孟令偉，管德永，趙 剛，盧興華，萬(wàn)永樂(lè)

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

隨著制造業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的重要部分，傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器多采用DSP或?qū)Ｓ貌竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片作為控制芯片，成本較高，且大多只能支持脈沖輸入或CAN總線通信。

眾多學(xué)者對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)展開了不同方面的研究。周永明等基于DSP對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)[1]；馬秀娟等提出了基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控流細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]；陳祖霖等提出了結(jié)合STM32和FPGA 的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[3]，但DSP和FPGA開發(fā)難度大，成本高；陳向奎等提出了基于CAN總線步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[4]；廖平等提出了基于STM32多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[5]；黃英等提出了基于PWM的汽車儀表步進(jìn)電機(jī)控制算法[6]，但輸入方式單一，只支持CAN或PWM等通信形式中的一種，通用性差。

為此，基于ARM設(shè)計(jì)了一種具有多種輸入模式的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將控制器集成于驅(qū)動(dòng)器中，可同時(shí)支持單臺(tái)控制和組網(wǎng)控制。選用STM32F103C8T6微控制器作為控制芯片，支持串口、CAN、PWM脈沖信號(hào)輸入，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，可以通過(guò)上位機(jī)軟件控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和細(xì)分。系統(tǒng)具有多種輸入模式，通用性強(qiáng)，且成本較低，能夠適用于多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

多輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由STM32主控電路、電源電路、脈沖輸入電路、CAN通信電路、串口通信電路、反饋電路及H橋電路組成，其方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 多輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案設(shè)計(jì)框圖

來(lái)自工控機(jī)或控制器的外部控制信息由脈沖輸入電路、CAN通信電路或串口通信電路輸入驅(qū)動(dòng)器，STM32主控解析控制信息后通過(guò)PWM控制H橋，H橋輸出兩路相位差為90°的正弦波電壓。兩相四線步進(jìn)電機(jī)的理想電流波形為相位差90°的兩相電流，通過(guò)控制正弦波電壓的頻率和相位差控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，同時(shí)反饋電路將步進(jìn)電機(jī)的相電流反饋到主控芯片，形成電流閉環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與外部設(shè)備連接圖如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

驅(qū)動(dòng)器主控芯片采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、減少的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗、改善的代碼密度、豐富的開發(fā)工具和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)等。STM32處理器使用了ARM V7-M體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)通用性極強(qiáng)、高度可配置的處理器[7]。

STM32主控電路部分主要包含芯片、晶振電路、復(fù)位電路、BOOT電路，本設(shè)計(jì)中芯片采用STM32F103C8T6，芯片四周各外設(shè)1個(gè)去耦電容，用以濾除電源干擾；晶振電路采用8M外置石英晶振，用以提供準(zhǔn)確時(shí)序；BOOT電路設(shè)置為FLASH啟動(dòng)，為此，將STM32的BOOT0引腳通過(guò)0 Ω電阻接地。主控電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主控電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 通信電路

通信電路由串口電路、CAN收發(fā)器電路和脈沖輸入電路組成，接收來(lái)自外部控制器的控制信號(hào)，可以支持3種信號(hào)形式的輸入，由主控判斷決定采用的信號(hào)形式。

串口通信物理層最少只需要3根線纜，工業(yè)中常用的串口形式有TTL、RS232、RS485、RS422。為提高驅(qū)動(dòng)器的通用性，采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，由TTL接口直接接到主控芯片，信號(hào)形式不同時(shí)可以通過(guò)外接模塊將TTL轉(zhuǎn)換為其他信號(hào)形式。STM32F103C8T6內(nèi)置3路串口，選用UART1作為TTL接口，圖4為串口接口圖。

