步進(jìn)電機(jī)的控制與檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，上海 200237；化工過(guò)程先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，上海 200237)

0 引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們的經(jīng)濟(jì)收入顯著提高，汽車(chē)正在快速地進(jìn)入普通家庭的生活。以前，汽車(chē)微型電機(jī)僅僅作為雨刮器、電機(jī)油泵、自動(dòng)天線(xiàn)、擋風(fēng)玻璃洗滌器等部件的驅(qū)動(dòng)源，數(shù)量相對(duì)較少。如今，人們對(duì)舒適度與自動(dòng)操控性的不斷追求，汽車(chē)電子得到了迅速發(fā)展，尤其是車(chē)用微型電機(jī)。現(xiàn)在轎車(chē)內(nèi)安裝有許多微型電機(jī)，例如電動(dòng)座椅坐墊的位置移動(dòng)、靠背和頭枕角度的變化、后視鏡的擺動(dòng)、照明大燈的洗滌、玻璃窗的開(kāi)啟關(guān)閉、電動(dòng)車(chē)門(mén)鎖的操縱、水箱冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)等。這些汽車(chē)電機(jī)的大量需求，催生了部分企業(yè)對(duì)汽車(chē)電機(jī)的生產(chǎn)。

對(duì)于電機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)，如何快速且有效地檢測(cè)微型步進(jìn)電機(jī)的性能特質(zhì)，成為企業(yè)必須考慮的問(wèn)題。電機(jī)的性能指標(biāo)中，主要包括驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)、電機(jī)電流的檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓范圍以及步進(jìn)電機(jī)的頻率等。本文將根據(jù)步進(jìn)電機(jī)性能指標(biāo)的檢測(cè)要求，進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件代碼開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制與檢測(cè)功能。

1 系統(tǒng)整體框架

為了實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的良好控制以及性能檢測(cè)，同時(shí)，為了便于整個(gè)系統(tǒng)后續(xù)的修改與改進(jìn)，將整個(gè)系統(tǒng)分成電源轉(zhuǎn)換模塊、主控制器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)電流檢測(cè)模塊以及上位機(jī)接口模塊等幾部分。各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，可以方便地進(jìn)行替換以及修改。

① 系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊利用金升陽(yáng)電源模塊完成AC 220 V轉(zhuǎn)DC 24 V的電壓轉(zhuǎn)換，利用專(zhuān)用電源芯片完成DC 24 V轉(zhuǎn)DC 5 V、DC 3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換，并通過(guò)可調(diào)電位器完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的產(chǎn)生。

② 主控制器模塊利用STM32芯片完成步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、穩(wěn)定狀態(tài)步數(shù)、頻率等相關(guān)的設(shè)置。

③ 驅(qū)動(dòng)器模塊通過(guò)反相器74HC04D與L298N建立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，完成步進(jìn)電機(jī)的正常驅(qū)動(dòng)。

④ 電流檢測(cè)模塊通過(guò)電流電壓檢測(cè)芯片MAX4172完成電流采集以及相關(guān)檢測(cè)。

⑤ 上位機(jī)界面利用C#語(yǔ)言完成人機(jī)交互界面軟件代碼，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的性能情況。

系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

為方便實(shí)際使用，電源轉(zhuǎn)換模塊采用AC 220 V作為輸入電壓，并利用MORNSUN的專(zhuān)用電源轉(zhuǎn)換芯片HL25-10B24將AC 220 V電源轉(zhuǎn)換成DC 24 V。該芯片具有穩(wěn)壓輸出、低紋波、低噪聲等特點(diǎn)。芯片內(nèi)部具有大量的保護(hù)電路(輸出短路、過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù))，可以防止因不當(dāng)操作而損壞芯片。芯片產(chǎn)生的DC 24 V利用LM2596-5芯片轉(zhuǎn)換成DC 5 V電源，再利用LM1117-3.3芯片轉(zhuǎn)換產(chǎn)生DC 3.3 V電源。所產(chǎn)生的DC 5 V電源和DC 3.3 V電源為后續(xù)檢測(cè)芯片、控制器等供電。同時(shí)，利用LM2596-ADJ可調(diào)電源轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)R2、R3和R4的阻值關(guān)系，調(diào)節(jié)R2的阻值;利用LM2596-ADJ內(nèi)部參考電壓Uref(1.23 V)，輸出不同的電壓值UCC_M，用作步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓等。

UCC_M=Uref(R4+R2)/R3

(1)

式中：R3=1.5 kΩ；R4=5.1 kΩ；可變電位器R2的量程范圍為0～20 kΩ。

當(dāng)R2取最小值0 kΩ時(shí)，UCC_M輸出4.18 V；當(dāng)R2取最大值15 kΩ時(shí)，UCC_M輸出20.58 V。因此，UCC_M的取值范圍為4.18～20.58 V，比較符合汽車(chē)電機(jī)的電壓使用范圍8～16 V。

