步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
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關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī);STM32單片機(jī);細(xì)分驅(qū)動(dòng)
步進(jìn)電機(jī)是一種通過脈沖信號(hào)控制角位移的器件，作為一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)及工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域［1－2］。本文以兩相四線制混合式步進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一款基于微處理器的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過按鍵和語音識(shí)別兩種方式向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，提高了系統(tǒng)的交互性;通過采用指數(shù)型加速曲線，提高了步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行頻率范圍;通過采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式控制步進(jìn)電機(jī)，使系統(tǒng)具有步距角小、運(yùn)行平穩(wěn)特點(diǎn);同時(shí)系統(tǒng)在硬件和軟件設(shè)計(jì)上均采用了抗干擾設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。該實(shí)踐項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際，很好地奉行了基于項(xiàng)目、基于案例的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法，可以較好地促進(jìn)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提升，為學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)［3］。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由微處理器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵輸入模塊、語音模塊及顯示屏模塊組成。步進(jìn)電機(jī)選取兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57BYG250。按鍵和語音輸入模塊向系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)和停止、加速和減速等控制指令，設(shè)置運(yùn)行步數(shù)和運(yùn)行頻率，改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行模式、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、步距角等。微處理器模塊負(fù)責(zé)識(shí)別控制指令并進(jìn)行信息處理，根據(jù)控制指令輸出一定頻率脈沖信號(hào)和控制信號(hào)，脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制信號(hào)改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步距角等。顯示屏模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和運(yùn)行模式等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)接收控制信號(hào)和脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分配和功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換、按鍵接口、顯示屏接口、語音模塊接口、光耦隔離、驅(qū)動(dòng)芯片及外圍等電路組成。
2．1單片機(jī)最小系統(tǒng)
最小系統(tǒng)需要處理來自按鍵和語音控制命令并產(chǎn)生控制信號(hào)，因此要求系統(tǒng)具有IIC、SPI等串口通信外設(shè)和產(chǎn)生脈沖輸出功能。STM32F103系列單片機(jī)具有豐富的外設(shè)接口，性價(jià)比高，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)［4］。本文基于STM32F103C8T6設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，包括電源轉(zhuǎn)換電路、晶振電路、下載電路及復(fù)位電路。最小系統(tǒng)電路如圖3所示。晶振電路使用8M石英晶振作為芯片高速外部時(shí)鐘源，晶振兩端22pF起振電容接地，并聯(lián)1M電阻幫助起振。下載電路設(shè)計(jì)20針JTAG接口，使用單片機(jī)JTAG模式進(jìn)行程序下載和在線調(diào)試。復(fù)位電路采用帶按鍵的RC復(fù)位電路。
