摘  要： 設(shè)計(jì)了一種微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，通過上位機(jī)界面修改步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、細(xì)分系數(shù)。該設(shè)計(jì)以STM32F103T8U6作為主控制器，以A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，上位機(jī)串口界面作為人機(jī)接口界面，詳細(xì)分析步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作原理、各部分接口電路以及控制器設(shè)計(jì)方案。通過實(shí)物設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)任意角度和細(xì)分系數(shù)的控制，并通過精確計(jì)算步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)了任意旋轉(zhuǎn)角度的精確控制，該驅(qū)動(dòng)控制器步進(jìn)角度精度高達(dá)0.112 5度。

　　關(guān)鍵詞： 微型步進(jìn)電機(jī)；STM32F103T8U6；A4988；串口；正反轉(zhuǎn)

0 引言

　　自從上世紀(jì)20年代英國人開發(fā)了步進(jìn)電機(jī)，50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應(yīng)用在步進(jìn)電機(jī)上，并使得步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字化控制更為方便。經(jīng)過不斷改良，今日步進(jìn)電機(jī)已廣泛運(yùn)用在生產(chǎn)過程中要求自動(dòng)化、省人力、效率高的機(jī)器中，尤其在重視速度、位置控制、需要精確操作指令動(dòng)作的靈活控制場(chǎng)合步進(jìn)電機(jī)用得最多。

　　本文旨在以STM32F103T8U6[1]作為A4988[2]控制器，并以A4988作為微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)控制器模塊，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)精確控制微型步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度的功能，并從多方面深入分析A4988的工作原理以及微型步進(jìn)電機(jī)速度控制和步進(jìn)角度精確控制策略[3-4]。

1 A4988的特性和工作原理

　　1.1 A4988的特性

　　A4988是一款完全的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V及±2 A。A4988包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉(zhuǎn)換器是A4988易于實(shí)施的關(guān)鍵。只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步。無須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。A4988界面非常適合復(fù)雜的微處理器不可用或過載的應(yīng)用。在微步運(yùn)行時(shí)，A4988內(nèi)的斬波控制可自動(dòng)選擇電流衰減模式（慢或混合）。在混合衰減模式下，該器件初始設(shè)置為在部分固定停機(jī)時(shí)間內(nèi)快速衰減，然后在余下的停機(jī)時(shí)間慢速衰減。混合衰減電流控制方案能減少可聽到的電動(dòng)機(jī)噪音，增加步進(jìn)精確度并減少功耗。提供內(nèi)部同步整流控制電路，以改善脈寬調(diào)制（PWM）操作時(shí)的功率消耗。內(nèi)部電路保護(hù)包括：帶滯后的過熱關(guān)機(jī)、欠壓鎖定（UVLO）及交叉電流保護(hù)，不需要特別的通電排序。

　　1.2 A4988的工作原理

　　為了更加清晰地分析A4988的工作原理，首先深入分析A4988的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖1所示為A4988的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和典型的外部電路連接圖。

　　由圖1所示，A4988有一個(gè)編譯器（Translator），主要負(fù)責(zé)微控制器和驅(qū)動(dòng)電路的信息交互。通過該編譯器可產(chǎn)生DA信號(hào)，配合比較器輔助PWM鎖存器修復(fù)衰減信號(hào)，并且該編譯器能夠產(chǎn)生邏輯電平控制邏輯控制器，邏輯控制器再配合電流調(diào)節(jié)器和N型MOS管驅(qū)動(dòng)電壓共同驅(qū)動(dòng)兩路全橋電路。電路中所標(biāo)電容必須嚴(yán)格與技術(shù)文檔中所給的相同，Rosc主要更改并修復(fù)衰減模式，接VDD自動(dòng)修復(fù)衰減，接GND電流衰減設(shè)置為增減電流同時(shí)修復(fù)。SENSE1和SENSE2檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輸出電壓，實(shí)則是實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流，供電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出電流信號(hào)，形成閉環(huán)控制。因此SENSE1和SENSE2管腳連接的電阻非常關(guān)鍵，一般這個(gè)電阻的阻值在零點(diǎn)幾歐姆左右。

　　1.3 A4988邏輯控制策略

　　A4988控制邏輯簡(jiǎn)單，主要分為睡眠、正反轉(zhuǎn)、復(fù)位、使能、細(xì)分等模式控制。

　　（1）睡眠模式：Sleep管腳電平置0，進(jìn)入睡眠模式，驅(qū)動(dòng)器輸出待機(jī)模式；Sleep管腳置1，驅(qū)動(dòng)器處于正常工作狀態(tài)；

　　（2）正反轉(zhuǎn)模式：正轉(zhuǎn)模式DIR管腳置0或1，反轉(zhuǎn)模式置1或0；

　　（3）復(fù)位模式：復(fù)位模式下容易消耗能量，產(chǎn)生的沖擊電流較大。直接RESET管腳置1，在不影響系統(tǒng)工作時(shí)RESET管腳置0復(fù)位。一旦驅(qū)動(dòng)芯片復(fù)位，系統(tǒng)將回歸到原始A4988 I/O端口控制狀態(tài)；

　　（4）使能模式：使能模式控制系統(tǒng)是否開始工作，ENBALBE管腳置0開始工作，置1停止工作；

　　（5）細(xì)分模式[5]：通過MS1、MS2、MS3控制細(xì)分系數(shù)，A4988細(xì)分為1/16細(xì)分為最小，通過計(jì)算角度值可得最小細(xì)分角度為全步進(jìn)角度的1/16。A4988驅(qū)動(dòng)邏輯控制如表1所示。

