步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 瀟 張寶寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 北京 100083)

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種通過電脈沖信號(hào)來控制的常用的機(jī)電元件，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活、生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，常見的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)采用固定的脈沖數(shù)量和脈沖頻率來進(jìn)行控制，難以達(dá)到較高的控制精度。因此目前最新研究采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)來改善步進(jìn)電機(jī)的精準(zhǔn)控制和平穩(wěn)運(yùn)磚。

本文以STM32F4單片機(jī)為主控制器，采用2TB6600步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)模塊，利用USB口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，根據(jù)PWM調(diào)速方法完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。并通過角度傳感器檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的步距角，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)分控制效果的驗(yàn)證測(cè)試。

一、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)基本工作原理為：首先，PC上位機(jī)以編程的方式預(yù)先設(shè)定所要輸出的脈沖數(shù)量、脈沖頻率等初始化信息，并將程序移植進(jìn)入STM32F4單片機(jī)中。其次，操作者通過按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，控制器(控制信號(hào)處理模塊)收到按鍵信號(hào)后將按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)控制信號(hào)輸送到電路，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)輸出相應(yīng)的脈沖電壓信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行起來。最后，控制信號(hào)處理模塊還將對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)通過通信接口反饋到PC上位機(jī)上，LED點(diǎn)亮則對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。

二、步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)

(一)細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)原理。步進(jìn)電機(jī)在整步驅(qū)動(dòng)時(shí)，每接收到一個(gè)脈沖電機(jī)便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，其步距角的大小由電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)確定，是一個(gè)固定不變的值。假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為θs，即每接收到一個(gè)脈沖，定子便會(huì)旋轉(zhuǎn)θs個(gè)角度，如果采用細(xì)分技術(shù)后，電機(jī)的步距角應(yīng)該是θs/n，n為細(xì)分?jǐn)?shù)。顯然，細(xì)分技術(shù)的運(yùn)用能有效減小步進(jìn)電機(jī)的步距角實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確控制。

(二)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM波的產(chǎn)生可以通過時(shí)鐘頻率、自動(dòng)重裝值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而調(diào)節(jié)PWM波的占空比和輸出頻率，即對(duì)脈沖寬度的控制。

三、硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、串口通信模塊、按鍵輸入模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊四大部分。

(一)單片機(jī)模塊。本文的單片機(jī)微控模塊選用ST公司在2011年推出的基于Cortex M4內(nèi)核STM32F4系列產(chǎn)品。

(二)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用TB6600步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，這是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有噪音小，震動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。本文選用57BYG250B兩相步進(jìn)電機(jī)作為此次實(shí)驗(yàn)電機(jī)。

(三)按鍵控制模塊。按鍵控制模塊，可通過按鍵來控制信號(hào)處理模塊使之接收到高低電平后將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)控制信號(hào)并輸送到電路，并通過檢測(cè)輸入信號(hào)來判斷是否有按鍵被按下。

(四)串口通信模塊。串口通信模塊中將單片機(jī)的PA9和PA10設(shè)置為復(fù)用功能，通過跳線帽將它們連接到CH340電路，這樣就可以將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)把串口1等同于一個(gè)USB口使用。在PC上位機(jī)上安裝CH340驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信功能。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用德國(guó)KEIL公司研發(fā)的RealView MDK(簡(jiǎn)稱MDK)開發(fā)工具，目前是針對(duì)Cortex M內(nèi)核處理器的最佳開發(fā)工具。所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)總體框架主要分為三部分：電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、輔助程序和主程序，其中輔助程序包括按鍵子程序、LED子程序、延時(shí)子程序、串口子程序。

(一)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序使用了單片機(jī)定時(shí)器8的PWM功能，通過輸出頻率及占空比可變的PWM波來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)方法為：首先，使能TIM8和相關(guān)IO口時(shí)鐘，將GPIOC7復(fù)用為定時(shí)器8。其次，對(duì)TIM8進(jìn)行初始化并設(shè)置其自動(dòng)重轉(zhuǎn)載值和預(yù)分頻值，將計(jì)數(shù)模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式。最后，再使能預(yù)裝載寄存器，使能定時(shí)器8，通過改變比較值CCRX，達(dá)到不同的占空比效果。