2．2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)基于THB6064MQ芯片實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。該芯片是一款大功率、高細(xì)分的集成功率驅(qū)動(dòng)芯片，適合驅(qū)動(dòng)57系列步進(jìn)電機(jī)［5］。THB6064MQ芯片內(nèi)部集成了電流分配、雙H橋驅(qū)動(dòng)、過流和溫度保護(hù)電路，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路保證芯片正常工作。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖4所示。M1、M2、M3三個(gè)引腳通過光電隔離模塊同控制模塊連接，完成對(duì)細(xì)分?jǐn)?shù)的控制。驅(qū)動(dòng)芯片DCY1、DCY2兩個(gè)引腳通過撥碼開關(guān)設(shè)置不同衰減方式，改善芯片驅(qū)動(dòng)效果，提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在分壓電路中調(diào)節(jié)滑變阻R9，使VREF引腳電壓為1．8V，滿足步進(jìn)電機(jī)額定驅(qū)動(dòng)電流3A需求。在VREF和Down引腳之間串聯(lián)電阻R11，實(shí)現(xiàn)半流鎖定功能，在電機(jī)鎖定狀態(tài)下降低驅(qū)動(dòng)電流，減少能量的損耗。RESTER引腳低電平時(shí)，芯片復(fù)位，RC自動(dòng)復(fù)位電路中的二極管D1有利于電路斷開后，電容C2迅速放電，方便芯片下一次復(fù)位。ALERT引腳串聯(lián)LED燈，當(dāng)芯片發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，ALERT輸出低電平，電路導(dǎo)通，LED燈發(fā)光，提醒操作員及時(shí)散熱，實(shí)現(xiàn)過流及溫度保護(hù)［6－7］。
2．3光耦隔離電路
步進(jìn)電路驅(qū)動(dòng)電路中，如果直接將控制信號(hào)引腳與驅(qū)動(dòng)電路相連，則需要控制電路與驅(qū)動(dòng)電路共地連接，驅(qū)動(dòng)電路中的大電流有可能沿著地回路對(duì)控制電路的數(shù)字器件造成電磁干擾，甚至燒毀低工作電壓的芯片［8］。因此，設(shè)計(jì)光耦隔離模塊將控制電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離。隔離信號(hào)包括高頻率的脈沖信號(hào)和低頻率的開關(guān)信號(hào)，使用6N137芯片隔離高頻信號(hào)，使用TP521芯片隔離開關(guān)信號(hào)，隔離電路設(shè)計(jì)如圖5所示。TP521隔離電路采用同相邏輯傳輸方案，限流電阻R23取330，防止導(dǎo)通時(shí)電流過大燒毀發(fā)光二極管，R17為3、4引腳內(nèi)部的光敏三極管上拉電阻。6N137隔離電路中2、3引腳之間為發(fā)光二極管，能使引腳7接高電平，R24為限流電阻，C5為去耦電容，可減少輸出端電源波動(dòng)，R22和C6改善高頻傳輸時(shí)芯片的響應(yīng)時(shí)間。
2．4電源轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)電源電路需要滿足控制電路和驅(qū)動(dòng)電路兩部分需求?？刂齐娐稴TM32F103C8T6和語音模塊等數(shù)字器件需要3.3V工作電壓，驅(qū)動(dòng)芯片THB6064MQ內(nèi)部集成的H橋驅(qū)動(dòng)電路需要4.5～42V輸入電壓，另外，芯片還需要5V的工作電壓，步進(jìn)電機(jī)額定電流為3A。電源分配如下:使用電源適配器將220V市電轉(zhuǎn)換為5V直流電，使用AMS1117降壓芯片將5V電壓降低為3．3V供控制電路相關(guān)器件使用，使用開關(guān)電源將220V市電轉(zhuǎn)換為24V/3A直流為驅(qū)動(dòng)電路供電，使用LM317芯片將24V轉(zhuǎn)換為5V供驅(qū)動(dòng)芯片使用。降壓電路設(shè)計(jì)如圖6所示。AMS1117降壓電路中，輸入輸出濾波電容均選取220uF鉭電容和100nF無極性電容，分別濾除高頻和低頻干擾。LM317降壓電路中，C7、E5、E2為輸入濾波電容，電路中大電容均使用鋁電解電容，小電容使用陶瓷電容，使用R28和R30搭建分壓電路為ADJ引腳提供反饋電壓，R28和R30電阻值取1KΩ和3KΩ，設(shè)置輸出電平大小約為5V。
2．5其他模塊
顯示模塊采用OLED12864顯示屏，分辨率為128×64，可顯示4行漢字，每行最多8個(gè)。該模塊使用IIC通信協(xié)議，通過CK、SD引腳與單片機(jī)進(jìn)行通訊。語音模塊采用LD3320語音識(shí)別模塊，該模塊集成優(yōu)化算法和語音識(shí)別處理器，不需要進(jìn)行訓(xùn)練和錄音，只需將待識(shí)別詞語拼音寫入寄存器即可，模塊使用SPI通信協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通訊，IRQ中斷請(qǐng)求引腳與單片機(jī)外部中斷復(fù)用功能引腳相連，當(dāng)語音模塊檢測聲音時(shí)，便會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求［9］。顯示模塊和語音模塊實(shí)物圖如圖7所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括:轉(zhuǎn)速控制子程序、按鍵掃描子程序、語音識(shí)別子程序、顯示子程序、主程序和中斷服務(wù)程序等。
3．1步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制
