基于STM8S微控制器步進(jìn)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)

張愛良，朱旭東，范雪

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇宜興214206）

步進(jìn)電機(jī)能接收數(shù)字脈沖信號完成規(guī)定的位置增量，實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，與伺服電機(jī)位置控制系統(tǒng)相比，成本低且控制電路及使用簡單，幾乎不必進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整，但步進(jìn)電機(jī)必須與控制電路，即驅(qū)動器配套，工作性能很大程度取決于所使用的控制電路，包括起動頻率、最高轉(zhuǎn)速、動態(tài)轉(zhuǎn)距、阻尼能力等。目前在微型軸承內(nèi)圓、溝道等磨削加工的磨床上，橫向進(jìn)給大多采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)75BF003，而軸承磨削加工是精加工，磨削尺寸偏差大多要求控制在微米量級，加工精度高；同時(shí)工作環(huán)境不僅有變頻器、砂輪電機(jī)等很強(qiáng)的電磁干擾，而且磨削過程使用大量冷卻液產(chǎn)生的油霧等，因此惡劣的工作環(huán)境，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)“失步”，步進(jìn)控制器易出現(xiàn)故障，所以要求電子控制系統(tǒng)具有很高的可靠性、可維修性且價(jià)格低廉。為此，針對微型軸承磨削加工，認(rèn)真分析現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動方式及接口，設(shè)計(jì)與磨床電子控制系統(tǒng)配套的細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動器。

1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

1975年美國學(xué)者T.R.Fredriksen，首次在美國增量運(yùn)動控制系統(tǒng)及器件年會上提出了步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分的控制方法，較好的改善了步進(jìn)電機(jī)的性能。步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分技術(shù)，是步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制的最新技術(shù)之一，各相繞組電流按規(guī)律改變其幅值的大小，實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細(xì)的微步，即步距細(xì)化，由此導(dǎo)致分辨力提高，振動、噪聲、轉(zhuǎn)距波動問題得到很大改善，運(yùn)轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)。

PWM恒流斬波驅(qū)動方式是目前獲得高性能細(xì)分控制技術(shù)的常用方式，通常步進(jìn)電機(jī)使用較高電壓電源，使繞組電流幾乎直線上升到預(yù)定值，由電流檢測去控制一個(gè)斬波控制電路，判斷這繞組的功率開關(guān)，繞組電流在續(xù)流回路中續(xù)流并下降，下降至某一設(shè)定值或某一規(guī)定時(shí)間后，斬波控制電路又令功率開關(guān)接通，如此反復(fù)由功率開關(guān)對繞組電流進(jìn)行斬波控制，使電流平均值趨向于維持恒定，因此控制電流波形及大小，彌補(bǔ)電機(jī)制造過程的偏差、發(fā)熱等因素，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

步進(jìn)電機(jī)細(xì)分算法的驅(qū)動機(jī)理就是通過控制各相繞組電流合成的磁動勢，來達(dá)到細(xì)分驅(qū)動的效果，而改變電流矢量的合成磁動勢，就是通過在電機(jī)的各相繞組中分別通以有規(guī)律的電流；步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，主要取決于合成磁場矢量的大小，步距角的大小取決于相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角，因此合理控制電機(jī)各相繞組中的脈沖電流，可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩的均勻微步距控制，只要電機(jī)內(nèi)部合成磁場幅值恒定，且繞組中脈沖電流按時(shí)序的變化產(chǎn)生的步距角均勻，由此便可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的均勻細(xì)分驅(qū)動，電機(jī)產(chǎn)生平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由于制造工藝與混合式步進(jìn)電機(jī)的不同，其旋轉(zhuǎn)磁場只與繞組電流的絕對值有關(guān)，而與電流的正反流向無關(guān)，但實(shí)質(zhì)同樣是三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)三相繞組在空間彼此相差120°，參考三相六拍旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)序，對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步距角的任意細(xì)分，選取繞組電流波形如圖1所示，其A相的數(shù)學(xué)模型如下：

當(dāng)0≤ α≤ 2π/3時(shí)，ia=Imsinα；

當(dāng)2π/3 ≤ α≤ 4π/3時(shí)，ia=Imsin（α-π/3）；

當(dāng)4π/3≤α≤2π時(shí)，ia=0；

圖1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組電流波形

圖1中，縱坐標(biāo)是相繞組中的脈沖電流，單位為安培，橫坐標(biāo)為弧度，α為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的角度。ib滯后于ia2π/3，ic超前于ia2π/3，合成電流矢量在所有區(qū)間，從而保證合成磁場幅值恒定，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而步進(jìn)電機(jī)在這種情況下運(yùn)轉(zhuǎn)也最為平穩(wěn)[2]。