電源電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電源電壓轉(zhuǎn)換電路

2.2 主控制器模塊

系統(tǒng)選擇ST公司的Cortex-M3系列的微處理器STM32F103C8T6作為主控制器[1]。STM32F103xx具有高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率達(dá)到72 MHz;內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128 kB的閃存和20 kB的SRAM)，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到2條APB總線(xiàn)的外設(shè)。其包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口,如I2C、SPI、USART、USB和CAN總線(xiàn)等。

STM32F103xx這些豐富的接口，使其具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合：①電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制；②醫(yī)療和手持設(shè)備；③PC外設(shè)和GPS平臺(tái)；④工業(yè)應(yīng)用(可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀)；⑤警報(bào)系統(tǒng)、視頻對(duì)講和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等。

本文利用其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用控制方面的優(yōu)勢(shì)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī);利用MAX3232轉(zhuǎn)換芯片與RS-232接口，編寫(xiě)上位機(jī)軟件代碼與PC機(jī)進(jìn)行串口通信；利用Cortex-M3內(nèi)部集成的ADC進(jìn)行電壓檢測(cè)；通過(guò)TIM2定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷；通過(guò)DMA直接內(nèi)存存儲(chǔ)特性提高CPU的工作效率等功能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制與檢測(cè)。具體主控制器與串口通信電路如圖3所示。

圖3 主控制器與串口通信電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)選擇的好壞，將在很大程度上決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況。該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊采用L298N[2-6]驅(qū)動(dòng)芯片。L298N驅(qū)動(dòng)芯片屬于H橋集成電路，具有輸出大電流、大功率等特點(diǎn)；采用DIP封裝以及加散熱片的形式提高芯片的散熱效果，防止芯片發(fā)熱而影響芯片性能。

同時(shí)，利用IN4007二極管進(jìn)行反接，實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，防止步進(jìn)電機(jī)因堵轉(zhuǎn)等原因產(chǎn)生高脈沖沖擊電壓而損壞驅(qū)動(dòng)器[7-11]。此外，在L298N的信號(hào)輸入端增加反相器74HC04，以進(jìn)一步提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

2.4 電機(jī)相電流檢測(cè)模塊

需要檢測(cè)的步進(jìn)電機(jī)是兩相六線(xiàn)，即該步進(jìn)電機(jī)主要有A+/A-相、B+/B-相和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，共6根線(xiàn)組成。為了加快步進(jìn)電機(jī)的檢測(cè)效率，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)檢測(cè)。根據(jù)參考，步進(jìn)電機(jī)的最大相電流不超過(guò)260 mA，則4個(gè)步進(jìn)電機(jī)的最大相電流和不超過(guò)1 040 mA，而驅(qū)動(dòng)器L298N的輸出電流為2 A，最大可達(dá)到4 A。因此，考慮部分損耗，1個(gè)驅(qū)動(dòng)器L298N完全能驅(qū)動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)[12-13]。

步進(jìn)電機(jī)的控制是將A+A-B+B-(Pin1、Pin3、Pin4、Pin6)的高低電位，每隔一定的時(shí)間，按照一定的順序進(jìn)行循環(huán)往復(fù)操作。如A+A-B+B-(Pin1、Pin3、Pin4、Pin6)的電位按照1001→1010→0110→0101的順序進(jìn)行，再回到1001進(jìn)行重復(fù)操作，并假定這種情況是正轉(zhuǎn)；那么反轉(zhuǎn)的情況剛好與正轉(zhuǎn)相反，即0101→0110→1010→1001，再回到0101進(jìn)行重復(fù)操作。步進(jìn)電機(jī)電平控制時(shí)序如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)電平控制時(shí)序

無(wú)論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，每相相電流并非一直存在。為了查看當(dāng)前測(cè)試電機(jī)的相電流情況，可以考慮直接接示波器測(cè)量電流。這種方式可以方便地觀(guān)察波形的情況(毛刺、峰值等)，但這種方式比較適合前期試驗(yàn)使用，在實(shí)際大批量測(cè)試時(shí)，這種方式就顯得不太合適。因此，利用電流電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX4172，將測(cè)到的電流轉(zhuǎn)換成電壓并發(fā)送給Cortex-M3,在有電流產(chǎn)生時(shí)，利用其內(nèi)部的ADC進(jìn)行A/D采集，并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)顯示。以U1為例，在A(yíng)+的電位為低時(shí)，產(chǎn)生相電流ILOAD，通過(guò)采樣電阻RSENSE(R2)，將電流轉(zhuǎn)換為電壓；通過(guò)跨導(dǎo)增益Gm(10 mA/V),利用輸出采樣電阻ROUT(R5)輸出檢測(cè)電壓UOUT(MI1)，并傳輸給控制器STM32F103。轉(zhuǎn)換公式如下：

UOUT=ROUT×Gm×ILOAD×RSENSE

(2)

