基于STM32和TMC5160的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

張 婧，樊艷艷，李 勇

（1.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；2.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 102401）

步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方式容易、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，在各控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化要求的不斷提高，步進(jìn)電機(jī)的控制需求與日俱增，驅(qū)動(dòng)方式也已經(jīng)非常成熟，在舞臺(tái)燈光的控制系統(tǒng)中，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制也成為一種趨勢(shì)。本文主要研究的是基于STM32F103VCT6 單片機(jī)和TMC5160 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，應(yīng)用于舞臺(tái)燈光等控制系統(tǒng)中，是可通過DMX512 通信協(xié)議遠(yuǎn)程控制的低成本，高可靠性的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文中的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的主控制芯片選用STM32系列的STM32F103VCT6 單片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用Trinamic 公司2018 年新推出的TMC5160。

STM32F103 系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32 位處理器芯片，是一款高性價(jià)比、速度快、效率高、外設(shè)功能豐富的單片機(jī)。

圖1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)圖Fig.1 Stepper motor control system diagram

TMC5160 是Trinamic 公司于2018 年推出的帶有串行通信接口的新型單軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有完整的運(yùn)動(dòng)控制功能，配合可外擴(kuò)N 通道MOSFET，每個(gè)線圈的電機(jī)電流可高達(dá)20A，最大電壓60VDC，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電壓和電流規(guī)格的最大化。其將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和專用運(yùn)動(dòng)控制器集成在一塊芯片上，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為平滑、精確、可靠的物理運(yùn)動(dòng)。

本步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，當(dāng)有脈沖輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片通過MOS 管輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。主要通過控制步進(jìn)電機(jī)接收到的脈沖數(shù)來控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)；通過控制步進(jìn)電機(jī)接收的脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)動(dòng)速度和加速度的變化。步進(jìn)電機(jī)接收的脈沖頻率越高其轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，步進(jìn)電機(jī)接收的頻率越低其轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越慢[1]。STM32 單片機(jī)只需給電機(jī)控制芯片TMC5160 輸入方向和脈沖信號(hào)，即可達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

本步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過DMX512 通信協(xié)議，接收遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令，主控制器判斷接收到的信息，確定PWM 波的方向和頻率，通過調(diào)節(jié)輸出PWM波的方法來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制[2]。DMX512 的數(shù)據(jù)傳輸，采用RS485 收發(fā)器，其采用差分的接收方式，信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

如圖1 所示，步進(jìn)電機(jī)控制電路主要由電源輸入轉(zhuǎn)換模塊、RS485 轉(zhuǎn)換模塊、STM32F103 控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片模塊以及MOSFET H 橋式電路組成。其中，SP3485主要負(fù)責(zé)DMX512 協(xié)議的接收[3]，通過撥碼開關(guān)設(shè)置DMX512 的通道編碼，STM32F103 主要負(fù)責(zé)DMX512 協(xié)議的解析，確定電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向和速度，由此產(chǎn)生相應(yīng)頻率的PWM 波。

圖2 TMC5160外圍電路Fig.2 TMC5160 Peripheral circuit

2 系統(tǒng)的硬件部分

STM32F103 控制模塊由基于單片機(jī)STM32F103VCT6的最小系統(tǒng)構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TMC5160 及其外圍電路和MOSFST 橋式電路組成。本電路使用較少的外部器件，如圖2 所示。

本系統(tǒng)采用TMC5160 芯片的SPI/DIR 模式，此模式無(wú)需配置TMC5160 的寄存器，將TMC5160 的21 腳接VCC，22 腳接地，即使SD_MODE=1,SPI_MODE=0，可以通過撥碼開關(guān)進(jìn)行配置；在SPI/DIR 模式下TMC5160 的17 腳為PWM 波的輸入端，18 腳為方向脈沖高低電平的輸入端。

在此模式下，驅(qū)動(dòng)芯片TMC5160 的細(xì)分配置可以通過配置CFG0 和CFG1 實(shí)現(xiàn)，其中MRES 為實(shí)際微步分辨率[4]。

運(yùn)行電流可以通過配置CFG2、CFG3 和CFG4 實(shí)現(xiàn)，IRUN 為電機(jī)運(yùn)行時(shí)的標(biāo)定值，一般在16 ～31 范圍內(nèi)[4]。

CFG5 和CFG6 分別對(duì)應(yīng)TMC5160 的斬波模式選擇和保持電流配置，本系統(tǒng)通過撥碼開關(guān)的設(shè)置，可以自由地進(jìn)行細(xì)分、運(yùn)行電流等配置。

MOSFET 的選擇要考慮很多因素，包括封裝尺寸、額定電壓、導(dǎo)通電阻等。根據(jù)所需的電流、電壓，選擇擁有快速恢復(fù)特性和低反向恢復(fù)電荷的AO4842 MOS 管組成H橋，可驅(qū)動(dòng)兩相四線步進(jìn)電機(jī)。AO4842 為貼片型SOP8 封裝，允許更緊湊的PCB 布線，同時(shí)降低寄生電感效應(yīng)；R3、R4、R5、R6、R13、R14、R15、R16 為MOSFET 柵極電阻RG，當(dāng)使用相對(duì)較小的MOSFET 時(shí)，軟斜率控制需要串聯(lián)較高的柵極電阻RG，這關(guān)系到能否安全地關(guān)斷MOSFET，要添加額外的二極管，以確保MOSFET 在緩慢切換斜率下的安全關(guān)斷。

