智能步進電機控制器設(shè)計

南陽防爆集團股份有限公司 劉平順

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 喬鳳杰

智能步進電機控制器設(shè)計

南陽防爆集團股份有限公司 劉平順

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 喬鳳杰

本設(shè)計是根據(jù)現(xiàn)實生活中常用的步進電機和常用功能設(shè)計的驅(qū)動器，設(shè)計的主要目的是解決步進電機驅(qū)動器功能單一和生產(chǎn)成本的問題。設(shè)計中采用AT89S52單片機芯片作為核心控制模塊，驅(qū)動芯片采用帶細分功能的TB6560AHQ芯片，最多可達16細分，且自帶正弦波電流驅(qū)動，存儲芯片采用24C04。最終系統(tǒng)可以實現(xiàn)多模式選擇，圈數(shù)、速度設(shè)定和存儲，低速自動細分，各種數(shù)據(jù)的液晶顯示，過熱和掉電保護等功能。

步進電機；細分驅(qū)動；多模式；數(shù)據(jù)存儲

1.引言

步進電機驅(qū)動器是步進電機控制系統(tǒng)的核心，步進電機能否更好的應(yīng)用，很大程度上取決于步進電機驅(qū)動器的水平。伴隨著步進電機的產(chǎn)生，步進電機驅(qū)動器就一直在不斷發(fā)展和進步，目前國內(nèi)外步進電機驅(qū)動器種類很多，但是大部分功能比較單一，很多是針對固定的步進電機或者固定的應(yīng)用領(lǐng)域，而且價格一般較高，很多不帶細分功能，很難滿足現(xiàn)實生活中需要靈活應(yīng)用且成本較低的場合。

本設(shè)計的目的就是解決現(xiàn)實生活中需要靈活應(yīng)用和低成本的問題，并且是使用應(yīng)用最廣泛的混合式步進電機而制作的步進電機控制器，步進電機采用三洋公司的2-4相兩用混和式步進電機。系統(tǒng)可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，多模式選擇，圈數(shù)、速度設(shè)定和存儲，速度調(diào)節(jié)范圍寬，低速自動細分，輸出轉(zhuǎn)矩大且可調(diào)，各種數(shù)據(jù)的液晶顯示，過熱和掉電保護等功能。

2.設(shè)計分析與方案的確定

2.1 設(shè)計方案

方案1：細分完全靠軟件實現(xiàn)，驅(qū)動電路采用三極管和A/D轉(zhuǎn)換芯片；脈沖用單片機的定時器產(chǎn)生；顯示采用數(shù)碼管；存儲采用單片機內(nèi)部的特殊存儲單元。這種方法側(cè)重于軟件設(shè)計，當脈沖太快時，定時器中斷就會和細分程序產(chǎn)生沖突，造成程序的混亂；存儲的數(shù)據(jù)容易丟失；顯示內(nèi)容比較單一；控制的實時性不易保證，調(diào)試也比較煩瑣，可靠性較低；而且效率較低，大部分能量消耗在三極管得發(fā)熱上。

方案2：驅(qū)動電路采用東芝公司最新推出的步進電機驅(qū)動芯片TB6560AHQ，它內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動；最高耐壓40V，單相輸出最大電流3.5A(峰值)；具有整步、1/2、1/8、1/16細分方式；內(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護；配合單片機可以實現(xiàn)自動細分、電流和力矩自動控制、過流和溫度過高自動保護等功能。掉電存儲電路采用Atmel公司的AT24C04（EEPROM）；顯示電路采用1602液晶顯示模塊；輸入設(shè)備采用4*4矩陣鍵盤。

