(diǎn)有關(guān)，在工程應(yīng)用中常?？梢杂蓚鞲衅?，限位開關(guān)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋給控制器，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步距則由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到的脈沖數(shù)目決定。因此整體的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)發(fā)準(zhǔn)確數(shù)目的脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確位置，在程序設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分技術(shù)[3]。例如，驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)為 10000，為了保證軟件上的每發(fā)一個(gè)脈沖與執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的距離對(duì)應(yīng)正確，需要在程序中設(shè)定每發(fā)出10000個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈[4]。

在本實(shí)驗(yàn)中，定時(shí)器Counter從零開始計(jì)數(shù)達(dá)到 CCR值后會(huì)觸發(fā)一次中斷，程序會(huì)立即跳轉(zhuǎn)到中端函數(shù) TIMx_IRQHandler()中執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。利用這個(gè)特點(diǎn)在定時(shí)器中斷里進(jìn)行脈沖個(gè)數(shù)的記錄是一種可靠的方法，即每發(fā)一個(gè)脈沖進(jìn)入中斷一次，記錄脈沖數(shù)目的全局變量AbsPos[i]自增1，精確記錄脈沖個(gè)數(shù)的核心代碼如圖3所示。

圖3 精確記錄脈沖個(gè)數(shù)的核心代碼

4 步進(jìn)電機(jī)速度控制的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收的脈沖頻率成正比，如果控制器發(fā)出的脈沖頻率越高則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快。利用這個(gè)特點(diǎn)通過(guò)設(shè)定發(fā)出脈沖的頻率控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是一種行之有效的方法。本實(shí)驗(yàn)中，在插補(bǔ)周期固定的情況下設(shè)定傳入pulnum值即可設(shè)定脈沖頻率。即在一個(gè)插補(bǔ)周期里如果傳入 pulnum的值大，那么輸出的脈沖頻率就高。反之 pulnum的值小，那么輸出的脈沖頻率就低。換言之計(jì)算對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下每個(gè)插補(bǔ)周期的pulnum值即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度的控制[4]。

T型加減速的速度，加速度，位移和時(shí)間關(guān)系可由式表示：

T型加減速的算法計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)周期pulnum值的具體步驟為：第一步初始化起始速度Vstar，終止速度Vend，最大速度Vmax，加速度a和運(yùn)動(dòng)距離Distance。 第二步判斷減速距離。計(jì)算減速距離Ld，如果剩余距離Lr≤減速距離Ld，則進(jìn)行減速，本插補(bǔ)周期的速度Vcurrent等于上一插補(bǔ)周期的末速度Vlast?aT ，a為加速度，T為插補(bǔ)周期，本實(shí)驗(yàn)中插補(bǔ)周期為0.001s。如果剩余距離Lr>減速距離Ld，則按照是否到達(dá)最大速度Vmax，分別進(jìn)行勻速或者勻加速，Vcurrent=Vlast或者Vcurrent=Vlast +aT。第三步完成減速后，如果當(dāng)前的速度Vcurrent

圖4 T型加減速流程圖

用邏輯分析儀采樣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)輸出的脈沖如圖 5、圖6所示。從圖5所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，輸出脈沖的頻率逐漸增大，加速過(guò)程明顯，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)由勻加速到勻速的控制。從圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，輸出脈沖的頻率逐漸減小，減速過(guò)程明顯，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)勻減速的控制。

圖5 加速過(guò)程脈沖輸出

圖6 減速過(guò)程脈沖輸出

5 實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)分析

實(shí)驗(yàn)中用到的定時(shí)器分為兩種，用于定時(shí) 1ms的定時(shí)器和產(chǎn)生脈沖的定時(shí)器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將定時(shí)1ms的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為0級(jí)，用于發(fā)脈沖的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為1級(jí)，即用于定時(shí)1ms的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于用于產(chǎn)生脈沖定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)，則會(huì)出現(xiàn)輸出脈沖間斷且丟脈沖的現(xiàn)象，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)產(chǎn)生抖動(dòng)且定位不準(zhǔn)。造成這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)定時(shí)1ms事件刷新時(shí)會(huì)優(yōu)先進(jìn)入中斷，給 CCR值更新，而此時(shí)上一插補(bǔ)周期產(chǎn)生的脈沖還沒有完成，因此會(huì)出現(xiàn)脈沖漏發(fā)少發(fā)現(xiàn)象。解決這一問(wèn)題的方法是將用于產(chǎn)生脈沖的定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高級(jí)0級(jí)，而用于定時(shí)1ms的定時(shí)器中斷的優(yōu)先級(jí)則設(shè)置為較低的1級(jí)。這樣就算定時(shí)1ms定時(shí)器產(chǎn)生刷新事件也不會(huì)先進(jìn)入中斷，而是等待脈沖產(chǎn)生完成后才進(jìn)入中斷給CCR值更新，從而保證了脈沖的連續(xù)性和脈沖數(shù)的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

上述基于定時(shí)器的步進(jìn)電機(jī)控制的程序設(shè)計(jì)，已經(jīng)運(yùn)用在了針對(duì)直角坐標(biāo)機(jī)器人開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多軸直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制[6-7]。該控制器的硬件部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，軟件部分可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制，應(yīng)用行業(yè)領(lǐng)域廣泛，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中已經(jīng)得到了檢驗(yàn)。