基于STM 32F103RB的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

朱樺，張中煒，袁振

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

步進(jìn)電機(jī)是一種運(yùn)用廣泛的控制電機(jī)，其特征是不使用位置反饋回路就能進(jìn)行速度控制及定位控制，即所謂的電機(jī)開環(huán)控制[1]。相對(duì)于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有著成本低廉，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，在工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，比如單電壓驅(qū)動(dòng)、高低電壓驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)等等，雖然已經(jīng)應(yīng)用十分成熟，但是只限于低速運(yùn)行，并且細(xì)分度一般限制在1/2步距，無(wú)法很好消除低頻振蕩，以及定位精度差等缺點(diǎn)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。

常見的細(xì)分控制器一般由MCU、專用邏輯驅(qū)動(dòng)芯片以及功率驅(qū)動(dòng)模塊組成，這樣的驅(qū)動(dòng)器雖然能滿足多細(xì)分驅(qū)動(dòng)，但由于細(xì)分?jǐn)?shù)量和效果會(huì)受到邏輯驅(qū)動(dòng)芯片的影響，并且無(wú)法調(diào)整細(xì)分?jǐn)?shù)和限流值，從而造成系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy、矩頻特性差等缺點(diǎn)。本文使用ST公司的32位ARM單片機(jī)，加上MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊及電流傳感模塊，省去了邏輯驅(qū)動(dòng)芯片。電機(jī)電流采用單片機(jī)內(nèi)部AD采樣，控制邏輯算法直接由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，MOSFET按照外部輸入的脈沖速度及內(nèi)部的時(shí)序來(lái)運(yùn)行，從而大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路，提高了電路的通用性和驅(qū)動(dòng)性能。

1 意法半導(dǎo)體STM32F103RB單片機(jī)簡(jiǎn)述

STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex－M3內(nèi)核，具有運(yùn)行速度高、處理能力強(qiáng)、外設(shè)接口豐富等特點(diǎn)。由于其低廉的價(jià)格和很強(qiáng)的控制、運(yùn)算性能，被廣泛運(yùn)用于電機(jī)控制。其具體性能指標(biāo)如下：1）工作頻率：最高72 MHz；工作溫度范圍：－40～+85 ℃； 寬電壓供電：2.0～3.6 V；2）128 k 字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器和16 k的SRAM；3）12位16通道AD轉(zhuǎn)換器具有雙采樣和保持功能，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短1μs。4）3個(gè)16位通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)通道，用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖輸出；1個(gè)16位帶死區(qū)控制盒緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級(jí)控制定時(shí)器[2]。

2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理

一般兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分為單極型和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種，單極型驅(qū)動(dòng)適用于6線制電機(jī)，這樣的驅(qū)動(dòng)方法等于將兩相電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)樗南嚯姍C(jī)，從表面上看步距角缺損減小了，實(shí)則是以犧牲電機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩?fù)Q來(lái)的，這樣電機(jī)的帶負(fù)載能力就會(huì)大大下降。而雙極型驅(qū)動(dòng)則主要針對(duì)兩相四線（或者八線制）電機(jī)，一般機(jī)械步距角為50齒1.8°（也可為100齒0.9°價(jià)格較貴），故細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)的相電流進(jìn)行階梯化控制，使電機(jī)的以更小的單位步距角運(yùn)行，從而減小步長(zhǎng)和低頻振蕩。細(xì)分驅(qū)動(dòng)[3]的思想是把原來(lái)簡(jiǎn)單的對(duì)轉(zhuǎn)子電流的通斷過程改變?yōu)橹饾u的改變各相繞組的電流大小和方向，使電機(jī)內(nèi)部的空間合成磁場(chǎng)逐步改變，這樣就能把原來(lái)的一個(gè)步距角的通電方式改變成為跟隨電流的階梯波，變成多步。具體的計(jì)算方法如下：

轉(zhuǎn)矩T在一般情況下可表示為：

式子中KT在理想狀態(tài)下的比例常數(shù)，θ為轉(zhuǎn)子的電角度位置。

如果兩相步進(jìn)電機(jī)的矩角特性是正弦波，則給繞組通入如下電流[4]：

β為電機(jī)希望定位的電角度。

將式（2）代入式（1），則

從而可見，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分就是控制兩相繞組中的電流大小。理想狀態(tài)下，電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)為圓形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[5]，使步進(jìn)電機(jī)按照交流同步電機(jī)的方式旋轉(zhuǎn)。而AB相的理想電流為正弦波，而一般情況下通過階梯波來(lái)模擬正弦波，從而達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩幅值的控制效果。而轉(zhuǎn)矩的大小由合成磁場(chǎng)的矢量來(lái)決定，即相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)的夾角為細(xì)分步距角。每當(dāng)β變化一度，則步進(jìn)電機(jī)走過1/360的電角度，例如一般的8細(xì)分控制，則β的步長(zhǎng)為π/16。所以為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩細(xì)分控制，就需要在電機(jī)的兩相繞組中通以按正弦規(guī)律變化并互差90°相位的的兩相電流，階梯越細(xì)小，越接近于正弦波，步距角也越小，細(xì)分效果越好[6]。

圖1 8細(xì)分時(shí)A，B相電流一個(gè)機(jī)械步距角內(nèi)的變化Fig.1 When eight subdivided in one mechanical step，the current in A and B phase’s change