2.2 方案對比及確定

用分立元件做的驅(qū)動電路比較復(fù)雜，調(diào)試繁瑣，如果設(shè)計的電路稍有瑕疵，就會造成故障率急劇上升，效率較低，很大一部分能量浪費在驅(qū)動電路上，而且很難實現(xiàn)細分和正弦波電流驅(qū)動。集成芯片驅(qū)動方式具有外圍電路簡單，調(diào)試容易，穩(wěn)定性高，效率高，體積小，功能齊全等優(yōu)點，能做到自動細分和正弦波電流驅(qū)動，但是功率一般不能做的很大。

當速度增大時單片機定時器中斷較快，因此細分不能全部用軟件實現(xiàn)，若使用三極管和A/D轉(zhuǎn)換芯片時必須大量依靠軟件實現(xiàn)細分；圈數(shù)和速度必須牢靠的存儲起來，方便應(yīng)用，因此必須使用專業(yè)的掉電存儲芯片；使用中必須實時顯示速度和圈數(shù)，因此應(yīng)該選用能顯示多個數(shù)據(jù)的1602液晶顯示模塊；使用中對穩(wěn)定性和實用性有很高的要求，使用集成芯片外圍電路簡單、功能強大，可以把單片機大量的資源用在其他地方，不僅增加了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和實用性，而且還能增加許多其他功能，使系統(tǒng)的實用性更強。

表1 力矩控制選擇模式

表2 電流衰減控制

圖1 總體設(shè)計框圖

所以綜合以上情況考慮，選用方案2來設(shè)計步進電機智能控制器?？傮w設(shè)計框圖如圖1。

3.主要模塊設(shè)計

3.1 驅(qū)動模塊

3.1.1 TB6560AHQ簡介

TB6560AHQ是東芝公司最新推出的步進電機驅(qū)動芯片，通過采用BICD工藝將低電阻與高許可損耗封裝相結(jié)合，使其與其它同類產(chǎn)品相比能夠極大減少熱量的產(chǎn)生，還能支持使用時鐘輸入控制的無微控制器應(yīng)用環(huán)境下的微步驅(qū)動。自動產(chǎn)生純正的正弦波控制電流，與其它高集成度步進電機控制芯片相比，在相同高轉(zhuǎn)速下力矩不但不會下降，反而有所增加；支持各種步進電機選型。

圖2 TB6560AHQ驅(qū)動電路

圖3 細分函數(shù)流程圖

TB6560AHQ的主要特點有：

●內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動；

●最高耐壓40V，單相輸出最大電流3.5A(峰值)；

●具有整步、1/2、1/8、1/16細分方式；

●內(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；

●具有過流保護。

3.1.2 硬件電路的設(shè)計及驅(qū)動原理

驅(qū)動芯片硬件電路如圖2。

圖4 掉電存儲電路

圖5 液晶顯示電路

圖6 矩陣鍵盤

工作原理如下：M1（22）和M2（23）引腳通過單片機的程序控制細分，共有2、8、16三種細分模式，CW/CCW(21)引腳控制電機的正反轉(zhuǎn)，當需要正轉(zhuǎn)時單片機P1.2輸出高電平，需要反轉(zhuǎn)時輸出低電平；PROTECT（19）引腳是芯片的保護輸出端，當芯片正常工作時由于上拉電阻的作用，單片機P1.3口采集到高電平，當芯片過熱保護時，把單片機P1.3口拉低，此時可令程序斷開所有輸出，從而保護芯片；MO（17）引腳是芯片初始化引腳，芯片初始化結(jié)束后會輸出低電平，通過這個引腳單片機可以查詢芯片初始化是否結(jié)束。

TQ2(1)和TQ1(2)控制驅(qū)動芯片的輸出電流，通過這兩個端的選擇可以選擇不同的工作電流，具體選擇模式如表1?？梢酝ㄟ^J1和J2跳線選擇最大電流的100%、75%、50%和25%。改變電機的驅(qū)動電流也就改變了電機力矩的大小。

DCY2（24）和DCY1（25）是電流衰減模式控制端，通過這兩個端的選擇可以選擇不同的衰減模式，具體模式如表2?？梢酝ㄟ^J3和J4跳線選擇0、25%、50%和100%四種衰減模式。