圖4 串口接口圖

驅(qū)動(dòng)器支持使用CAN總線進(jìn)行控制，CAN總線可以有效降低智能控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流量和線路復(fù)雜程度，有利于精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低出錯(cuò)率[8]。CAN總線，支持多對(duì)多通信，可以在一條CAN總線上掛載多個(gè)設(shè)備，由仲裁機(jī)制決定數(shù)據(jù)流向。CAN控制器和總線之間電平標(biāo)準(zhǔn)不同，故采用MCP2551收發(fā)器芯片，將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，最高支持1 Mb/s的運(yùn)行速率，滿足ISO11898標(biāo)準(zhǔn)物理層要求，適合12 V和24 V系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)TXD輸入端的接地錯(cuò)誤，上電復(fù)位和電壓事件欠壓保護(hù)，可連接節(jié)點(diǎn)高達(dá)112個(gè)，采用差分總線，具有很強(qiáng)的抗噪特性，溫度范圍為-40～85 ℃。STM32F103C8T6內(nèi)部配置有一路CAN控制器，芯片引腳輸入輸出為TTL形式的CAN信號(hào)CANRX和CANTX，由CAN收發(fā)器芯片轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)CANH、CANL，電路如圖5所示。

圖5 CAN收發(fā)器電路

脈沖輸入電路采用ADUM1201AR作為隔離芯片，隔離外部脈沖信號(hào)輸入和驅(qū)動(dòng)器控制芯片。ADUM1201AR是具有雙通道的數(shù)字隔離器，能夠在驅(qū)動(dòng)板發(fā)生故障時(shí)防止外部控制器被來(lái)自驅(qū)動(dòng)板的反向電流燒毀。外部輸入有兩路信號(hào)PWMIN和GPIOEN，經(jīng)隔離芯片隔離后PWMINF和GPIOENF接入STM32的引腳。PWMIN是矩形波信號(hào)，定義電機(jī)的轉(zhuǎn)速，GPIOEN是方向信號(hào)，定義電機(jī)的轉(zhuǎn)向，隔離電路如圖6所示。

圖6 隔離電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路

采用H橋驅(qū)動(dòng)電路作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單個(gè)H橋電路可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速，驅(qū)動(dòng)器采用雙路H橋，用以驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩相四線步進(jìn)電機(jī)。采用IR7843型N溝道MOS，最大柵-源電壓VGS MAX=20 V，最大漏-源電壓VDS MAX=30 V，最大瞬時(shí)電流100 A；采用IR2184S半橋驅(qū)動(dòng)芯片，可將0～3.3 V范圍的PWM脈沖轉(zhuǎn)換為幅值為12 V的矩形波信號(hào)，將其輸出端連接至IR7843的柵極，可正常開啟關(guān)閉MOS管，IR2184S控制的半橋的MOS管始終一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)處于關(guān)閉狀態(tài)，由此2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路組成1個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)電路，圖7為H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖。

圖7 H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖

2.3.2 電流反饋電路

為形成步進(jìn)電機(jī)相電流的閉環(huán)控制，需要實(shí)時(shí)采集步進(jìn)電機(jī)相電流。采用0.1 Ω采樣電阻串聯(lián)采集步進(jìn)電機(jī)相電流，使用LM358集成運(yùn)放將采樣電阻兩端的電壓放大3倍后輸出到STM32的ADC引腳，由歐姆定律計(jì)算出線圈的電流大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6作為下位機(jī)主控，接收上位機(jī)發(fā)送的控制信息和采樣電阻處的電壓信息的同時(shí)，輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)芯片，控制H橋輸出波形的頻率和幅值。

3.1.1 通信算法設(shè)計(jì)

串口通信和CAN總線都是嵌入式系統(tǒng)中常用的通信形式，由于不同的特性應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，串口通信有多種信號(hào)形式，如RS232、RS485等，多用于一對(duì)一通信；使用CAN總線通信時(shí)，總線上添加和減少設(shè)備時(shí)，軟硬件和應(yīng)用層都無(wú)需修改，多用于組網(wǎng)控制。驅(qū)動(dòng)器和外部控制設(shè)備通信時(shí)需要滿足兩設(shè)備通信設(shè)置相同，如波特率、數(shù)據(jù)寬度等，同時(shí)兩者的信息格式需滿足自定義的通信協(xié)議。