在電流電壓轉(zhuǎn)換公式中，可以通過(guò)改變ROUT的值來(lái)改變輸出電壓值。采樣電阻RSENSE盡可能選擇小阻值，以減少電流的下降，并通過(guò)并聯(lián)較大阻值的R1對(duì)其進(jìn)行部分修正。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程包括系統(tǒng)啟動(dòng)、初始化程序、模式選擇、模式配置、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制和上位機(jī)顯示等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

初始化過(guò)程主要完成I/O端口、USART串口、RCC時(shí)鐘、ADC和DMA的初始化配置，以及Systick定時(shí)器配置、filter平均濾波算法、延遲函數(shù)設(shè)置與中斷初始化配置等。引入DMA配置的目的在于利用DMA的直接存儲(chǔ)功能，節(jié)省向CPU請(qǐng)求的時(shí)間，提高工作效率。加入filter()的目的在于利用其平均值濾波算法避免單次誤操作或檢測(cè)，避免檢測(cè)數(shù)值嚴(yán)重偏大。

模式選擇有兩種模式，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

模式一，屬于常規(guī)模式，主要完成步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)、停止轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)N次；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)N次。最后整個(gè)過(guò)程循環(huán)N次。

模式二，屬于一般模式，主要完成步進(jìn)電機(jī)的隨意正反轉(zhuǎn)、停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并循環(huán)N次操作。

步進(jìn)電機(jī)操作包括正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)啟動(dòng)、穩(wěn)定、停止的函數(shù)設(shè)置。部分函數(shù)設(shè)置如下。

void Motor_Conseqent_Start(u16 Start_Freq, u16 Steady_Freq);

void Motor_Conseqent_Steady(u16 Steady_Freq, u32 Steady_times);

void Motor_Conseqent_Stop(u16 Steady_Freq, u16 Stop_Freq);

void Motor_Reverse_Start(u16 Start_Freq, u16 Steady_Freq);

void Motor_Reverse_Steady(u16 Steady_Freq, u32 Steady_times);

void Motor_Reverse_Stop(u16 Steady_Freq, u16 Stop_Freq);

利用這些函數(shù)，可以快速地完成模式一、模式二的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的不同控制。

上位機(jī)部分完成步進(jìn)電機(jī)的配置，包括啟動(dòng)頻率、穩(wěn)定頻率、停止頻率、循環(huán)次數(shù)等。同時(shí)，通過(guò)串口調(diào)試軟件，完成步進(jìn)電機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下步進(jìn)電機(jī)的電壓值、電流值等顯示。

4 電機(jī)性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

為了分析整個(gè)系統(tǒng)的性能與可靠性，對(duì)模式一、模式二分別進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。在模式一中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)在不同的驅(qū)動(dòng)電壓下進(jìn)行測(cè)試，主要在8 V、10 V、12 V、14 V、16 V的電壓下進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。選取的數(shù)據(jù)主要是步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下的30組電流值(僅在有電流通過(guò)時(shí))。對(duì)這30組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab圖形顯示，不同電壓下步進(jìn)電機(jī)的相電流大小如圖7所示。

圖7 不同電壓下步進(jìn)電機(jī)的相電流大小

由圖7可以看出，在各個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓下，電機(jī)所檢測(cè)的相電流基本保持不變，說(shuō)明此步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器具有良好的穩(wěn)定性。

但在實(shí)際情況下，步進(jìn)電機(jī)必定不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)后再改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向，而是一種隨機(jī)的方式。因此，采用模式二的方式，即步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式是隨時(shí)可變的。模式二中步進(jìn)電機(jī)工作情況如圖8所示。

圖8 模式二下步進(jìn)電機(jī)工作情況

圖8中，梯形圖上升沿表示步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，下降沿表示步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，維持定值不變表示步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

由圖8可以看出，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式是隨機(jī)變化的。通過(guò)在模式二下對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行的性能測(cè)試表明，該電機(jī)具有良好的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

步進(jìn)電機(jī)的控制與檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛運(yùn)用于功率較小的步進(jìn)電機(jī)批量測(cè)試，尤其適合專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)小電機(jī)的廠(chǎng)家使用。在使用較大驅(qū)動(dòng)功率的步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可以通過(guò)減少驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的個(gè)數(shù)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。在驅(qū)動(dòng)四相步進(jìn)電機(jī)時(shí)，僅需修改少量程序代碼，即可完美驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，可以利用電流檢測(cè)模塊進(jìn)行一定的修改，以檢測(cè)電路中需要測(cè)試的電流。在電源模塊的設(shè)計(jì)中，直流2 V、5 V、3.3 V模塊和可調(diào)電壓模塊均是比較常用的模塊，可以直接運(yùn)用到其他電路設(shè)計(jì)中，方便以后的開(kāi)發(fā)使用。

測(cè)試表明，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊具有良好的性能，工作穩(wěn)定、可靠，性能較一般的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器有一定的改進(jìn)。

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