基于PIC24F的無線步進電機控制器

孫智威++劉西安++陳萍++陳紅玲

摘要：介紹了一種基于PIC24F單片機、藍牙無線通信、手機端APP控制的步進電機控制器設(shè)計，采用雙H橋驅(qū)動、光耦隔離，具備電機參數(shù)檢測、無共態(tài)導(dǎo)通、兼容24V以下步進電機等特點。

關(guān)鍵詞：步進電機；驅(qū)動；H橋

中圖分類號：TM301 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）03-0236-02

步進電機廣泛運用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中，其精度高，運行可靠，是各種自動化控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本文以小功率兩相步進電機為對象，介紹了一種基于PIC24F單片機，采用藍牙無線通信、手機端APP控制的步進電機控制器設(shè)計，硬件部分包括步進電機驅(qū)動電路、電機電壓電流檢測電路、MCU控制電路、電源電路以及機殼溫度監(jiān)測電路，結(jié)合所設(shè)計的軟件和手機端APP，實現(xiàn)了步進電機的無線控制及參數(shù)檢測。

1 總體方案設(shè)計

本方案以16位單片機PIC24FJ64GA004為控制核心，通過藍牙模塊接收來自手機端APP的控制指令，單片機經(jīng)光耦PC817連接MOS管雙H橋電路驅(qū)動步進電機，控制步進電機的正反轉(zhuǎn)、加減速等動作。同時，DS18B20溫度傳感器監(jiān)測機殼溫度，電機參數(shù)檢測電路檢測步進電機的電壓和相電流，經(jīng)MCU進行A/D采樣、濾波處理后通過藍牙模塊上傳至手機端，從而實現(xiàn)步進電機的控制和在線監(jiān)測功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

2 硬件設(shè)計

2.1 步進電機驅(qū)動電路

在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計步進電機驅(qū)動電路。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅(qū)動電路是成熟的電機控制方案，電路不復(fù)雜，性能可靠，根據(jù)MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達數(shù)十安培，是理想的步進電機驅(qū)動器方案。

MOS管H橋驅(qū)動電路有NMOS構(gòu)型和PMOS+NMOS構(gòu)型，全NMOS管H橋?qū)娮韪。蠘虮鄣腘MOS管的導(dǎo)通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復(fù)雜程度和成本，我們采用PMOS+NMOS構(gòu)型方式搭建雙H橋步進電機驅(qū)動電路，電路更簡潔，成本更低；且在這樣的小電流工作場合，PMOS所增加的導(dǎo)通損耗可以忽略不計。驅(qū)動電路與MCU之間進行光電隔離，選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門（74HC08D），為驅(qū)動電路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信號才是有效的，使步進電機運行更安全穩(wěn)定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數(shù)為55V、110A，TO252貼片封裝。步進電機驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。

2.2 電機參數(shù)測量電路

為了實時監(jiān)測步進電機的運行狀態(tài)是否正常，為驅(qū)動器設(shè)計了電機參數(shù)測量功能、通過實時監(jiān)測電機的工作電壓、工作相電流和機殼溫度來實時獲取電機的運行參數(shù)，保證電機運行安全穩(wěn)定。

電機電流采樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度范圍寬，溫度系數(shù)僅為-40～40*10-6/℃，是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調(diào)理電路采用LM324運放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內(nèi)置10Bit A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D采樣。機殼溫度監(jiān)測選用數(shù)字溫芯片DS18B20，將其貼至電機外殼表面，實時監(jiān)測溫度參數(shù)并送入MCU。電機參數(shù)檢測電路原理圖如圖3所示。

在進行電路設(shè)計時，使用0歐姆電阻將模擬地（AGND）和數(shù)字地（GND）單點連接，以降低相互干擾，提高電路性能。

2.3 電源及MCU控制電路

系統(tǒng)中，驅(qū)動電路用輸入電壓供電，MCU和藍牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率低、尺寸大且發(fā)熱嚴(yán)重，因此使用DC—DC開關(guān)電源方式提供3.3V電壓。開關(guān)穩(wěn)壓芯片選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達1.4MHZ，極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。

藍牙選用HC-05模塊，串口自動發(fā)送。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖4。

3 軟件設(shè)計

3.1 無線步進電機驅(qū)動器軟件設(shè)計

主控芯片通過藍牙模塊經(jīng)串口接收來自手機APP的電機控制指令，以此控制電機轉(zhuǎn)速、步數(shù)、轉(zhuǎn)動方向等參數(shù)；同時將采集到的電機參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波后通過藍牙模塊發(fā)送至手機端。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

3.2 手機端APP軟件設(shè)計

手機端APP基于中文編程環(huán)境“易安卓”開發(fā)，純中文編程，上手快，減少了開發(fā)難度。軟件可配置電機步數(shù)、速度、轉(zhuǎn)動方向等參數(shù)，并通過藍牙發(fā)送至控制器；同時接收控制器發(fā)送的電機參數(shù)，并對參數(shù)進行解碼、顯示、保存。手機端APP如圖6所示。

4 結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)了以PIC24FJ64GA004單片機為控制核心，MOS管雙H橋驅(qū)動，電機電壓、電流、溫度采集，藍牙傳輸?shù)臒o線步進電機控制器。并通過C語言開發(fā)了控制器程序，通過中文語言“易安卓”完成了手機端APP設(shè)計，實現(xiàn)了步進電機的低成本無線控制。

參考文獻：

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