步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率有關(guān)，驅(qū)動(dòng)電路每收到一個(gè)脈沖，電機(jī)繞組通電狀態(tài)發(fā)生一次改變，電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。系統(tǒng)使用STM32F103C8T6定時(shí)器2產(chǎn)生PWM方波，通過設(shè)置定時(shí)器PSC分頻值和ARR重裝載值得到PWM方波頻率。定時(shí)器按照72M工作頻率分頻后的頻率向上計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到ARR值時(shí)清0重新計(jì)數(shù)，設(shè)置PWM模式比較值為ARR的1/2，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于比較值時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平，由此，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖。脈沖頻率與PSC、ARR關(guān)系如式(1)所示。本系統(tǒng)將PSC固定為3599，當(dāng)設(shè)定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率時(shí)，反向計(jì)算出ARR值，通過重新設(shè)置定時(shí)器ARR值，就可改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3．2指數(shù)型加速曲線設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)由于繞組存在電感，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)頻率過大時(shí)，繞組電流短時(shí)間內(nèi)無法上升到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的大小，導(dǎo)致電機(jī)丟步或啟動(dòng)失敗現(xiàn)象出現(xiàn)［10］。因此，本系統(tǒng)在電機(jī)啟動(dòng)頻率高于1500Hz時(shí)，使用指數(shù)型加速曲線逐漸提高運(yùn)行頻率，過渡時(shí)間不超過0．1s。同直線型加速曲線相比，指數(shù)型加速曲線更加符合步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性，加速曲線如式(2)所示［11］。其中，f0為初始頻率，設(shè)置為1500Hz，fh為待設(shè)置頻率，k1為頻率系數(shù)，取值區(qū)間為0．90～0．98，f(k)為當(dāng)前運(yùn)行頻率。
3．3主程序設(shè)計(jì)
主程序功能主要是初始化驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊及按鍵模塊的I/O口，進(jìn)行中斷分組并設(shè)置搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)［12］，初始化定時(shí)器中斷、外部中斷及看門狗中斷。開啟中斷，等待中斷發(fā)生。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。在主程序中為提高抗干擾性，引入窗口看門狗程序，在程序運(yùn)行過程中，必須不停地在窗口時(shí)間內(nèi)進(jìn)入喂狗中斷服務(wù)程序，如果程序跑飛而不能及時(shí)喂狗，芯片則會(huì)發(fā)生軟復(fù)位，系統(tǒng)重啟。
3．4中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
中斷服務(wù)程序主要完成命令識(shí)別、控制和實(shí)時(shí)顯示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入中斷首先判斷是否發(fā)生定時(shí)中斷，如果是，運(yùn)行一次語音識(shí)別，如果成功，讀取最佳識(shí)別結(jié)果，使用switch－case語句對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判斷，執(zhí)行相應(yīng)程序;運(yùn)行鍵盤掃描程序，確定鍵值，使用switch－case語句根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)程序。中斷服務(wù)程序流程如圖9所示。
4結(jié)語
步進(jìn)電機(jī)具有開環(huán)精度高、可靠性高優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)采用細(xì)分功率芯片設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，性價(jià)比高，步進(jìn)電機(jī)能以更小步距角轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)行更加平穩(wěn)。按鍵模塊和語音識(shí)別兩種輸入命令方式，極大提高了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)用過程中的人機(jī)交互，在硬件和軟件上采用抗干擾設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。
作者：呂淑平 趙斌韜 單位：哈爾濱工程大學(xué)