陳 靜，李景忠，姜媛媛

(安徽理工大學(xué)，淮南 232001)

0 引 言

步進電動機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機[1-2]，電脈沖信號的頻率和個數(shù)決定電機的轉(zhuǎn)速和位置[3-4]。步進電動機因具有體積小、性價比高、控制精準、無累積誤差等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用[5-7]。

步進電動機控制采用傳統(tǒng)的整步或者半步控制，由于步距角較大，容易出現(xiàn)低頻振蕩、丟步及噪聲較大等問題[8-10]。細分驅(qū)動技術(shù)是目前步進電動機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，細分驅(qū)動不僅有利于步進電動機的精準運行，而且還可以減小甚至消除步進電動機的低頻振蕩，降低噪聲，改善其動態(tài)性能[11-12]?？刂齐娐芳苫凸β黍?qū)動模塊化是步進電動機驅(qū)動技術(shù)的另一個發(fā)展趨勢，即驅(qū)動電路采用步進電動機專用驅(qū)動芯片，并設(shè)計有保護電路，集控制電路與驅(qū)動電路于一體，對驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能也有一定的提升[13-14]。

隨著微電子技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)已無法滿足實際應(yīng)用需求，對步進電動機的控制精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文中驅(qū)動電路使用的TC1005是一款高節(jié)能、高精度和完整的數(shù)字控制的步進電動機驅(qū)動芯片，具有256細分，支持無傳感器負載高精度檢測，電流自適應(yīng)控制，節(jié)能高效，具有過流、短路和過溫保護等功能。本文構(gòu)建了步進電動機細分驅(qū)動仿真模型，通過仿真驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的正確性；構(gòu)建了以STM32F103ZET6為主控制器、TC1005為驅(qū)動芯片的集控制驅(qū)動于一體的步進電動機細分驅(qū)動系統(tǒng)，并設(shè)計了上位機通信軟件，通過SPI通信實現(xiàn)對步進電動機的閉環(huán)智能控制。測量步進電動機的一相繞組電流變化情況表明，系統(tǒng)控制精度明顯提高，運行穩(wěn)定，拓寬了步進電動機驅(qū)動器應(yīng)用的普適性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)由增強型STM32F103x主控制器、 PC上位機、 JTAG調(diào)試模塊、電源模塊、H橋及兩相混合式步進電動機構(gòu)成，總體設(shè)計方案框圖如圖1所示。

TC1005是具有多細分、高精度的步進電動機專用驅(qū)動芯片，STM32控制器需要對TC1005芯片進行參數(shù)配置，參數(shù)配置完成后，TC1005芯片才能工作。STM32控制器以不同頻率PWM控制驅(qū)動芯片，實現(xiàn)步進電動機起動、停止、加減速和正反轉(zhuǎn)。上位機設(shè)定好參數(shù)后，上、下位機進行數(shù)據(jù)通信，STM32控制器接收到參數(shù)指令后，通過SPI接口向TC1005傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)人機交互，智能化控制步進電動機的運行參數(shù)。系統(tǒng)運行中，TC1005芯片通過采樣電阻檢測負載情況，通過SPI接口實時反饋到STM32控制器，并在上位機界面顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 STM32主控制器

本文中處理器采用增強型STM32F103系列控制器，支持有64kB SRAM，512kB FLASH，3個SPI接口等，且系統(tǒng)具有功耗低、豐富且高級的開發(fā)工具和中斷系統(tǒng)響應(yīng)等，提高了系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性；STM32處理器使用了ARMv7-M體系架構(gòu)，運行速度更快，有利于步進電動機控制[15]。

2.2 TC1005步進電動機驅(qū)動芯片

TC1005是一款高節(jié)能、多細分高精度的步進電動機驅(qū)動芯片，自帶微步、方向接口和SPI通信接口，可以選擇不同的外部MOSFET驅(qū)動步進電動機，提高了系統(tǒng)的可靠性。芯片可以直接連接MOS管，實現(xiàn)對步進電動機的控制；芯片內(nèi)置平均電流斬波算法，使電機電流的過零點得到了優(yōu)化處理，大大提高了驅(qū)動速度；芯片最高支持256細分，將控制精度精確到微步細分，降低了累計誤差，使系統(tǒng)運行更平穩(wěn)；芯片內(nèi)部集成有SPI接口，通過外部設(shè)置參數(shù)進行配置，可以實現(xiàn)對步進電動機的控制和監(jiān)控；芯片具有過流、短路和過溫保護等功能。TC1005的高節(jié)能、高精度和快速的動態(tài)響應(yīng)特性，在工業(yè)和商業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