表1 驅(qū)動(dòng)芯片細(xì)分配置Table 1 Driver chip breakdown configuration

表2 驅(qū)動(dòng)芯片運(yùn)行電流配置Table 2 Drive chip running current configuration

圖3 MOSFET橋式電路Fig.3 MOSFET Bridge circuit

表3 采樣電阻的選擇對(duì)應(yīng)最大的電機(jī)電流（GLOBALSCALER=255）Table 3 Selection of the sampling resistor corresponds to the maximum motor current (GLOBALSCALER = 255)

TMC5160 有幾種設(shè)置電機(jī)電流的方法：電流標(biāo)定器CS、采樣電阻等。本系統(tǒng)通過采樣電阻（R7、R8、R9、R10）設(shè)置電機(jī)線圈的電流，電阻與電機(jī)電流對(duì)應(yīng)的關(guān)系見表3[4]。

由于電機(jī)的電流全部流過采樣電阻，所以選擇采樣電阻要仔細(xì)考慮，可選擇薄膜電阻或碳晶實(shí)心電阻，以抑制電壓尖峰引起的振鈴；在設(shè)計(jì)PCB 時(shí)，要注意將采樣電阻和所有濾波電容盡可能地靠近MOS 管放置，并且地線采用大面積鋪銅的方式，以降低電阻、電感，增大散熱面積。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件通過C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，在Keil uVision5 軟件，設(shè)計(jì)了初始化模塊、定時(shí)器中斷模塊、DMD512 通訊和協(xié)議解析模塊、電機(jī)控制模塊。

3.2 電機(jī)控制單元PWM波的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)階段頻率過高或者頻率降低過快，會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)震蕩或者丟步的現(xiàn)象，所以步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)要有頻率逐漸增加的過程，停止時(shí)也要有緩慢降低頻率的過程。一般步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程為3 個(gè)階段：加速、勻速、減速。步進(jìn)電機(jī)的控制算法常用的有梯形算法、“S”型函數(shù)法、SPTA 算法等。

本控制系統(tǒng)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，采用梯形加速的方式實(shí)現(xiàn)。以電機(jī)運(yùn)動(dòng)一定的距離為例，即電機(jī)接收定量脈沖，在此過程中電機(jī)先由低速啟動(dòng)，按照一定的加速度加速，然后勻速運(yùn)動(dòng)，快到目標(biāo)位置的時(shí)候，按一定的加速度減速，最終到目標(biāo)位置停止。

圖4 梯形加減速波形圖Fig.4 Trapezoidal acceleration / deceleration waveform

梯形加減速的過程如圖4 所示。在加速階段和減速階段將時(shí)間分成很多等分，先通過DMX512 得到梯形加速的斜率設(shè)置，即通過確定加減速的時(shí)間AddTimer，繼而確定加減速的級(jí)數(shù)Ladder_Num，然后得到初始頻率StartFreq 和目標(biāo)頻率TargetFreq 的差值，這個(gè)差值除以加減速的級(jí)數(shù)，就得到了每次頻率增加或減少的數(shù)值。

Ladder_Num=AddTimer/10;//加減速級(jí)數(shù)

j=(TargetFreq-StartFreq)/LadderNum;

可以由此得到加減速各個(gè)階梯的頻率LadderFreq，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)的定時(shí)器的預(yù)分頻的值LadderPSC。

for(i=0;i

{

LadderFreq[i]=i*j+StartFreq;//加減速各階梯頻率

LadderPSC[i]=(6000000/LadderFreq[i])-1;

//加減速各階梯頻率對(duì)應(yīng)定時(shí)器預(yù)分頻值

}

本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)單片機(jī)定時(shí)器的方式調(diào)整PWM 波，得到輸出頻率，使用的定時(shí)器3，根據(jù)調(diào)整定時(shí)器預(yù)分頻的值的方式，來調(diào)整PWM 波的輸出頻率。在使用定時(shí)器之前要注意以下設(shè)置：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =TIM3_PSC;

//設(shè)置用來作為TIM3 時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //設(shè)置TIM 向上計(jì)數(shù)模式

3.3 DMX512通訊和協(xié)議解析模塊

單片機(jī)STM32F103VCT6 通過串口定時(shí)器中斷服務(wù)解析DMX512 協(xié)議，部分串口程序如下：

void UART4_IRQHandler(void)

{

static u16 i=0;

static u16 UART_REG=0;

static u16 CODE_Data=0;

static u8 RXB8=0;

if(USART_GetFlagStatus(UART4, USART_FLAG_RXNE)!= RESET)

{

UART_REG = USART_ReceiveData(UART4);

RXB8 = (u8)((UDR>>8)&0x01);

if(RXB8)

{

DMXSignalFlag = YES;

RXD_Data[i]=(u8)(UART_REG); //DMX512 寄存器

if(++i>=512) i=0;

}

else

{

CODE_Data = UART_REG;

if(CODE_Data==0)

{

i=0;

CODE_Data=0x1ff;

}

}

}

if(USART_GetITStatus(UART4, USART_IT_TXE) !=RESET)

{

USART_ITConfig(UART4, USART_IT_TXE,DISABLE);//清中斷

}

}

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一款基于STM32F103VCT6 單片機(jī)和TMC5160 的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，主要介紹了系統(tǒng)的硬件電機(jī)控制電路，通過梯形加減速，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)控制，降低了步進(jìn)電機(jī)的控制成本，可廣泛應(yīng)用于舞臺(tái)、噴泉等控制系統(tǒng)。