王秋云，汪 文，徐嘉琦，孫 琦，趙偉霞，富春巖

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007;2.佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

為防止步進電機啟動和停止時出現(xiàn)沖擊而產(chǎn)生失步和震蕩的現(xiàn)象，在步進電機的數(shù)控系統(tǒng)中，需要使用一種專用的加減速控制算法，通過控制驅(qū)動脈沖規(guī)律控制步進電機的加減速過程[1]。通過控制脈沖的頻率可以減少開環(huán)控制系統(tǒng)中的電機失步與震蕩現(xiàn)象，本文設(shè)計了一種基于STM32F103單片機的步進電機控制器，本控制器按照驅(qū)動算法控制STM32產(chǎn)生對應(yīng)的脈沖進而驅(qū)動電機驅(qū)動器控制步進電機。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本控制器由單片機(STM32F103C8T6)、CH340E、矩陣鍵盤、液晶顯示面板和電源等部分組成。系統(tǒng)采用單片機作為主控制器,CH340E芯片作為單片機與上位機進行數(shù)據(jù)交換的接口，液晶顯示面板采用LCD12864進行數(shù)據(jù)顯示，矩陣按鍵采用輕觸開關(guān)進行參數(shù)與模式設(shè)置，系統(tǒng)采用12V電池與12V直流雙電源供電方案，經(jīng)電源系統(tǒng)升降壓后供各個模塊使用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本控制器模塊的工作原理如下，主控制器接收用戶按鍵和上位機發(fā)來的控制信號，調(diào)用不同的控制算法，控制單片機產(chǎn)生指定頻率與數(shù)量的PWM脈沖，并將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機并在液晶面板上顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件選型

本控制模塊所選用的單片機為ST公司的STM32F103C8T6微控制器，最高主頻72MHz，支持JTAG、SWD與串口燒錄，下載方式豐富。具有3個UART，4個定時器(包括一個高級定時器，3個通用定時器)和26個通用輸入輸出端口，可同時輸出多路驅(qū)動脈沖。該芯片具有功耗低、價格低、性能好和速度快等優(yōu)點，完全能滿足本系統(tǒng)的性能需求。通訊模塊采用CH340E USB轉(zhuǎn)串口芯片連接控制器與計算機，該芯片速度快，價格便宜，滿足本系統(tǒng)的使用?？紤]到本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量,對屏幕的通訊速率要求不高，故選用帶UART的串口LCD。對于鍵盤，因可設(shè)置的參數(shù)較多，故選用4×4矩陣鍵盤。

2.2 通信接口設(shè)計

本控制器通過USB轉(zhuǎn)串口(CH340E)芯片與上位機進行通訊。CH340E內(nèi)置振蕩器，提供全速USB設(shè)備接口兼容USB2.0，硬件全雙工串口，支持通訊波特率50 bps～2 Mbps。通過USB接口和插針與PC或其他外設(shè)相連接。硬件電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 通信接口硬件電路設(shè)計

2.3 電源模塊設(shè)計

控制器供電系統(tǒng)采用獨立電池供電與直流電源供電兩種方式(可手動切換)，其中單片機最小系統(tǒng)需要3.3V供電，液晶顯示與CH340E芯片均支持3.3-5V寬電壓供電，而為了便于后期功能的擴展，現(xiàn)使用兩級降壓模式，第一級將系統(tǒng)電源電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓器(AMS1117-5.0)降壓至5V，第二級將5V電壓通過三端穩(wěn)壓器(ASM117-3.3)降壓至3.3V，兩級電壓足以滿足各個模塊的使用以及未來的擴展。電路硬件原理圖如圖3所示。

圖3 電源電路硬件原理圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

當前，梯型加減速和S曲線加減速是步進電機最常用的兩種加減速方法[2]，但是由于梯型加減速實現(xiàn)過程中存在加速度突變的情況[3]，因此本控制器采用S曲線加減速的方式控制步進電機。

3.1 步進電機控制算法的實現(xiàn)

S型曲線算法，即通過Sigmoid函數(shù)變換得到的一種控制算法[4]，具體的實現(xiàn)過程如下：

Sigmoid函數(shù)公式如下：

(1)

Sigmoid函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 Sigmoid函數(shù)曲線

由Sigmoid函數(shù)公式(1)可知，Sigmoid函數(shù)的值域為0-1，而計算出來的結(jié)果對應(yīng)單片機輸出脈沖的頻率，所以原始Sigmoid函數(shù)并不能直接用于計算輸出。若要將此曲線應(yīng)用到步進電機的加、減速控制過程中，需要對其進行X、Y方向的平移與拉伸變化。

整理后的公式為：

(2)

其中A控制y方向的拉伸變化、a控制x方向拉伸變化、B控制y方向的平移變化、b控制x方向的平移變化，通過此函數(shù)可以計算步進電機啟動過程中每個計算時間點的頻率。

同理可得到減速過程中的計算公式為：

(3)

由公式可知，當b為定值時,a值越大則加速曲線越陡峭，即從加速開始到目標值的時間越短。當a為定值,b值變化時可知，b值越大則加速時的低頻段與減速時的高頻段持續(xù)時間就越短，即調(diào)節(jié)時間越短。經(jīng)過測試后發(fā)現(xiàn)當在加減數(shù)點數(shù)為100，a值處于[0.9,3.5]之間時效果最好，而對于b值則應(yīng)根據(jù)a的值來設(shè)置。

在步進電機的啟動過程中，如果啟動頻率過低或者低頻時發(fā)出的脈沖太多將會影響加速時間，加速效果較差，所以實際應(yīng)用中應(yīng)該選擇合適的啟動頻率并設(shè)計好低頻時的脈沖數(shù)。

根據(jù)設(shè)置的啟動停止時間T與每個頻率持續(xù)的時間Ti，就可以得到總的加減速步數(shù)N，可得：

(4)

在設(shè)置過程中便可以根據(jù)要求(規(guī)定啟動時間或者規(guī)定啟動步數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)置)。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

MCU系統(tǒng)程序使用C語言編寫，主要實現(xiàn)與上位機的通信、人機交互和步進電機驅(qū)動算法。系統(tǒng)上位機以基于QT的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架開發(fā)，實現(xiàn)控制器的人機交互控制界面。具有手動設(shè)置各項參數(shù)和動態(tài)實時參數(shù)顯示等功能。系統(tǒng)實時顯示系統(tǒng)狀況、多路步進電機轉(zhuǎn)速和驅(qū)動頻率等信息。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖5所示，步進電機驅(qū)動程序的流程圖如圖6所示。

圖5 主控制流程圖

圖6 步進電機驅(qū)動控制

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過STM32單片機結(jié)合Sigmoid函數(shù)衍生的控制算法，實時計算出控制頻率。通過對控制器的實際測試，最終取得了較好的效果。同時若搭配專用的步進電機驅(qū)動器，即使在開環(huán)的情況下仍能提供滿足使用的控制精度，為用戶提供良好的使用體驗，節(jié)約用戶的設(shè)備開銷。同時結(jié)合遠距離與上位機通信也可讓控制器適應(yīng)更多的控制環(huán)境，提升控制系統(tǒng)的自動化程度。