圖2 八細(xì)分磁場(chǎng)矢量變化圖Fig.2 Eight subdivided magnetic field vector change

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32F103RB驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件部分主要由信號(hào)輸入端、電源輸入端、電源模塊、MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊、H橋模塊和采樣放大模塊組成。總體硬件圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 System hardware structure

3.1 輸入信號(hào)

在硬件設(shè)計(jì)中，需要從外部輸入3種信號(hào)：Enable使能信號(hào)、Dir電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)以及Frequency速度脈沖信號(hào)。Enable信號(hào)為使能信號(hào)，為防止電機(jī)在停止時(shí)，定子繞組仍然通電造成的電機(jī)發(fā)熱而設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)子斷電信號(hào)。Dir信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而Frequency信號(hào)為外部控制器件發(fā)出的方波脈沖信號(hào)，此信號(hào)的頻率將決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，3個(gè)控制信號(hào)均由光耦與內(nèi)部隔離。驅(qū)動(dòng)器上電前需通過撥碼開關(guān)設(shè)置細(xì)分?jǐn)?shù)和限流值，目前細(xì)分最多支持16細(xì)分，限流值一般為電機(jī)繞組可承受的最大電流的1.2倍左右，可以設(shè)置6檔限流值。驅(qū)動(dòng)器最大可承受4 A的電流。

3.2 系統(tǒng)電源

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電源由一個(gè)外部輸入的24～48 V的直流電源輸入接線端，然后通過BUCK降壓芯片至5 V為內(nèi)部光耦、比較器和運(yùn)放供電，然后將5 V通過LDO降至3.3 V給MCU供電，這樣MCU能獲得相對(duì)干凈的電源。另一路外部電源經(jīng)過電阻分壓，產(chǎn)生一個(gè)15 V電源用于MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2010的供電。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET驅(qū)動(dòng)部分采用IR公司的IR2101S驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)雙H橋，從而靠雙H橋來(lái)控制一個(gè)四線制步進(jìn)電機(jī)。IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性價(jià)比驅(qū)動(dòng)器，使用方法非常簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，能輸出100～210 mA電流。IR2101驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)一組功率管，整個(gè)功率電路需4片即可，這樣不但節(jié)約制造成本，而且還提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[7]。其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 IR2101S驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Driver circuit of IR2010S

3.4 電流檢測(cè)和過流保護(hù)

本系統(tǒng)使用采樣電阻來(lái)采集經(jīng)過H橋（即電機(jī)的定子電流）。此處采樣電阻阻值比較大時(shí)，會(huì)使電阻分壓過大，造成H橋的低端電壓高于地電壓，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而阻值太小又會(huì)使信號(hào)過小影響檢測(cè)精度，所以本系統(tǒng)選用0.1Ω電阻作為采樣電阻。然后經(jīng)過LMV358放大后，成為0～3 V的電壓信號(hào)，在經(jīng)過一個(gè)跟隨器后，進(jìn)入MCU片上AD，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換.放大后的信號(hào)還連接一個(gè)比較器用于過流保護(hù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主程序框圖如圖5和圖6所示，圖5為主程序軟件框圖，圖6為ADC中斷軟件流程圖。

圖5 主函數(shù)流程圖Fig.5 Main function diagram

圖6 ADC中斷流程圖Fig.6 ADC interrupt diagram

主程序處于死循環(huán)狀態(tài)，每次外部信號(hào)Enable后，就會(huì)鎖存外部的控制頻率，方向，限流值，細(xì)分度等信號(hào)，然后進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)初始化，等待刷新定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢后就開始按照計(jì)時(shí)中的ADC中斷及定時(shí)器中斷完成的參數(shù)計(jì)算進(jìn)行調(diào)節(jié)位置和速度。其中ADC在每個(gè)PWM的上升沿觸發(fā)，采樣兩相電流進(jìn)行處理，并且將其送給PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)PWM占空比，并且每次都會(huì)與限流值進(jìn)行比較，一旦電流超過限流值，則自行執(zhí)行脫機(jī)。這些程序在中斷中完成，可以是系統(tǒng)更具有實(shí)時(shí)性。另外，每次走完一個(gè)階梯的波形后，程序?qū)⒂|發(fā)timer3計(jì)數(shù)器，進(jìn)行細(xì)分步數(shù)的計(jì)算，從而快的調(diào)整個(gè)周期的細(xì)分?jǐn)?shù)。Timer3程序流程圖如圖7所示。

電機(jī)的細(xì)分步數(shù)為每次Enable之后方能調(diào)整，而細(xì)分值表則由計(jì)算好的正余弦參數(shù)存于MCU Flash中。

圖7 timer3流程圖Fig.7 Timer three diagram

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用電流實(shí)時(shí)采樣并進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，真正達(dá)到了電流矢量不變控制，在測(cè)試中能夠有效的降低低頻振蕩，并且，在16細(xì)分的狀態(tài)下控制工作，大幅度的減小了噪聲和阻尼振蕩，是一種有效的控制步進(jìn)電機(jī)的手段。

[1]坂本正文.步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].王自強(qiáng)，譯.北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]ST Microelectronics.STM32F103xB STM32F103x8 data sheet[EB/OL].（2009）.http://www.st.com.

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