步進電機控制系統設計分析

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了步進電機控制系統設計分析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

關鍵詞:步進電機;STM32單片機;細分驅動

步進電機是一種通過脈沖信號控制角位移的器件，作為一種執行機構被廣泛應用于數字控制系統、伺服系統及工業機器人等領域［1－2］。本文以兩相四線制混合式步進電機為研究對象，設計出一款基于微處理器的步進電機控制系統。系統通過按鍵和語音識別兩種方式向系統發出控制指令，提高了系統的交互性;通過采用指數型加速曲線，提高了步進電機連續運行頻率范圍;通過采用細分驅動方式控制步進電機，使系統具有步距角小、運行平穩特點;同時系統在硬件和軟件設計上均采用了抗干擾設計，使系統運行更加可靠。該實踐項目結合工程實際，很好地奉行了基于項目、基于案例的教學方法和學習方法，可以較好地促進學生綜合實踐能力的提升，為學生創新設計打下基礎［3］。

1系統總體設計

如圖1所示，步進電機控制系統主要由微處理器模塊、步進電機驅動模塊、按鍵輸入模塊、語音模塊及顯示屏模塊組成。步進電機選取兩相混合式步進電機，型號為57BYG250。按鍵和語音輸入模塊向系統發出啟動和停止、加速和減速等控制指令，設置運行步數和運行頻率，改變步進電機運行模式、轉動方向、步距角等。微處理器模塊負責識別控制指令并進行信息處理，根據控制指令輸出一定頻率脈沖信號和控制信號，脈沖信號驅動步進電機轉動，控制信號改變電機轉動方向和步距角等。顯示屏模塊實時顯示當前系統運行的相關參數，如電機轉動速度、轉動方向和運行模式等。步進電機驅動模塊負責接收控制信號和脈沖信號，對脈沖信號進行分配和功率放大，驅動電機轉動。

2系統硬件設計

如圖2所示，步進電機控制系統硬件電路主要由單片機最小系統、電源轉換、按鍵接口、顯示屏接口、語音模塊接口、光耦隔離、驅動芯片及外圍等電路組成。

2．1單片機最小系統

最小系統需要處理來自按鍵和語音控制命令并產生控制信號，因此要求系統具有IIC、SPI等串口通信外設和產生脈沖輸出功能。STM32F103系列單片機具有豐富的外設接口，性價比高，運行速度快等特點［4］。本文基于STM32F103C8T6設計的最小系統，包括電源轉換電路、晶振電路、下載電路及復位電路。最小系統電路如圖3所示。晶振電路使用8M石英晶振作為芯片高速外部時鐘源，晶振兩端22pF起振電容接地，并聯1M電阻幫助起振。下載電路設計20針JTAG接口，使用單片機JTAG模式進行程序下載和在線調試。復位電路采用帶按鍵的RC復位電路。

2．2步進電機驅動電路

系統基于THB6064MQ芯片實現步進電機驅動電路設計。該芯片是一款大功率、高細分的集成功率驅動芯片，適合驅動57系列步進電機［5］。THB6064MQ芯片內部集成了電流分配、雙H橋驅動、過流和溫度保護電路，需要設計相應的外圍電路保證芯片正常工作。驅動電路設計如圖4所示。M1、M2、M3三個引腳通過光電隔離模塊同控制模塊連接，完成對細分數的控制。驅動芯片DCY1、DCY2兩個引腳通過撥碼開關設置不同衰減方式，改善芯片驅動效果，提高電機運行的平穩性。在分壓電路中調節滑變阻R9，使VREF引腳電壓為1．8V，滿足步進電機額定驅動電流3A需求。在VREF和Down引腳之間串聯電阻R11，實現半流鎖定功能，在電機鎖定狀態下降低驅動電流，減少能量的損耗。RESTER引腳低電平時，芯片復位，RC自動復位電路中的二極管D1有利于電路斷開后，電容C2迅速放電，方便芯片下一次復位。ALERT引腳串聯LED燈，當芯片發熱嚴重時，ALERT輸出低電平，電路導通，LED燈發光，提醒操作員及時散熱，實現過流及溫度保護［6－7］。

2．3光耦隔離電路

步進電路驅動電路中，如果直接將控制信號引腳與驅動電路相連，則需要控制電路與驅動電路共地連接，驅動電路中的大電流有可能沿著地回路對控制電路的數字器件造成電磁干擾，甚至燒毀低工作電壓的芯片［8］。因此，設計光耦隔離模塊將控制電路和驅動電路進行電氣隔離。隔離信號包括高頻率的脈沖信號和低頻率的開關信號，使用6N137芯片隔離高頻信號，使用TP521芯片隔離開關信號，隔離電路設計如圖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，防止導通時電流過大燒毀發光二極管，R17為3、4引腳內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，R22和C6改善高頻傳輸時芯片的響應時間。