圖7 主程序流程圖

圖8 加速曲線流程圖

由于電機本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進電機可能會產(chǎn)生高頻噪聲，通過選擇不同的電流衰減模式可以很好的降低甚至消除這種噪聲。

OSC(7)引腳是斬波頻率控制端，所接電容的大小可以控制斬波頻率的大小。當所驅(qū)動的步進電機固定后，電容值也隨之確定。

當單片機上電后，在初始化程序中對芯片進行復(fù)位(把RESET(5)拉低，然后再置高電平)，當檢測到M0(17)出現(xiàn)低電平時，表示芯片已經(jīng)初始化。然后根據(jù)按鍵輸入或者24C04存儲的信息輸出脈沖，芯片在脈沖的作用下產(chǎn)生正弦波驅(qū)動電流，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。在芯片運行期間，保持ENABLE(4)引腳為高電平；當按下停止鍵或者PROTECT（19）引腳出現(xiàn)低電平時，保持ENABLE(4)引腳為低電平，斷開所有輸出。

3.1.3 軟件程序流程

驅(qū)動芯片的控制程序采用C語言進行程序設(shè)計，便于主程序的調(diào)用，程序流程如下：

⑴初始化TB6560AHQ；

⑵根據(jù)速度的大小定義芯片細分管腳；

⑶發(fā)送脈沖和正反轉(zhuǎn)信號；

⑷監(jiān)控芯片保護端，當溫度過高時自動斷開所有輸出。

驅(qū)動芯片的細分程序流程圖如圖3所示。

驅(qū)動芯片TB6560AHQ自帶2、8、16三種細分模式，單片機通過M1（22）和M2（23）兩個引腳可以實現(xiàn)對細分的控制。在程序設(shè)計中定義了一個細分標志位t2，當執(zhí)行完上述程序后t2會自動的被覆上細分值，在圈數(shù)程序處理單元，把t2自動的乘上，因此就能實現(xiàn)在細分情況下，速度和圈數(shù)的準確對應(yīng)。

3.2 掉電存儲模塊

3.2.1 硬件電路設(shè)計

掉電存儲模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C04芯片，它的容量是512字節(jié)×8位，既4k位，對于本系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了。電路的連接如圖4所示。

電路中的SDA接單片機的P3.0口，SCL接單片機的P3.1口，由單片機模擬I2C的工作與存儲芯片進行通信；上拉電阻如4圖所示，選用5.1k的普通電阻。

3.2.2 軟件程序設(shè)計

3.3 顯示模塊

3.3.1 硬件電路的選擇與設(shè)計

顯示電路使用RT1602C顯示模塊，其接線圖如圖5。

3.3.2 顯示設(shè)置

本設(shè)計中，0—04h顯示"MODE"；06h—0Bh顯示"SPEED:"；0Ch—0Eh顯示三位速度值；然后第二行和第一行對應(yīng)顯示模式、圈數(shù)。

設(shè)計中采用P2口作為數(shù)據(jù)口；采用P3.5、P3.6、P3.7三個接口作為控制接口，通過設(shè)置電平高低控制1602的工作狀態(tài)。

3.4 單片機最小系統(tǒng)模塊

3.4.1 硬件電路中晶振選擇

單片機的外圍電路選擇：因為步進電機運行時的速度靠定時器的定時中斷產(chǎn)生，因此中斷頻率要求高一些，所以晶振選用24MHZ。電容選用30PF的瓷片電容。

3.4.2 定時器初值計算

根據(jù)所用步進電機(三洋公司的2-4相兩用混和式步進電機)的資料進行分析和現(xiàn)場試驗得出：當用四相四拍方式運行時，每個脈沖周期走過1.8°，也就是200個脈沖周期走一圈；當用兩相兩拍(本設(shè)計所選驅(qū)動芯片驅(qū)動方式)時，每個脈沖周期走過0.9°，也就是400個脈沖周期走一圈。當使用細分驅(qū)動時，脈沖數(shù)還要乘上細分數(shù)。