2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器硬件設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

微型軸承加工磨床的核心控制系統(tǒng)，主要是以單片機(jī)控制的電腦板，其控制電機(jī)的基本原理為：電腦板發(fā)出進(jìn)給控制信號給步進(jìn)驅(qū)動器，步進(jìn)驅(qū)動器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的驅(qū)動方式，控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)進(jìn)給控制信號主要有3種方式：第一種是四線連接，其中A、B、C三相控制線，加一根地線，實(shí)現(xiàn)三相六拍運(yùn)行；第二種方式為脈沖加方向的控制方式；第三種方式為正轉(zhuǎn)脈沖加反轉(zhuǎn)脈沖的控制方式；第二第三鐘主要用于細(xì)分驅(qū)動器控制電機(jī)。目前，微型軸承磨床選用的步進(jìn)電機(jī)大多為三相反應(yīng)式75BF003步進(jìn)電機(jī)，工作電源電壓最高30 V，最大工作電流4 A，步距角為3°（三相三拍）/1.5°（三相六拍），其接線主要有4線引出和6線引出兩種，見圖2。本設(shè)計(jì)深入分析工作環(huán)境及企業(yè)工藝控制的需求，設(shè)計(jì)一種直流24 V供電，具有上述三種控制接口，同時(shí)能夠滿足步進(jìn)電機(jī)4線引出和6線引出電流控制接線，步距角在三相六拍基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)10細(xì)分（0.15°）、20細(xì)分（0.075°）、40細(xì)分（0.037 5°）選擇，且無任何電位器、按鈕等易損機(jī)械電子部件，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，滿足三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的步進(jìn)驅(qū)動控制器。

圖2 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)接線圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)的基本思路

通過對步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組中電流的控制[1]，實(shí)現(xiàn)微步距控制，其控制的核心是正弦波信號電壓的比較[4]，利用微控制器應(yīng)用技術(shù)，核心控制集成電路選用STM8S103微控制器，通過控制接口電路，檢測微型磨床電腦控制系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給要求，經(jīng)程序計(jì)算，邏輯控制三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的相序輸出，根據(jù)每相輸出的細(xì)分電流基準(zhǔn)值控制數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出電壓，同時(shí)產(chǎn)生PWM方波信號；采樣電路實(shí)現(xiàn)相電流采樣并經(jīng)電阻電壓轉(zhuǎn)換后，與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，經(jīng)邏輯控制、功率驅(qū)動，控制步進(jìn)電機(jī)的相電流，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)角位移的均勻細(xì)分、平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。參數(shù)設(shè)置是經(jīng)紅外遙控電路，實(shí)現(xiàn)控制接口工作方式的選擇，狀態(tài)指示一是指示控制接口的3種工作方式，二是指示各相的運(yùn)行狀態(tài)，三是指示當(dāng)前的細(xì)分?jǐn)?shù)。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器的總體框圖如圖3所示。

圖3 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器總體框圖

控制接口原理圖見圖4，圖中R1為輸入限流電阻，Z1為穩(wěn)壓管進(jìn)行過壓保護(hù)，U1為光電藕合器，實(shí)現(xiàn)輸入信號與輸出的隔離及邏輯電平轉(zhuǎn)換。控制接口有三路相同的電路接收輸入信號，并隔離后輸出到 STM8S103微控制器的 PC5、PC6、PC7，允許下降沿產(chǎn)生中斷請求。調(diào)制用方波信號頻率為21.74 kHz[2]，由STM8S103微控制器的16位通用定時(shí)器TIM2通道3的比較功能編程產(chǎn)生，由PA3引腳輸出。邏輯控制電路由D型觸發(fā)器、或門電路組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)繞組電流大于細(xì)分電流基準(zhǔn)值時(shí)，邏輯控制輸出電平翻轉(zhuǎn)，強(qiáng)制后面的MOSFET管關(guān)斷，其基本原理是當(dāng)相電流大于細(xì)分電流時(shí)，斬波比較電路輸出低電平，控制D型觸發(fā)器的清零端，調(diào)制用方波信號通過相序控制輸出到D型觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端，D型觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端接5 V高電平，D型觸發(fā)器的輸出Q非，經(jīng)緩沖器MC14050功率放大電平匹配驅(qū)動MOSFET管，其中A相繞組的功率驅(qū)動原理電路見圖5，圖中QA為N溝道功率MOSFET管，LA為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)A相繞組，DA為快恢復(fù)續(xù)流二極管，U1為MC14050緩沖器，RSA為繞組電流采樣電阻。

