基于STM32F103RB的兩相混合式步進(jìn)電機細分驅動(dòng)器設計

摘要：根據兩相混合式步進(jìn)電機細分驅動(dòng)原理，設計了一種基于STM32F103RB單片機的、細分度可調的步進(jìn)電機驅動(dòng)器?？刂破鞑捎秒娏魇噶靠刂扑惴?，通過(guò)雙H橋驅動(dòng)步進(jìn)電機的兩相轉子。利用片內AD對電機轉子電流進(jìn)行采樣，將矢量角度的目標值與測量值進(jìn)行比較、調節，形成電流環(huán)，進(jìn)而實(shí)現對整個(gè)周期電流階梯的細分度控制。本文還介紹了該控制器的軟硬件設計方案，并對該設計的實(shí)際電路進(jìn)行了測試，結果表明控制器達到了設計目標，減少了低頻振蕩，提高了步進(jìn)電機的控制性能。
關(guān)鍵詞：STM32F103RB；兩相混合式步進(jìn)電機；開(kāi)環(huán)矢量；細分可調

步進(jìn)電機是一種運用廣泛的控制電機，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，即所謂的電機開(kāi)環(huán)控制。相對于伺服電機，步進(jìn)電機有著(zhù)成本低廉，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是兩相混合式步進(jìn)電機，在工業(yè)運動(dòng)控制系統中有著(zhù)廣泛的應用。然而，傳統的驅動(dòng)方式，比如單電壓驅動(dòng)、高低電壓驅動(dòng)、斬波恒流驅動(dòng)等等，雖然已經(jīng)應用十分成熟，但是只限于低速運行，并且細分度一般限制在1／2步距，無(wú)法很好消除低頻振蕩，以及定位精度差等缺點(diǎn)。細分驅動(dòng)的出現很好地彌補了這一缺點(diǎn)。
常見(jiàn)的細分控制器一般由MCU、專(zhuān)用邏輯驅動(dòng)芯片以及功率驅動(dòng)模塊組成，這樣的驅動(dòng)器雖然能滿(mǎn)足多細分驅動(dòng)，但由于細分數量和效果會(huì )受到邏輯驅動(dòng)芯片的影響，并且無(wú)法調整細分數和限流值、從而造成系統調試困難、矩頻特性差等缺點(diǎn)。本文使用ST公司的32位ARM單片機，加上MOSFET驅動(dòng)模塊及電流傳感模塊，省去了邏輯驅動(dòng)芯片。電機電流采用單片機內部AD采樣，控制邏輯算法直接由單片機軟件實(shí)現，MOSFET按照外部輸入的脈沖速度及內部的時(shí)序來(lái)運行，從而大大簡(jiǎn)化了應用電路，提高了電路的通用性和驅動(dòng)性能。

1 意法半導體STM32F103RB單片機簡(jiǎn)述
STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex-M3內核，具有運行速度高、處理能力強、外設接口豐富等特點(diǎn)。由于其低廉的價(jià)格和很強的控制、運算性能，被廣泛運用于電機控制。其具體性能指標如下：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字節的閃存存儲器和16 k的SRAM；3)12位16通道AD轉換器具有雙采樣和保持功能，轉換時(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位帶死區控制盒緊急剎車(chē)，用于電機控制的PWM高級控制定時(shí)器。

2 細分驅動(dòng)原理
一般兩相步進(jìn)電機驅動(dòng)分為單極型和雙極性驅動(dòng)兩種，單極型驅動(dòng)適用于6線(xiàn)制電機，這樣的驅動(dòng)方法等于將兩相電機轉變?yōu)樗南嚯姍C，從表面上看步距角缺損減小了，實(shí)則是以犧牲電機的拖動(dòng)轉矩換來(lái)的，這樣電機的帶負載能力就會(huì )大大下降。而雙極型驅動(dòng)則主要針對兩相四線(xiàn)(或者八線(xiàn)制)電機，一般機械步距角為50齒1．8°(也可為100齒0．9°價(jià)格較貴)，故細分驅動(dòng)技術(shù)主要是通過(guò)對步進(jìn)電機的相電流進(jìn)行階梯化控制，使電機的以更小的單位步距角運行，從而減小步長(cháng)和低頻振蕩。細分驅動(dòng)的思想是把原來(lái)簡(jiǎn)單的對轉子電流的通斷過(guò)程改變?yōu)橹饾u的改變各相繞組的電流大小和方向，使電機內部的空間合成磁場(chǎng)逐步改變，這樣就能把原來(lái)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。具體的計算方法如下：
轉矩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，θ為轉子的電角度位置。
如果兩相步進(jìn)電機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(jiàn)，兩相混合式步進(jìn)電機的細分就是控制兩相繞組中的電流大小。理想狀態(tài)下，電機內部的磁場(chǎng)為圓形空間旋轉磁場(chǎng)，使步進(jìn)電機按照交流同步電機的方式旋轉。而AB相的理想電流為正弦波，而一般情況下通過(guò)階梯波來(lái)模擬正弦波，從而達到恒轉矩幅值的控制效果。而轉矩的大小由合成磁場(chǎng)的矢量來(lái)決定，即相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)的夾角為細分步距角。每當β變化一度，則步進(jìn)電機走過(guò)1／360的電角度，例如一般的8細分控制，則β的步長(cháng)為π／16。所以為了實(shí)現對兩相混合式步進(jìn)電機的恒轉矩細分控制，就需要在電機的兩相繞組中通以按正弦規律變化并互差90°相位的的兩相電流，階梯越細小，越接近于正弦波，步距角也越小，細分效果越好。