因此可以得出公式如下：

式中：S—速度，單位：圈數(shù)/分；M—定時器每分鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)；N—細分數(shù)，有2、8、16三種。

脈沖的周期：

式中：P—脈沖的周期，單位：毫秒；定時器定時時間：T=P/2。

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得出：

根據(jù)定時器計算公式：

式中：T0—定時器初值；振蕩周期—1/24MHZ。

根據(jù)公式(3)和公式(4)可以得出：

當S=100轉(zhuǎn)/分，T=2.5ms；當S=200轉(zhuǎn)/分，T=1.5ms。

根據(jù)定時器計算軟件，根據(jù)T可以得出對應(yīng)的定時器T0初值。因此把T0初值和S帶入公式(4)，并經(jīng)過修正，可以得出：

這樣就可以根據(jù)速度自動求出定時器初值：

3.4.3 圈數(shù)計算

由3.4.2的介紹可以得出每400個脈沖周期走一圈。當使用細分驅(qū)動時，脈沖數(shù)還要乘上細分數(shù)。可以在程序中設(shè)置一個標志位，標志位初值為0，每產(chǎn)生一個定時器中斷，標志位就自動加1，當標志位的值和400*N(N：細分數(shù))的值相等時，就表示走過了一圈，此時圈數(shù)自動減1或者加1，標志位自動清零。

3.5 按鍵模塊

使用4*4矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，[4]硬件電路如圖6，可以很方便的輸入各種數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種操作，方便用戶使用。

其中數(shù)字鍵10個，用來輸入圈數(shù)和速度值、模式選擇鍵1個，用來選擇模式(共有2種模式：模式1和模式2。模式1能進行存儲；模式2不能存儲)、正轉(zhuǎn)鍵1個，按下后電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)鍵1個，按下后電機反轉(zhuǎn)、停止鍵1個，按下電機停止轉(zhuǎn)動、確定鍵1個，用來把輸入的圈數(shù)和速度值寫進程序的相應(yīng)位置、調(diào)整鍵1個，按下后進行速度和圈數(shù)的設(shè)定。

由于按鍵較多且各自都具有自己獨立的功能，在聯(lián)合調(diào)試時經(jīng)常出現(xiàn)按鍵混亂的現(xiàn)象，因此解決的辦法是在程序中增加按鍵判斷標志位，當進行設(shè)置速度、圈數(shù)時用對應(yīng)標志位屏蔽正、反轉(zhuǎn)按鍵，當電機運行時用標志位屏蔽設(shè)置按鍵的操作。

4.主程序設(shè)計

主程序模塊中包含了系統(tǒng)初始化、速度和圈數(shù)采集、定時器初值計算、按鍵的判斷、驅(qū)動芯片控制、以及各個模塊的調(diào)用等。其中定時器用的是單片機16位的定時器3。主程序流程圖如圖7所示。

5.聯(lián)合調(diào)試

5.1 細分的實現(xiàn)

步進電機細分技術(shù)是步進電機控制器的重要性能指標，細分可以有效降低步進電機運行時的震動和噪音，特別是低速狀態(tài)下。

但是，當電機需要高速運轉(zhuǎn)時，過多的細分會限制速度的提高，而且，在電機高速運轉(zhuǎn)的時候細分的效果已經(jīng)不太明顯，因此，什么狀態(tài)下細分、細分數(shù)的多少是細分驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵點。本設(shè)計通過軟、硬件聯(lián)合實現(xiàn)細分驅(qū)設(shè)置細分數(shù)。因此可以達到很好的驅(qū)動效果。以八細分為例，通過細分可以很明顯觀察到細分后電流變化的效果，本來每個脈沖對應(yīng)的是一個方波的輸出，現(xiàn)在經(jīng)過8細分后每個脈沖只能達到原來的1/8，這樣電機的步進角就變?yōu)樵瓉淼?/8，而且根據(jù)速度的大小程序會自動的精度就提高為原來的8倍。這樣就很好的解決了電機在低速時的震動和精度問題。本設(shè)計采用軟硬件聯(lián)合實現(xiàn)細分實現(xiàn)容易、可靠性高，具有很好的應(yīng)用價值。