2 控制器電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)A4988芯片的工作原理，控制器電路主要分為上位機(jī)串口模塊、STM32最小系統(tǒng)板模塊和A4988微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過STM32F103T8微控制器接收上位機(jī)的控制指令，通過識(shí)別分析之后執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)控制操作。內(nèi)部步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　（1）串口通信模塊[6]：主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)通信。上位機(jī)通過串口通信模塊發(fā)送相應(yīng)的功能指令給下位機(jī)，下位機(jī)執(zhí)行上位機(jī)的指令并控制A4988驅(qū)動(dòng)器模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。如圖3所示。

　　（2）STM32控制器模塊：微型步進(jìn)電機(jī)控制器的主控模塊，接收上位機(jī)的指令，執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)控制指令，主要控制步進(jìn)電機(jī)細(xì)分操作、速度控制、旋轉(zhuǎn)角度控制。如圖4所示。

　　（3）A4988微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊：如圖5所示,主要控制并驅(qū)動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)，執(zhí)行主控制器的各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)操作。

　　2.2 功能設(shè)計(jì)

　　該微型步進(jìn)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)要求：

　　（1）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制

　　細(xì)分控制只需控制MS1、MS2、MS3三個(gè)引腳即可得到相應(yīng)的細(xì)分結(jié)果。細(xì)分角度值等于步進(jìn)角度乘以細(xì)分系數(shù)，細(xì)分系數(shù)通過上位機(jī)發(fā)送命令得到，初始細(xì)分值為1，即全步進(jìn)方式運(yùn)行。

　　（2）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度控制

　　通過測(cè)試，影響步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的主要因素有步進(jìn)脈沖頻率和細(xì)分系數(shù)。步進(jìn)脈沖頻率過高會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)失步，經(jīng)過測(cè)試400 Hz時(shí)步進(jìn)電機(jī)不會(huì)失步，且經(jīng)過細(xì)分之后步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的震動(dòng)和聲音。當(dāng)細(xì)分系數(shù)越來越小時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度也會(huì)隨之越來越小。此原因之一就是當(dāng)細(xì)分系數(shù)不變時(shí)，每進(jìn)一個(gè)脈沖走一步，脈沖頻率越高，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度越快；原因之二就是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖頻率不變時(shí)，每1/2細(xì)分步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)角度就變?yōu)樵瓉淼?/2度，因此脈沖個(gè)數(shù)就增加了一倍，自然速度就降低為原來的1/2。

　　（3）實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)任意角度旋轉(zhuǎn)控制

　　步進(jìn)電機(jī)任意角度旋轉(zhuǎn)控制是相對(duì)于A4988驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)最小角度（0.1125度）而言，且A4988是通過脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)乘以細(xì)分角度即可得旋轉(zhuǎn)角度值。A4988輸入脈沖個(gè)數(shù)可通過微控制器外部中斷I/O口計(jì)算PWM波個(gè)數(shù)得到。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　STM32F103T8U6是32 bit微控制器，能產(chǎn)生獨(dú)立PWM波，PWM脈寬可調(diào)且頻率可調(diào)，方便步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)試速度；可提供外部中斷為檢測(cè)PWM輸出脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度控制提供精確數(shù)據(jù)，這樣就形成了角度閉環(huán)控制；可提供串口通信，供上位機(jī)設(shè)備和微控制器進(jìn)行信息交互；該微控制器I/O端口少價(jià)格便宜完全可替代16 bit單片機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。STM32控制方式：（1）接收上位機(jī)控制指令并返回接收指令，表示接收成功，否則接收失敗；（2）通過接收到的上位機(jī)控制指令，分別轉(zhuǎn)化成控制步進(jìn)電機(jī)指令，控制步進(jìn)電機(jī)工作模式。

　　3.1 串口通信指令設(shè)計(jì)

　　串口通信上位機(jī)發(fā)送指令有：（1）啟動(dòng)模式；（2）睡眠模式；（3）復(fù)位模式；（4）速度設(shè)置模式；（5）細(xì)分模式。發(fā)送協(xié)議以“{”為起始碼，以“}”為結(jié)束碼，如{+0.1125℃}即正向旋轉(zhuǎn)0.112 5度；當(dāng)下位機(jī)執(zhí)行完上位機(jī)指令時(shí)返回接收指令，否則不返回。具體發(fā)送方式如表2所示。

　　3.2 控制器控制策略

　　STM32軟件負(fù)責(zé)該模塊的主控制器，首先讓啟動(dòng)模式處于非啟動(dòng)狀態(tài)（DISABLE），外部中斷也處于關(guān)閉狀態(tài)。一旦啟動(dòng)模式被打開，即點(diǎn)亮LED；其次，進(jìn)行速度設(shè)置、細(xì)分系數(shù)設(shè)置以及旋轉(zhuǎn)角度設(shè)置。睡眠模式下LED緩慢閃爍。具體該驅(qū)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

　　通過系統(tǒng)對(duì)軟硬件進(jìn)行調(diào)試，該控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度、細(xì)分系數(shù)、任意角度的設(shè)置，并達(dá)到了預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)。此控制器可以應(yīng)用在相對(duì)比較精細(xì)的項(xiàng)目控制中，加快項(xiàng)目研發(fā)周期。該模塊的主要缺陷就是輸出驅(qū)動(dòng)電流不夠大，無法應(yīng)用在扭力比較大的場(chǎng)合中，因此，通過上述對(duì)A4988模塊的分析，可以再對(duì)A4988芯片進(jìn)行改進(jìn)，更換導(dǎo)通電阻小、驅(qū)動(dòng)電流大的MOS管，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

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