2．4電源轉換電路

系統電源電路需要滿足控制電路和驅動電路兩部分需求?？刂齐娐稴TM32F103C8T6和語音模塊等數字器件需要3.3V工作電壓，驅動芯片THB6064MQ內部集成的H橋驅動電路需要4.5～42V輸入電壓，另外，芯片還需要5V的工作電壓，步進電機額定電流為3A。電源分配如下:使用電源適配器將220V市電轉換為5V直流電，使用AMS1117降壓芯片將5V電壓降低為3．3V供控制電路相關器件使用，使用開關電源將220V市電轉換為24V/3A直流為驅動電路供電，使用LM317芯片將24V轉換為5V供驅動芯片使用。降壓電路設計如圖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。該模塊使用IIC通信協議，通過CK、SD引腳與單片機進行通訊。語音模塊采用LD3320語音識別模塊，該模塊集成優化算法和語音識別處理器，不需要進行訓練和錄音，只需將待識別詞語拼音寫入寄存器即可，模塊使用SPI通信協議與單片機進行通訊，IRQ中斷請求引腳與單片機外部中斷復用功能引腳相連，當語音模塊檢測聲音時，便會發出中斷請求［9］。顯示模塊和語音模塊實物圖如圖7所示。

3系統軟件設計

整個系統軟件設計包括:轉速控制子程序、按鍵掃描子程序、語音識別子程序、顯示子程序、主程序和中斷服務程序等。

3．1步進電機轉速控制

步進電機轉速與輸入脈沖頻率有關，驅動電路每收到一個脈沖，電機繞組通電狀態發生一次改變，電機轉過一個步距角。系統使用STM32F103C8T6定時器2產生PWM方波，通過設置定時器PSC分頻值和ARR重裝載值得到PWM方波頻率。定時器按照72M工作頻率分頻后的頻率向上計數，當計數值達到ARR值時清0重新計數，設置PWM模式比較值為ARR的1/2，當計數值小于比較值時，輸出高電平，反之輸出低電平，由此，產生驅動步進電機轉動的脈沖。脈沖頻率與PSC、ARR關系如式(1)所示。本系統將PSC固定為3599，當設定步進電機運行頻率時，反向計算出ARR值，通過重新設置定時器ARR值，就可改變步進電機轉速。

3．2指數型加速曲線設計

步進電機由于繞組存在電感，當電機啟動頻率過大時，繞組電流短時間內無法上升到驅動轉子轉動的大小，導致電機丟步或啟動失敗現象出現［10］。因此，本系統在電機啟動頻率高于1500Hz時，使用指數型加速曲線逐漸提高運行頻率，過渡時間不超過0．1s。同直線型加速曲線相比，指數型加速曲線更加符合步進電機的矩頻特性，加速曲線如式(2)所示［11］。其中，f0為初始頻率，設置為1500Hz，fh為待設置頻率，k1為頻率系數，取值區間為0．90～0．98，f(k)為當前運行頻率。

3．3主程序設計

主程序功能主要是初始化驅動模塊、語音模塊及按鍵模塊的I/O口，進行中斷分組并設置搶占優先級和響應優先級［12］，初始化定時器中斷、外部中斷及看門狗中斷。開啟中斷，等待中斷發生。主程序設計流程圖如圖8所示。在主程序中為提高抗干擾性，引入窗口看門狗程序，在程序運行過程中，必須不停地在窗口時間內進入喂狗中斷服務程序，如果程序跑飛而不能及時喂狗，芯片則會發生軟復位，系統重啟。

3．4中斷服務程序設計

中斷服務程序主要完成命令識別、控制和實時顯示步進電機運行狀態。進入中斷首先判斷是否發生定時中斷，如果是，運行一次語音識別，如果成功，讀取最佳識別結果，使用switch－case語句對識別結果進行判斷，執行相應程序;運行鍵盤掃描程序，確定鍵值，使用switch－case語句根據鍵值執行相應程序。中斷服務程序流程如圖9所示。

4結語

步進電機具有開環精度高、可靠性高優點，被廣泛應用于各種控制領域。本文設計的步進電機控制系統采用細分功率芯片設計驅動電路，性價比高，步進電機能以更小步距角轉動，運行更加平穩。按鍵模塊和語音識別兩種輸入命令方式，極大提高了步進電機運用過程中的人機交互，在硬件和軟件上采用抗干擾設計，使系統運行更加可靠。

作者：呂淑平 趙斌韜 單位：哈爾濱工程大學