5.2 正弦波驅(qū)動電流的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的控制器由于種種原因大部分采用方波驅(qū)動，方波驅(qū)動實現(xiàn)容易。但是噪音和振動很大，而且不可能使轉(zhuǎn)速做的很高，輸出力矩也較小。正弦波驅(qū)動可以顯著提高步進電機的運行性能，可以增加電機的轉(zhuǎn)矩，可以提高空載轉(zhuǎn)速，可以降低電機運行時的震動和噪音，因此是新型控制器的首選方案。

5.3 加速曲線的設(shè)計

步進電機在啟動的時候很重要的一個性能指標就是空載啟動頻率，在現(xiàn)實應(yīng)用中，特別是需要高速運動的場合，直接啟動頻率更是決定了步進電機控制器的應(yīng)用領(lǐng)域。提高電機啟動頻率的方法基本上有兩種：使用更好電流驅(qū)動波形和做一個加速曲線。本設(shè)計所用的電機在使用方波電流驅(qū)動和沒有加速曲線的情況下直接啟動的速度最高為200轉(zhuǎn)/分。本設(shè)計采用TB6560AQH驅(qū)動芯片，它內(nèi)部自帶正弦波電流驅(qū)動波形，能很好的提高步進電機的啟動頻率，但是經(jīng)過多次的實驗得出也只能提高到300轉(zhuǎn)/分左右，還是差強人意。

最終使用階躍式加速，速度一階一階遞進式加速，這種方法易于實現(xiàn)，占用單片機資源較少，但是用這種方法時如果階躍得速度過大，電機會出現(xiàn)震動和噪聲。

但是為了不使電機出現(xiàn)震動和噪音，本設(shè)計在單片機資源允許的前提下使速度階躍盡可能的小。具體的做法是：單片機上電工作后首先對速度進行比較，以200轉(zhuǎn)/分為基準，如果速度小于200轉(zhuǎn)/分則完全可以直接啟動，不需要加速曲線；當速度高于200轉(zhuǎn)/分時，首先把速度差求出來，讓定時器首先以200轉(zhuǎn)/分的速度產(chǎn)生脈沖，在定時器中斷函數(shù)中根據(jù)速度差把速速逐漸提高，直到速度差為零。具體的流程圖如圖8。

5.4 本設(shè)計達到的主要性能指標

⑴運行速度精度：可以使速度精度達到96%以上(速度精度=實際速度/設(shè)定速度*100%)。

⑵最大空載起動頻率：可達到的最大空載啟動頻率為1.5KHZ。

⑶最大空載的運行頻率：最大空載運行頻率3KHZ。

⑷運行矩頻特性：本設(shè)計由于沒有專業(yè)的轉(zhuǎn)矩測試儀器，因此無法給出準確的轉(zhuǎn)矩數(shù)值，轉(zhuǎn)矩變化時的頻率為800HZ。

6.結(jié)論

步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)研究步進電機驅(qū)動器的科研單位和公司很多，但是功能大多單一化，很多都是只能驅(qū)動固定用途的步進電機，且多不帶細分，價格較貴。很難滿足社會生活中需要靈活運用、低成本且功能要求較全的場合。

本設(shè)計是根據(jù)現(xiàn)實生活中常用的步進電機和常用功能設(shè)計的驅(qū)動器，設(shè)計的主要目的是解決步進電機驅(qū)動器功能單一和生產(chǎn)成本的問題。

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喬鳳杰（1986—），男，河南安陽人，現(xiàn)就讀與中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院。