(二)輔助程序。在輔助程序中，由于延時(shí)子程序和LED子程序都較為簡(jiǎn)單所以在此不作說明，本文僅對(duì)按鍵子程序和串口子程序進(jìn)行說明。

在一般情況下，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)按鍵抖動(dòng)的情況，即按鍵介于閉合和松開之間會(huì)經(jīng)歷短暫的波動(dòng)才會(huì)到達(dá)穩(wěn)定的閉合狀態(tài)，但是這種波動(dòng)時(shí)間通常不會(huì)大于10MS。所以，只需引入延時(shí)函數(shù)delay_ms()，在按鍵被按下后延時(shí)10MS即可實(shí)現(xiàn)防抖。在配置串口的過程中，首先要使能GPIO時(shí)鐘和相應(yīng)的外設(shè)時(shí)鐘，同時(shí)把GPIO模式設(shè)置為復(fù)用功能。

(三)主程序。系統(tǒng)主程序主要完成子程序調(diào)用和各種初始化操作包括：初始化延時(shí)函數(shù)、初始化串口、初始化LED、初始化按鍵和初始化驅(qū)動(dòng)器。為了更合理控制電機(jī)，要利用好單片機(jī)定時(shí)器控制脈沖的頻率，改變其轉(zhuǎn)速和步距角。

五、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)對(duì)于步距角控制精度的改善效果，本文設(shè)計(jì)了測(cè)量步進(jìn)電機(jī)在不同細(xì)分工作方式下步距角大小的實(shí)驗(yàn)。采用角度傳感器對(duì)其步距角進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，并將所獲取的數(shù)值上傳至PC上位機(jī)，最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行處理并繪制出轉(zhuǎn)動(dòng)角度與時(shí)間的圖像。通過圖像不僅可以直觀反映出步進(jìn)電機(jī)步距角的大小，還可以根據(jù)圖像的平滑程度判斷電機(jī)運(yùn)行是否平穩(wěn)。

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)中，先將角度傳感器置0，為了方便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，把每次向步進(jìn)電機(jī)輸送的脈沖數(shù)設(shè)置為25，依次讓電機(jī)在未細(xì)分至16細(xì)分下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，利用USB串口實(shí)現(xiàn)角度傳感器與PC上位機(jī)通信獲取實(shí)時(shí)步距角并保存到PC上位機(jī)中，當(dāng)角度傳感器的值到達(dá)360度時(shí)，關(guān)閉串口停止實(shí)驗(yàn)，將獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行處理得出角度-時(shí)間圖。

通過分析各細(xì)分?jǐn)?shù)下電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度與時(shí)間圖像可知，各個(gè)細(xì)分工作方式下電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度都符合設(shè)計(jì)預(yù)期。當(dāng)電機(jī)在接收相同的脈沖數(shù)時(shí)，如果不采用細(xì)分技術(shù)，由圖像可知步進(jìn)電機(jī)的步距角相對(duì)較大，在接收25個(gè)脈沖后，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為45°，此時(shí)的角度-時(shí)間圖像呈階梯狀，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較為明顯使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不夠平穩(wěn)，此時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制難以達(dá)到較高精度；當(dāng)加入細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，隨著細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，步進(jìn)電機(jī)的步距角越來越小，在同樣接收25個(gè)脈沖的條件下，電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度由45°逐漸減小至2.8125°，此時(shí)角度-時(shí)間圖像由階梯狀逐漸接近一條平滑傾斜的直線，證明電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越來越平穩(wěn)，步進(jìn)電機(jī)的控制精度有了很大提高。

六、總結(jié)

針對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角難以達(dá)到較高控制精度的問題，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，提出了采用STM32F407單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)并制作完成了步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩相步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。最后利用角度傳感器，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量電機(jī)在不同細(xì)分狀態(tài)下的步距角，通過實(shí)驗(yàn)得知：采用細(xì)分技術(shù)可以合理有效的降低步進(jìn)電機(jī)的步距角，提高電機(jī)定位的準(zhǔn)確度，達(dá)到精密控制的目的。此細(xì)分控制系統(tǒng)能適應(yīng)步進(jìn)電機(jī)高精度的控制要求，大大提高了電機(jī)工作的穩(wěn)定性。