基于STM32F103RB的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103RB單片機(jī)的、細(xì)分度可調(diào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器?？刂破鞑捎秒娏魇噶靠刂扑惴?，通過雙H橋驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的兩相轉(zhuǎn)子。利用片內(nèi)AD對電機(jī)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行采樣，將矢量角度的目標(biāo)值與測量值進(jìn)行比較、調(diào)節(jié)，形成電流環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)周期電流階梯的細(xì)分度控制。本文還介紹了該控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并對該設(shè)計(jì)的實(shí)際電路進(jìn)行了測試，結(jié)果表明控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，減少了低頻振蕩，提高了步進(jìn)電機(jī)的控制性能。
關(guān)鍵詞：STM32F103RB；兩相混合式步進(jìn)電機(jī)；開環(huán)矢量；細(xì)分可調(diào)

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。相對于伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)有著成本低廉，控制簡單等優(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)序來運(yùn)行，從而大大簡化了應(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高級控制定時(shí)器。

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，從而減小步長和低頻振蕩。細(xì)分驅(qū)動(dòng)的思想是把原來簡單的對轉(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)部的空間合成磁場逐步改變，這樣就能把原來的一個(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：
T=KT·(-Iasinθ+Ibcosθ) (1)
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：
Ia=Im·cosβ
Ib=Im·sinβ (2)
β為電機(jī)希望定位的電角度。
將式(2)代入式(1)，則
T=KT·Im·sin(β-θ) (3)
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)部的磁場為圓形空間旋轉(zhuǎn)磁場，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的矢量來決定，即相鄰兩個(gè)合成磁場的夾角為細(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的步長為π／16。所以為了實(shí)現(xiàn)對兩相混合式步進(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。

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?？傮w硬件圖如圖3所示。

3．1 輸入信號
在硬件設(shè)計(jì)中，需要從外部輸入3種信號：Enable使能信號、Dir電機(jī)轉(zhuǎn)向信號以及Frequency速度脈沖信號。Enable信號為使能信號，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。Dir信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向；而Frequency信號為外部控制器件發(fā)出的方波脈沖信號，此信號的頻率將決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，3個(gè)控制信號均由光耦與內(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24～48V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)芯片來驅(qū)動(dòng)雙H橋，從而靠雙H橋來控制一個(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。其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

3．4 電流檢測和過流保護(hù)
本系統(tǒng)使用采樣電阻來采集經(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)使信號過小影響檢測精度，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，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。

主程序處于死循環(huán)狀態(tài)，每次外部信號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，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。

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。