2.3 TC1005的SPI接口及寄存器配置

TC1005芯片的參數(shù)配置是主控制器通過SPI接口對寄存器讀寫數(shù)據(jù)完成的。其配置時序如圖2所示。將TC1005芯片內(nèi)的SPI接口與內(nèi)部系統(tǒng)時鐘保持同步，SPI總線時鐘SCK設(shè)置為系統(tǒng)時鐘頻率的一半，才能與主控制器進行數(shù)據(jù)通信。為了保證傳輸?shù)目煽啃?，使用系統(tǒng)內(nèi)部時鐘時，保留最小內(nèi)部時鐘和最大SPI主時鐘10%的裕量。STM32主控制器向TC1005發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時STM32主控制器也讀回TC1005芯片內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)據(jù)包；STM32主控制器通過SPI接口發(fā)送和接收20位的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)對TC1005的寄存器的讀寫操作，寄存器包括驅(qū)動控制寄存器，斬波寄存器，智能寄存器，斜率寄存器，驅(qū)動配置寄存器。

圖2 SPI配置時序圖

圖2中，使能引腳為CSN，低電平有效；時鐘引腳為SCK，其工作頻率為20 MHz；數(shù)據(jù)輸入引腳為SDI；數(shù)據(jù)輸出引腳為SDO。當CSN由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，SCK連續(xù)輸出20個脈沖對應(yīng)于20個數(shù)據(jù)位，同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)位依次經(jīng)移位寄存器由高位到低位傳送給SDI。

2.4 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路包括驅(qū)動主電路和功率轉(zhuǎn)換電路。TC1005驅(qū)動主電路如圖3所示，TC1005產(chǎn)生的PWM信號將作為H橋中MOS管的動作信號。功率轉(zhuǎn)換電路，即H橋電路，是一個逆變電路，將外部電源提供的直流電逆變?yōu)轵?qū)動步進電動機的交流電。

圖3 TC1005驅(qū)動主電路

圖3中，ENN為芯片使能引腳，DIR為方向控制引腳，STEP為輸入PWM脈沖信號引腳， SG_TST為堵轉(zhuǎn)反饋引腳。TC1005輸出的HA1，HA2，HB1，HB2，LA1，LA2，LB1，LB2信號與FDD8424H驅(qū)動管共同構(gòu)成H橋驅(qū)動電路；A+，A-，B+，B-同時接入FDD8424H 驅(qū)動管的輸出端和步進電動機的兩相繞組；SRA，SRB是采樣電阻的采樣信號，芯片取得采樣信號作電流斬波用，提高步進電動機的動態(tài)響應(yīng)。對驅(qū)動芯片配置完成后，主控制器可以根據(jù)實際需求發(fā)出控制信號，控制步進電動機實現(xiàn)起動、停止、正反轉(zhuǎn)和加減速。

系統(tǒng)采用二相混合式步進電動機，需要雙極性驅(qū)動方式才能工作，即繞組在一個周期內(nèi)需要有正反兩個方向的電流流通，而系統(tǒng)采用H橋電路解決了步進電動機雙向電流流通的問題；二相步進電動機需要8個開關(guān)管構(gòu)成2個H橋。本文中MOS管驅(qū)動采用具有雙N & P溝道的FDD8424H芯片，只需4只芯片即可構(gòu)成2個H橋，其中A相的H橋功率轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 步進電動機A相H橋驅(qū)動電路

圖4中當通以正向電流時，則U1B和U2A開通，當通以反向電流時，則U1A和U2B開通。電阻R1、R2為低感抗的采樣電阻，電阻R3為保護電阻，采樣電阻用來檢測電機相電流的大小，吸收來自MOSFET橋的尖峰值。采樣電阻容易受到負電壓的影響，采樣值經(jīng)過一個保護電阻可以防止芯片損壞。