3 系統硬件設計
基于STM32F103RB驅動(dòng)系統的硬件部分主要由信號輸入端、電源輸入端、電源模塊、MOSFET驅動(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
在硬件設計中，需要從外部輸入3種信號：Enable使能信號、Dir電機轉向信號以及Frequency速度脈沖信號。Enable信號為使能信號，為防止電機在停止時(shí)，定子繞組仍然通電造成的電機發(fā)熱而設置的電機轉子斷電信號。Dir信號控制電機的轉向；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的轉速，3個(gè)控制信號均由光耦與內部隔離。驅動(dòng)器上電前需通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設置細分數和限流值，目前細分最多支持16細分，限流值一般為電機繞組可承受的最大電流的1．2倍左右，可以設置6檔限流值。驅動(dòng)器最大可承受4 A的電流。
3．2 系統電源
驅動(dòng)系統的電源由一個(gè)外部輸入的24～48V的直流電源輸入接線(xiàn)端，然后通過(guò)BUCK降壓芯片至5 V為內部光耦、比較器和運放供電，然后將5 V通過(guò)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(guò)電阻分壓，產(chǎn)生一個(gè)15 V電源用于MOSFET驅動(dòng)芯片IR2010的供電。
3．3 驅動(dòng)電路
MOSFET驅動(dòng)部分采用IR公司的IR2101S驅動(dòng)芯片來(lái)驅動(dòng)雙H橋，從而靠雙H橋來(lái)控制一個(gè)四線(xiàn)制步進(jìn)電機。IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性?xún)r(jià)比驅動(dòng)器，使用方法非常簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，能輸出100～210 mA電流。IR2101驅動(dòng)器可驅動(dòng)一組功率管，整個(gè)功率電路需4片即可，這樣不但節約制造成本，而且還提高系統穩定性。其驅動(dòng)電路如圖4所示。

3．4 電流檢測和過(guò)流保護
本系統使用采樣電阻來(lái)采集經(jīng)過(guò)H橋(即電機的定子電流)。此處采樣電阻阻值比較大時(shí)，會(huì )使電阻分壓過(guò)大，造成H橋的低端電壓高于地電壓，影響系統的穩定性，而阻值太小又會(huì )使信號過(guò)小影響檢測精度，所以本系統選用0．1Ω電阻作為采樣電阻。然后經(jīng)過(guò)LMV358放大后，成為0～3 V的電壓信號，在經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器后，進(jìn)入MCU片上AD，進(jìn)行數模轉換，放大后的信號還連接一個(gè)比較器用于過(guò)流保護。

4 系統軟件設計
系統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，細分度等信號，然后進(jìn)行內部參數初始化，等待刷新定時(shí)器計時(shí)完畢后就開(kāi)始按照計時(shí)中的ADC中斷及定時(shí)器中斷完成的參數計算進(jìn)行調節位置和速度。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調節器調節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(guò)限流值，則自行執行脫機。這些程序在中斷中完成，可以是系統更具有實(shí)時(shí)性。另外，每次走完一個(gè)階梯的波形后，程序將觸發(fā)timer3計數器，進(jìn)行細分步數的計算，從而快的調整個(gè)周期的細分數。Timer3程序流程圖如圖7所示。

電機的細分步數為每次Enable之后方能調整，而細分值表則由計算好的正余弦參數存于MCU Flash中。

5 結論
本系統采用電流實(shí)時(shí)采樣并進(jìn)行PI調節，使兩相混合式步進(jìn)電機的恒轉矩運行，真正達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)電機的手段。