基于TC1005的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 靜，李景忠，姜媛媛

(安徽理工大學(xué)，淮南 232001)

0 引 言

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機(jī)[1-2]，電脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置[3-4]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)因具有體積小、性價(jià)比高、控制精準(zhǔn)、無累積誤差等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用[5-7]。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是目前步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，細(xì)分驅(qū)動(dòng)不僅有利于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行，而且還可以減小甚至消除步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩，降低噪聲，改善其動(dòng)態(tài)性能[11-12]?？刂齐娐芳苫凸β黍?qū)動(dòng)模塊化是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，即驅(qū)動(dòng)電路采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，并設(shè)計(jì)有保護(hù)電路，集控制電路與驅(qū)動(dòng)電路于一體，對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)已無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。本文中驅(qū)動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有256細(xì)分，支持無傳感器負(fù)載高精度檢測(cè)，電流自適應(yīng)控制，節(jié)能高效，具有過流、短路和過溫保護(hù)等功能。本文構(gòu)建了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)仿真模型，通過仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性；構(gòu)建了以STM32F103ZET6為主控制器、TC1005為驅(qū)動(dòng)芯片的集控制驅(qū)動(dòng)于一體的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)通信軟件，通過SPI通信實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)智能控制。測(cè)量步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定，拓寬了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的普適性。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由增強(qiáng)型STM32F103x主控制器、 PC上位機(jī)、 JTAG調(diào)試模塊、電源模塊、H橋及兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

TC1005是具有多細(xì)分、高精度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，STM32控制器需要對(duì)TC1005芯片進(jìn)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(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止、加減速和正反轉(zhuǎn)。上位機(jī)設(shè)定好參數(shù)后，上、下位機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，智能化控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行中，TC1005芯片通過采樣電阻檢測(cè)負(fù)載情況，通過SPI接口實(shí)時(shí)反饋到STM32控制器，并在上位機(jī)界面顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控制器

本文中處理器采用增強(qiáng)型STM32F103系列控制器，支持有64kB SRAM，512kB FLASH，3個(gè)SPI接口等，且系統(tǒng)具有功耗低、豐富且高級(jí)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(yùn)行速度更快，有利于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制[15]。

2.2 TC1005步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

TC1005是一款高節(jié)能、多細(xì)分高精度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，提高了系統(tǒng)的可靠性。芯片可以直接連接MOS管，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制；芯片內(nèi)置平均電流斬波算法，使電機(jī)電流的過零點(diǎn)得到了優(yōu)化處理，大大提高了驅(qū)動(dòng)速度；芯片最高支持256細(xì)分，將控制精度精確到微步細(xì)分，降低了累計(jì)誤差，使系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)行配置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和監(jiān)控；芯片具有過流、短路和過溫保護(hù)等功能。TC1005的高節(jié)能、高精度和快速的動(dòng)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(duì)寄存器讀寫數(shù)據(jù)完成的。其配置時(shí)序如圖2所示。將TC1005芯片內(nèi)的SPI接口與內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘保持同步，SPI總線時(shí)鐘SCK設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的一半，才能與主控制器進(jìn)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(shí)鐘時(shí)，保留最小內(nèi)部時(shí)鐘和最大SPI主時(shí)鐘10%的裕量。STM32主控制器向TC1005發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)TC1005的寄存器的讀寫操作，寄存器包括驅(qū)動(dòng)控制寄存器，斬波寄存器，智能寄存器，斜率寄存器，驅(qū)動(dòng)配置寄存器。

圖2 SPI配置時(shí)序圖

圖2中，使能引腳為CSN，低電平有效；時(shí)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(dāng)CSN由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，SCK連續(xù)輸出20個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于20個(gè)數(shù)據(jù)位，同時(shí)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(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路包括驅(qū)動(dòng)主電路和功率轉(zhuǎn)換電路。TC1005驅(qū)動(dòng)主電路如圖3所示，TC1005產(chǎn)生的PWM信號(hào)將作為H橋中MOS管的動(dòng)作信號(hào)。功率轉(zhuǎn)換電路，即H橋電路，是一個(gè)逆變電路，將外部電源提供的直流電逆變?yōu)轵?qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的交流電。

圖3 TC1005驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)與FDD8424H驅(qū)動(dòng)管共同構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路；A+，A-，B+，B-同時(shí)接入FDD8424H 驅(qū)動(dòng)管的輸出端和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的兩相繞組；SRA，SRB是采樣電阻的采樣信號(hào)，芯片取得采樣信號(hào)作電流斬波用，提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片配置完成后，主控制器可以根據(jù)實(shí)際需求發(fā)出控制信號(hào)，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)和加減速。

系統(tǒng)采用二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要雙極性驅(qū)動(dòng)方式才能工作，即繞組在一個(gè)周期內(nèi)需要有正反兩個(gè)方向的電流流通，而系統(tǒng)采用H橋電路解決了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)雙向電流流通的問題；二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要8個(gè)開關(guān)管構(gòu)成2個(gè)H橋。本文中MOS管驅(qū)動(dòng)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(gè)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(jìn)電動(dòng)機(jī)A相H橋驅(qū)動(dòng)電路