由于步進電動機有電磁特性，對單片機控制電路有電磁干擾，系統(tǒng)采用光電隔離電路使單片機與驅(qū)動芯片隔離，步進電動機控制信號隔離電路如圖5所示。光耦隔離是為了防止電機干擾損壞主控制電路和對控制信號進行整形。輸入控制信號包括：步進脈沖信號STEP+，STEP-；方向信號DIR+，DIR-；使能信號ENN+，ENN-。輸入控制信號經(jīng)光耦隔離后輸入TC1005驅(qū)動芯片。系統(tǒng)選擇1片EL6N137高速光耦隔離STEP信號，使信號耦合后不會發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅(qū)動；選擇2片EL817普通光耦隔離ENN和DIR信號。

圖5 光耦隔離電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

主控制器STM32采用MDK5編程編譯軟件，ST公司提供了一套豐富的固件庫，因此不需要直接操作底層的寄存器，通過操作庫函數(shù)即可實現(xiàn)系統(tǒng)需求，方便快捷，提高了編程效率。本文軟件設(shè)計遵循ARM CortexTM主控制器軟件接口標準，CMSIS提出的分層結(jié)構(gòu)把整個驅(qū)動控制系統(tǒng)分為應(yīng)用層和系統(tǒng)層，應(yīng)用層即上位機界面設(shè)計，系統(tǒng)層包括設(shè)備層和固件函數(shù)庫，即控制運行程序?qū)雍托酒瑓?shù)配置層，系統(tǒng)軟件分層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件分層結(jié)構(gòu)

3.1 上位機界面設(shè)計

在本文中，上位機采用LabVIEW軟件設(shè)計了符合控制系統(tǒng)、簡便可靠的操作界面，通過上位機與下位機進行數(shù)據(jù)傳輸，主控制器接收上位機發(fā)送的控制信號，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的有效控制，并能實時監(jiān)測到步進電動機的當前運行狀態(tài)。上位機界面如圖7所示，串口初始化完成后，可人為設(shè)置參數(shù)，參數(shù)設(shè)置包括：細分數(shù)、正反轉(zhuǎn)、速度、電流等；設(shè)置完參數(shù)后點擊串口號和使能按鈕，實現(xiàn)人機交互的智能化控制系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖7 控制的軟件實現(xiàn)

3.2 程序流程

系統(tǒng)程序主要由主程序、細分驅(qū)動子程序、參數(shù)配置子程序、脈沖程序、下位機通信程序、數(shù)據(jù)處理等組成。主程序流程圖如圖8所示，實現(xiàn)整個程序的流程控制，完成各模塊初始化、定時器工作方式和中斷方式設(shè)置、子程序調(diào)用、下位機運行參數(shù)的接收、采集數(shù)據(jù)的回讀等功能，另設(shè)看門狗代碼防止程序“跑飛”，提高運行程序的可靠性。

圖8 主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真與實驗驗證

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink軟件搭建了步進電動機細分驅(qū)動仿真模型，如圖9所示。示波器1輸出步進電動機A相繞組電流，示波器2輸出步進電動機B相繞組電流。將輸入步進電動機兩個定子繞組的脈沖信號、給定細分電流信號和仿真不同細分時輸入到步進電動機的定子繞組電流信號波形進行對比分析。

圖9 步進電動機細分驅(qū)動仿真模型

示波器1輸出波形如圖10所示。在2細分時，輸入到步進電動機A相定子繞組的電流波形近似階梯正弦波，有部分紋波，噪聲和振動較大。

(a) 脈沖信號

(b) 給定細分電流信號

(c) 2細分時輸入到步進電動機A相繞組的電流信號

圖102細分電機繞組波形

圖11為示波器1輸出波形分別為256細分時的波形圖。在256細分時，輸入到步進電動機2個定子繞組的電流波形也近似正弦波，并且波形圓滑，無明顯紋波，噪聲和振動也得到改善。

(a) 脈沖信號

(b) 給定細分電流信號

(c) 256細分時輸入到步進電動機A相繞組的電流信號

圖10和圖11的仿真結(jié)果表明，細分驅(qū)動能使電機定子相繞組電流變得較平滑，噪聲和振動減小，有益于實現(xiàn)步進電動機高精度驅(qū)動和穩(wěn)定運行。

4.2 實驗驗證

實驗系統(tǒng)實物平臺如圖12所示。實驗采用57HS22A二相混合式步進電動機(步距角1.8°，電流3.5 A，靜力矩2.2 N·m)，系統(tǒng)輸入脈沖信號頻率設(shè)置為100 Hz，用示波器對輸入步進電動機的一相繞組的電壓進行測試。