圖4 控制接口原理圖

圖5 功率驅(qū)動電路

2.3 主要元器件的選取

本設(shè)計(jì)中關(guān)鍵元件主要有微控制器、采樣電阻、N溝道MOSFET功率管、快恢復(fù)續(xù)流二級管。

核心電路選用意法半導(dǎo)體的STM8S103微控制器，其特點(diǎn)為：三級流水線哈佛架構(gòu)，內(nèi)嵌當(dāng)前最先進(jìn)的130 nm非易失性存貯器Flash ROM、30萬次擦寫的E2PROM、16 MHz高精度RC振蕩器、多個(gè)16位可編程定時(shí)器，其GPIO（General Purpose Input/Output）口的每個(gè)引腳可編程為中斷懸浮輸入或推挽輸出等多種形式，工作電源2.95～5.5 V，抗干擾能力強(qiáng)，品質(zhì)安全可靠，性價(jià)比高，完全滿足本設(shè)計(jì)對于中斷輸入、推挽輸出、方波發(fā)生、定時(shí)等功能需求。采樣電阻的選取一是要求精度高，二是要求溫度漂移系數(shù)小，三是要求在自然環(huán)境下散熱且滿足惡劣工業(yè)環(huán)境的需要，為此選用精密線繞電阻3 W 0.5 Ω。N溝道MOSFET功率管，選用美國安森美（ONSemiconductor）公司的NTD5865NLT4G（VDSS=60V，ID=46 A，RDS（ON）=0.016 Ω），DPAK 貼片封裝，體積小，功率大，性價(jià)比高，在自然環(huán)境下不需另加散熱器，僅需適當(dāng)增加PCB敷銅散熱即可?？旎謴?fù)續(xù)流二級管選用ST20S100CT，內(nèi)含二個(gè)共陰極肖特基二極管，主要是在功率管關(guān)斷時(shí)為繞組提供續(xù)流通道，由于PWM斬波頻率達(dá)21.74 kHz，故選用快恢復(fù)管實(shí)現(xiàn)續(xù)流功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要有系統(tǒng)初始化程序、參數(shù)設(shè)置程序、定時(shí)中斷程序、控制接口輸入中斷程序等組成。系統(tǒng)初始化程序主要對GPIO引腳、中斷及優(yōu)先級、定時(shí)器、存貯器等相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化值設(shè)置，并讀取E2PROM中的功能參數(shù)；參數(shù)設(shè)置程序接收紅外遙控器的鍵盤信息，判斷是什么功能鍵，進(jìn)行相關(guān)狀態(tài)信息指示，如細(xì)分?jǐn)?shù)、控制接口工作方式等，并將功能代碼參數(shù)寫入E2PROM中，實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。定時(shí)中斷程序，主要產(chǎn)生500 μs基準(zhǔn)時(shí)間，供狀態(tài)指示及紅外接收編碼識別使用?？刂平涌谳斎胫袛喑绦?，根據(jù)工作方式功能參數(shù)，判斷當(dāng)前引腳中斷的功能，進(jìn)入相應(yīng)功能處理，其中細(xì)分功能程序的實(shí)現(xiàn)：根據(jù)三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)繞組電流數(shù)學(xué)模型，細(xì)分控制的核心是正弦波信號電壓的比較[4]，步進(jìn)電機(jī)從A相走到B相，A、B、C三相中N細(xì)分電流為{ia（0），ib（0），0}變化到{ia（N-1），ib（N-1），0}，數(shù)模轉(zhuǎn)換各通道輸入的數(shù)據(jù)N正比于各繞組電流i，即可表示為{Na（0），Nb（0），0}變化到{Na（N-1），Nb（N-1），0}，根據(jù)當(dāng)前所走步數(shù)，通過查表即可確定當(dāng)前細(xì)分電流。