圖4中當(dāng)通以正向電流時(shí)，則U1B和U2A開通，當(dāng)通以反向電流時(shí)，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(hù)電阻，采樣電阻用來檢測(cè)電機(jī)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(fù)電壓的影響，采樣值經(jīng)過一個(gè)保護(hù)電阻可以防止芯片損壞。

由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有電磁特性，對(duì)單片機(jī)控制電路有電磁干擾，系統(tǒng)采用光電隔離電路使單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)芯片隔離，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)隔離電路如圖5所示。光耦隔離是為了防止電機(jī)干擾損壞主控制電路和對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形。輸入控制信號(hào)包括：步進(jìn)脈沖信號(hào)STEP+，STEP-；方向信號(hào)DIR+，DIR-；使能信號(hào)ENN+，ENN-。輸入控制信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入TC1005驅(qū)動(dòng)芯片。系統(tǒng)選擇1片EL6N137高速光耦隔離STEP信號(hào)，使信號(hào)耦合后不會(huì)發(fā)生滯后和畸變而影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)；選擇2片EL817普通光耦隔離ENN和DIR信號(hào)。

圖5 光耦隔離電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)遵循ARM CortexTM主控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，CMSIS提出的分層結(jié)構(gòu)把整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分為應(yīng)用層和系統(tǒng)層，應(yīng)用層即上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)層包括設(shè)備層和固件函數(shù)庫，即控制運(yùn)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(jī)界面設(shè)計(jì)

在本文中，上位機(jī)采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了符合控制系統(tǒng)、簡(jiǎn)便可靠的操作界面，通過上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主控制器接收上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的有效控制，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)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(xì)分?jǐn)?shù)、正反轉(zhuǎn)、速度、電流等；設(shè)置完參數(shù)后點(diǎn)擊串口號(hào)和使能按鈕，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能化控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 控制的軟件實(shí)現(xiàn)

3.2 程序流程

系統(tǒng)程序主要由主程序、細(xì)分驅(qū)動(dòng)子程序、參數(shù)配置子程序、脈沖程序、下位機(jī)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(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的流程控制，完成各模塊初始化、定時(shí)器工作方式和中斷方式設(shè)置、子程序調(diào)用、下位機(jī)運(yùn)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(yùn)行程序的可靠性。

圖8 主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)采用MATLAB/Simulink軟件搭建了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)仿真模型，如圖9所示。示波器1輸出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組電流，示波器2輸出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)B相繞組電流。將輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩個(gè)定子繞組的脈沖信號(hào)、給定細(xì)分電流信號(hào)和仿真不同細(xì)分時(shí)輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組電流信號(hào)波形進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)仿真模型

示波器1輸出波形如圖10所示。在2細(xì)分時(shí)，輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)較大。

(a) 脈沖信號(hào)

(b) 給定細(xì)分電流信號(hào)

(c) 2細(xì)分時(shí)輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組的電流信號(hào)

圖102細(xì)分電機(jī)繞組波形

圖11為示波器1輸出波形分別為256細(xì)分時(shí)的波形圖。在256細(xì)分時(shí)，輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2個(gè)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(dòng)也得到改善。

(a) 脈沖信號(hào)

(b) 給定細(xì)分電流信號(hào)

(c) 256細(xì)分時(shí)輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組的電流信號(hào)

圖10和圖11的仿真結(jié)果表明，細(xì)分驅(qū)動(dòng)能使電機(jī)定子相繞組電流變得較平滑，噪聲和振動(dòng)減小，有益于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高精度驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)如圖12所示。實(shí)驗(yàn)采用57HS22A二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(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(hào)頻率設(shè)置為100 Hz，用示波器對(duì)輸入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一相繞組的電壓進(jìn)行測(cè)試。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)

圖13為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在2細(xì)分模式下輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組的電壓波形和系統(tǒng)輸入PWM脈沖信號(hào)波形。

圖13 2細(xì)分A相繞組波形變化

由圖13可知，在2細(xì)分時(shí)，輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲也較大。

圖14為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在256細(xì)分模式下輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組的電壓波形和系統(tǒng)輸入PWM脈沖信號(hào)波形。

圖14 256細(xì)分A相繞組波形變化

由圖14可知，在256細(xì)分時(shí)，輸入到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的電壓波形與仿真結(jié)果(圖11)相比，電機(jī)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(jī)運(yùn)行振動(dòng)和噪聲得到改善。

5 結(jié) 語

本文提出了基于TC1005的二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最小步距角為0.007°，噪聲和振動(dòng)小，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在不同細(xì)分模式下的精準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行。

通過建模與仿真，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)，并測(cè)試了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作狀態(tài)下的繞組波形變化情況。從2細(xì)分和256細(xì)分的實(shí)驗(yàn)波形可以看出，當(dāng)逐漸增加細(xì)分?jǐn)?shù)時(shí)，電機(jī)的振動(dòng)和噪聲會(huì)隨之減小，在256細(xì)分時(shí)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲非常小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠明顯降低低頻振動(dòng)和噪聲。由于MOS管大電流的開、關(guān)斷和電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)等原因，波形有部分毛刺，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然能較好地滿足需求，由此驗(yàn)證了本方案的正確性和可行性。

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