驅(qū)動(dòng)器的串口設(shè)置為：波特率115 200 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位，1位停止位，外部設(shè)備接入時(shí)需按照此設(shè)置配置串口。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部使用中斷接收串口數(shù)據(jù)，每次進(jìn)入中斷接收1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，接收一次完整的串口指令需7次進(jìn)入中斷，順序接收上位機(jī)的指令并存儲(chǔ)在數(shù)組ComRxBuffer中。其中ComRxBuffer[0]和ComRxBuffer[5-6]分別作為包頭包尾，ComRxBuffer[1]存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方向信息，ComRxBuffer[2]存儲(chǔ)轉(zhuǎn)速信息，ComRxBuffer[3]存儲(chǔ)方向信息，ComRxBuffer[4]存儲(chǔ)細(xì)分?jǐn)?shù)。

CAN總線為多主方式工作，總線上任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻都可以主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送廣播信息，而不分主從[9]。驅(qū)動(dòng)器CAN總線接口設(shè)置波特率115 200 bit/s，外部設(shè)備需遵從此模式設(shè)置其波特率。CAN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64 bits，除在CAN標(biāo)準(zhǔn)幀的仲裁域中有身份識(shí)別信息，在數(shù)據(jù)幀中定義電機(jī)轉(zhuǎn)向、細(xì)分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)速。串口模式和CAN模式的通信協(xié)議見(jiàn)表1。

表1 通信協(xié)議

脈沖輸入模式下分為2種輸入模式，即脈寬調(diào)速模式和頻率調(diào)速模式，共用圖6中的輸入接口PWMIN和GPIOEN，驅(qū)動(dòng)器在脈沖輸入模式下通過(guò)撥碼開關(guān)選擇工作模式和細(xì)分?jǐn)?shù)。兩種模式的區(qū)別為PWMIN的信號(hào)參數(shù)，脈寬調(diào)速模式下PWMIN的信號(hào)頻率不變，占空比為變量，隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化而變化；頻率調(diào)速模式下PWMIN的信號(hào)占空比不變，頻率為變量，隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化而變化。2種模式下，GPIOEN接口電平含義相同，高電平為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)信號(hào)，低電平為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)信號(hào)。

設(shè)置為脈寬調(diào)速模式時(shí)，PWMIN輸入的為脈寬調(diào)制信號(hào)，轉(zhuǎn)速大小與脈寬大小呈線性關(guān)系，脈寬越大轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)速與脈寬滿足式(1)：

v=k1·T

(1)

式中：v為轉(zhuǎn)速，r/min；k1為脈寬轉(zhuǎn)換系數(shù)；T為脈寬。

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用定時(shí)器中斷采集脈寬信息，即矩形波上升沿時(shí)獲取時(shí)間T1，下降沿時(shí)獲取時(shí)間T2，采集到的脈寬T=T2-T1。

設(shè)置為頻率調(diào)速模式時(shí)，PWMIN輸入為頻率調(diào)制信號(hào)，轉(zhuǎn)速大小與頻率大小呈線性關(guān)系，頻率越高轉(zhuǎn)速越大，轉(zhuǎn)速與頻率滿足式(2)：

v=k2·P

(2)

式中：k2為頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)；P為脈沖頻率，Hz。

驅(qū)動(dòng)器采用外部中斷采集頻率信息，采用下降沿觸發(fā)，采集1 s內(nèi)進(jìn)入中斷的次數(shù)N，P=N。

3.1.2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是低速永磁同步電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個(gè)永磁鐵，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的定子各相繞組按照特定的時(shí)序通以階躍式的電流，將產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子步進(jìn)式地旋轉(zhuǎn)[10]。雖然步進(jìn)電機(jī)擁有良好的開環(huán)特性，便于控制，但也同時(shí)存在低頻共振、噪音大的缺點(diǎn)，采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠提高步距分辨率，同時(shí)降低運(yùn)行噪聲[11]。

細(xì)分技術(shù)能有效地提高步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行精度，抑制低頻共振。兩相四線步進(jìn)電機(jī)理想的電流波形為2個(gè)相位差為90°的正弦波，如圖8所示。