4 提高系統(tǒng)可靠性措施

提供系統(tǒng)可靠性主要采取以下措施：硬件方面，1）系統(tǒng)電源選用臺灣明緯開關(guān)電源24 V 350W，不僅使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定可靠的電源，而且降低系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)；2）選擇性價(jià)比高、質(zhì)量好的元器件，如 微 控 制 器 STM8S103、功 率MOSFET管NTD5865NLT4G、繞組電流采樣電阻等；3）充分考慮工業(yè)環(huán)境的散熱、電磁干擾，電源、功率元件等選取留有足夠的電流電壓余量；4）充分考慮硬件電路設(shè)計(jì)中的電平匹配、功率驅(qū)動能力，系統(tǒng)微控制器部分用5 V電平，功率驅(qū)動用12 V電平，用LM393比較器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換是很好的辦法，MOSFET管的控制極電壓脈沖幅值設(shè)計(jì)12 V，大大降低MOSFET的導(dǎo)通電阻，減小元件工作過程中的發(fā)熱量，提高工作可靠性；五是印制電路板選用銅箔厚度35 um雙面標(biāo)準(zhǔn)敷銅板加工制作，合理布局元件，根據(jù)導(dǎo)線電流，適當(dāng)加寬導(dǎo)線的線寬等。軟件方面主要采取數(shù)據(jù)保護(hù)、模糊判斷、延時(shí)確認(rèn)信號的有效性等手段，系統(tǒng)中關(guān)鍵的數(shù)據(jù)如工作方式、細(xì)分?jǐn)?shù)、N細(xì)分步序計(jì)數(shù)單元等，讀寫時(shí)進(jìn)行3中取2確認(rèn)；模糊判斷主要是對一些數(shù)據(jù)的大小先進(jìn)行區(qū)間判斷，如N細(xì)分步序計(jì)數(shù)單元的值小于N-1，先判斷再取查表值輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換；延時(shí)確認(rèn)信號的有效性主要是對控制輸入引腳的中斷信號，進(jìn)行延時(shí)再讀取引腳電平，進(jìn)行比較確認(rèn)，防止干擾。

5 結(jié)束語

本文針對三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，采用步距角細(xì)分技術(shù)、微控制器應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計(jì)細(xì)分控制驅(qū)動器，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動器具有體積小、精度高、功耗低，200多臺該產(chǎn)品經(jīng)三年多在微型軸承加工磨床橫向進(jìn)給上的實(shí)際使用，可靠穩(wěn)定，至今沒有維修，實(shí)現(xiàn)了高精度定位，提高了磨削質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵小娟，陳宏川，王睿，等.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)式模擬器儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（19）:5-10.

[2]邱寶梅，王風(fēng)娟，王建文.基于模糊PID控制的小型機(jī)載攝影穩(wěn)定平臺[J].光電工程，2010，37（10）:23-28.

[3]韓亮.步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，6（28）:31-36.

[4]馬超，鄭永軍，王書茂.基于MEMS傳感器的兩軸姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，1（31）:28-38.

[5]趙祚喜，羅錫文，李慶，等.基于MEMS慣性傳感器融合的水田激光平地機(jī)水平控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，24（6）:119-124.

[6]叢爽，鄧科，尚偉偉，等.陀螺穩(wěn)定平臺建模分析[J].科技導(dǎo)報(bào)，2011，29（9）:42-47.

[7]徐錕，黨幼云，張峰.四自由度機(jī)械手多細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，6（29）:714-720.

[8]霍麗霞，羅衛(wèi)兵，遲曉鵬.微型無人機(jī)穩(wěn)定平臺的設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（23）:41.

[9]潘永雄.STM8S系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[10]林喆，魏海波，孫清.基于交流伺服和步進(jìn)驅(qū)動控制的玻璃數(shù)控鉆孔技術(shù)研究[J].機(jī)電工程，2015，2（32）:261-266.

[11]張高陽，金鑫，張之敬.步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)大振蕩機(jī)理與軌跡優(yōu)化控制[J].自動化學(xué)報(bào)，2015，1（41）:84-94.

[12]廖平，韓偉.基于STM32多步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（4）:71-75.

[13]劉慧基，范寶山.基于STM32的多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].測控技術(shù)，2010，29（6）:54-57.

[14]劉學(xué)超，吳志勇.基于TMS320F28335的步進(jìn)電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011（10）:43-46.

[15]魏海波，張君薇，孫清.基于PLC和交流伺服系統(tǒng)控制的自動化生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（7）:81-82.

[16]黃兆斌，黃云龍，余世明.幾種步進(jìn)電機(jī)加減速方法的對比研究及其應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2011，28（8）：951-953.