圖12 實驗系統(tǒng)實物平臺

圖13為步進電動機在2細分模式下輸入到步進電動機A相繞組的電壓波形和系統(tǒng)輸入PWM脈沖信號波形。

圖13 2細分A相繞組波形變化

由圖13可知，在2細分時，輸入到步進電動機繞組的電壓波形與仿真結(jié)果(圖10)相比，有部分毛刺現(xiàn)象，階梯波形變化不夠圓滑，電機運行時振動和噪聲也較大。

圖14為步進電動機在256細分模式下輸入到步進電動機A相繞組的電壓波形和系統(tǒng)輸入PWM脈沖信號波形。

圖14 256細分A相繞組波形變化

由圖14可知，在256細分時，輸入到步進電動機繞組的電壓波形與仿真結(jié)果(圖11)相比，電機繞組的電壓波形已經(jīng)非常接近正弦波，并且階梯波形變化圓滑，電機運行振動和噪聲得到改善。

5 結(jié) 語

本文提出了基于TC1005的二相步進電動機細分驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了步進電動機最小步距角為0.007°，噪聲和振動小，實現(xiàn)了步進電動機在不同細分模式下的精準穩(wěn)定運行。

通過建模與仿真，搭建了實驗系統(tǒng)實物平臺，并測試了步進電動機在實際工作狀態(tài)下的繞組波形變化情況。從2細分和256細分的實驗波形可以看出，當逐漸增加細分數(shù)時，電機的振動和噪聲會隨之減小，在256細分時電機的振動和噪聲非常小。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠明顯降低低頻振動和噪聲。由于MOS管大電流的開、關(guān)斷和電機的反電動勢等原因，波形有部分毛刺，但在實際應(yīng)用中仍然能較好地滿足需求，由此驗證了本方案的正確性和可行性。

[1] 向平,袁博,曹煜國.基于S3C2410和WinCE的光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)[J].微特電機,2012,40(7):65-68.

[2] 石星星,吳洪濤.基于專用控制芯片的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]電子設(shè)計工程,2012,20(9):130-133.

[3] 廖平,韓偉偉.基于STM32多步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].儀表技術(shù)與傳感器,2016(4):71-73,77.

[4] 張強,郭慶.三相混合式步進電動機SPWM控制技術(shù)[J].微特電機,2008,36(10):39-41.

[5] 馬秀娟,張值豪,王學(xué)義,等.基于FPGA的步進電機控流細分驅(qū)動系統(tǒng)[J].控制工程,2017,24(1):16-21.

[6] 王邦繼,劉慶想,周磊,等. FPGA在多軸步進電機控制器中的應(yīng)用 [J].電機與控制學(xué)報,2012,16(3):78-82,89.

[7] 崔桂梅,崔巍,龐海靜,等.基于SOPC的硬件直線插補控制器設(shè)計 [J].微特電機,2011,39(5):56-57，61.

[8] 許永衡,陳志錦,張?zhí)煊?步進電機細分驅(qū)動技術(shù)Simulink仿真[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2016,29(6):81-83.

[9] Nan Yang,Yi Mingwei,Jiao Yuliu.Research on micro-stepping driving system of three-phase hybrid stepping motor[J].Advanced Materials Research,2013,744(8)：253-257.

[10] 周永明,許進亮,李向陽,等.基于DSP的兩相步進電機細分驅(qū)動器設(shè)計[J]電力電子技術(shù),2017,51(4):87-89，93.

[11] 蔡洪寶,侯遠龍,高強.基于TC1002的兩相混合式步進電機細分驅(qū)動器設(shè)計[J].機械制造與自動化,2017,46(3):216-219.

[12] MOON S,DONG H K.Step-out detection and error compensation for a micro-stepper motor using current feedback[J].Mechatronics,2014,24(3):265-273.

[13] 吳永德.基于LV8729V的二相步進電機驅(qū)動電路設(shè)計[J].機電一體化，2016(5)：68-72.

[14] Qi Zeng.Design of a driver of two-phase hybrid stepper motor based on THB6064H[J].IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2017,199(1):1-5.

[15] 劉虎,張仁杰,劉振, 等.基于ARM和TMC262的步進電機運動控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(10):57-59，63.