圖8 理想電流波形

實(shí)際使用時(shí)驅(qū)動(dòng)電路很難生成理想波形，故常用多細(xì)分的階梯波來(lái)代替正弦波，如圖9所示。

圖9 實(shí)際電流波形

不使用細(xì)分算法的兩相步進(jìn)電機(jī)多采用兩相四拍運(yùn)行方式，細(xì)分實(shí)際是將四拍中的每一拍分成多步來(lái)實(shí)現(xiàn)，將矩形波變?yōu)殡A梯變化的模擬正弦波，每一拍中的階梯數(shù)稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。使用STM32進(jìn)行控制時(shí)，階梯波通過(guò)PWM信號(hào)來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PWM控制H橋輸出端的電壓呈階梯狀變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流階梯狀變化。

MCU根據(jù)接收到的信息控制產(chǎn)生特定占空比和頻率的PWM信號(hào)，PWM本身的信號(hào)頻率不需要變化，將其設(shè)定為10 kHz，但是需要通過(guò)調(diào)整改變占空比的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，占空比根據(jù)式(3)和式(4)變化。

(3)

(4)

式中：PWM為最大占空比；PWMA為A相線圈的占空比；PWMB為B相線圈的占空比；i為循環(huán)變量；j為細(xì)分?jǐn)?shù)。

STM32F103C8T6內(nèi)部有時(shí)鐘TIM1～TIM4，本設(shè)計(jì)選用TIM2作為PWM輸出口。針對(duì)50齒，步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的時(shí)間T計(jì)算為

T=4N·j·Tstep

(5)

式中：N為步進(jìn)電機(jī)齒數(shù)；Tstep為每一細(xì)分階梯的時(shí)間。

經(jīng)過(guò)換算，在rate(r/min)轉(zhuǎn)速、j細(xì)分下，每一步的時(shí)間Tstep見(jiàn)式(6)：

(6)

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用Python和Qt開發(fā)，軟件界面由Qt designer設(shè)計(jì)，內(nèi)核服務(wù)函數(shù)使用Python設(shè)計(jì)，顯著縮減了代碼量。同時(shí)支持串口通信、CAN總線和脈沖輸入模式，串口通信、CAN總線模式，支持步進(jìn)電機(jī)調(diào)速、方向控制、細(xì)分控制，通過(guò)操縱界面中的按鈕等控件向下位機(jī)發(fā)出指令。上位機(jī)軟件界面如圖10所示。

圖10 上位機(jī)軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

完成驅(qū)動(dòng)器下位機(jī)和上位機(jī)設(shè)計(jì)后，使用42型兩相四線步進(jìn)電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試3種控制模式下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功能完整性。實(shí)驗(yàn)分為兩部分：第1部分采用工控機(jī)通過(guò)2種通信轉(zhuǎn)接板，即USB轉(zhuǎn)TTL和USB轉(zhuǎn)CAN，連接驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行串口通信、CAN通信測(cè)試；第2部分采用外部控制電路板連接驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行脈寬調(diào)速測(cè)試和頻率調(diào)速測(cè)試。由于3種信號(hào)輸入方式對(duì)應(yīng)相同的輸出，所以轉(zhuǎn)速和細(xì)分參數(shù)相同時(shí)，不同輸入方式對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出相同，表2為串口模式下設(shè)定轉(zhuǎn)速和細(xì)分?jǐn)?shù)下的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2 驅(qū)動(dòng)器測(cè)試數(shù)據(jù)

使用串口通信，設(shè)置60細(xì)分、轉(zhuǎn)速30 r/min的參數(shù)對(duì)多輸入驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試，A相線圈電壓波形如圖11所示，圖12為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖，圖13為多輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖。

圖11 A相線圈兩端電壓波形

圖12 多輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)試系統(tǒng)

圖13 多輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

測(cè)試結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)器能夠支持各種信號(hào)輸入方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)，共振得到了很好抑制，能夠適用于多種工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選用STM32F103C8T6、IR2814S等對(duì)兩相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)支持多種輸入模式，將控制器與驅(qū)動(dòng)器集成于一體，可以在不添加外部控制器的情況下使用計(jì)算機(jī)直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，降低了成本，提高了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通用性。詳細(xì)介紹了細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案、H橋驅(qū)動(dòng)電路、電流反饋電路。最后采用42型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了多種輸入模式實(shí)驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程中電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，不丟步，測(cè)試結(jié)果表明該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通用性強(qiáng)，可靠性高，可滿足多種工業(yè)環(huán)境的使用需求。