基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

熊遠(yuǎn)生，劉春元，蔡偉忠

（嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，嘉興 314001）

0 引言

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和輸入驅(qū)動(dòng)脈沖的個(gè)數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)動(dòng)速率可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率來(lái)控制，有較高的定位精度，無(wú)位置累積誤差及特有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行機(jī)制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，可減少系統(tǒng)成本，并提高了可靠性，具有較高的控制精度；因此，在精度要求不高的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，在工業(yè)領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[1,2]。

為進(jìn)一步提高控制精度，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器一般提供三個(gè)輸入接口信號(hào)，ENA信號(hào)為脫機(jī)信號(hào)（低電平有效），當(dāng)此輸入控制端為低時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁電流被關(guān)斷，電機(jī)處于脫機(jī)自由狀態(tài)，此信號(hào)在大多數(shù)應(yīng)用時(shí)一般懸空，DIR信號(hào)方向電平信號(hào)輸入端，高低電平控制電機(jī)正/反轉(zhuǎn)，PUL步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入，每個(gè)信號(hào)提供兩個(gè)輸入端，內(nèi)部用光耦實(shí)現(xiàn)隔離。

在工業(yè)控制中，有很多應(yīng)用場(chǎng)合需要在上位機(jī)控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)工作，如在水位傳感器的初始螺栓位置調(diào)整中，為提高工作效率，希望10個(gè)步進(jìn)電機(jī)在上位機(jī)控制下帶動(dòng)10個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行位置調(diào)整。但是上位機(jī)一般不能直接連接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，通常采用PLC的普通輸出端口連接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的DIR信號(hào)，PLC的脈沖輸出端口連接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的PUL信號(hào)，PLC與上位機(jī)之間通過(guò)RS485連接。但PLC價(jià)格相對(duì)較貴，編程靈活性不高。

本文針對(duì)在控制中需要控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器，采用RS485與上位機(jī)相連，STM32輸出端口經(jīng)過(guò)放大后連接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的DIR信號(hào)和PUL信號(hào)，將FreeModbus協(xié)議移植到STM32上，使用Modbus協(xié)議和上位機(jī)通信，接收DIR信號(hào)、PUL信號(hào)和設(shè)置參數(shù)等信息，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)輸出脈沖頻率可調(diào)、已輸出脈沖個(gè)數(shù)可查詢、輸出脈沖可終止等功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

在需要上位機(jī)對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的場(chǎng)合，系統(tǒng)應(yīng)用方案如圖1所示，上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)485和N個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行485組網(wǎng)，上位機(jī)使用Modbus協(xié)議和N個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器進(jìn)行通信，步進(jìn)電機(jī)控制器在收到方向和轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)等信息后，將方向信號(hào)以高低電平的形式發(fā)送給相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，將轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)以脈沖個(gè)數(shù)的形式發(fā)送給相應(yīng)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器在方向信號(hào)和脈沖信號(hào)的控制下，帶動(dòng)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)由24V供電，經(jīng)過(guò)降壓處理后提供5V和3.3V直流電，上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)485接口后與步進(jìn)電機(jī)控制器的RS485接口連接，STM32的IO口經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)輸出接口連接細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的ENA、DIR和PUL接口，撥碼開(kāi)關(guān)輸入用于設(shè)置步進(jìn)電機(jī)控制器地址。

圖2 基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器硬件框圖

系統(tǒng)電源電路如圖3所示，該電路主要是由78M05和LM1117兩個(gè)三端穩(wěn)壓器構(gòu)成。24V的直流電壓經(jīng)過(guò)78M05穩(wěn)壓器降壓變成5V，其中D1是整流二極管，R1、R2和R3起分壓散熱的作用，5V電壓再經(jīng)過(guò)LM1117-3.3穩(wěn)壓器降成3.3V。

圖3 電源電路

CPU電路如圖4所示，采用STM32F030F4P6芯片作為主控芯片，以RC電路作為上電復(fù)位電路，時(shí)鐘電路采用8MHz晶振，引出SW接口作為調(diào)試借口，對(duì)CPU的BOOT0引腳采用跳線的方法，根據(jù)需要可接高電平或低電平，采用一個(gè)發(fā)光二極管LED1對(duì)3.3V電源進(jìn)行指示。

485接口電路如圖5所示，采用SP3485實(shí)現(xiàn)串口到485的轉(zhuǎn)換，采用STM32F030F4P6芯片PA0腳控制傳輸方向，R22和R20分別起到上拉電阻和下拉電阻的作用，R21做為終端匹配電阻，只是在網(wǎng)絡(luò)的首末端才焊接。F1和F2為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，和T1、T2一起對(duì)電路起保護(hù)作用。

輸出接口電路如圖6所示，采用三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入光耦，STM32F030F4P6芯片的I/O口通過(guò)控制三極管的基極實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入光耦的通斷控制，將電平信號(hào)和脈沖信號(hào)傳送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

圖4 CPU電路

圖5 485接口電路

圖6 輸出接口電路

撥碼開(kāi)關(guān)電路如圖7所示，采用上拉電阻的方法，當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)OFF時(shí)，程序中對(duì)相應(yīng)輸入復(fù)位，撥碼開(kāi)關(guān)ON時(shí)，程序中對(duì)相應(yīng)輸入置位。1～5位撥碼開(kāi)關(guān)用于地址輸入，分別對(duì)應(yīng)1～32，當(dāng)1～5位撥碼開(kāi)關(guān)全OFF時(shí)，對(duì)應(yīng)地址為32，其余地址直接對(duì)應(yīng)其輸入二進(jìn)制的組合。

圖7 撥碼開(kāi)關(guān)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FreeModbus是一個(gè)針對(duì)嵌入式應(yīng)用的通用Modbus協(xié)議。Modbus通信協(xié)議棧包括兩層：Modbus應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層。FreeModbus提供了RTU/ASCII傳輸模式及TCP協(xié)議支持[3,4]。

移植FreeModbus協(xié)議時(shí)對(duì)硬件的需求包括，具有一個(gè)支持接收緩沖區(qū)滿中斷和發(fā)送緩存區(qū)空中斷的異步串行接口、有一些能夠容納Modbus數(shù)據(jù)幀的RAM空間和一個(gè)定時(shí)器。

中斷控制配置，在FreeModbus的標(biāo)準(zhǔn)移植接口文件port.h中，設(shè)置兩個(gè)臨界保護(hù)函數(shù)的宏定義，實(shí)現(xiàn)全局中斷的打開(kāi)和關(guān)閉。相關(guān)程序如下：

#define ENTER_CRITICAL_SECTION( ) __disable_irq();

#de fi ne EXIT_CRITICAL_SECTION( ) __enable_irq();

在物理層，用戶只需完成串行口及超時(shí)定時(shí)器的配置即可。具體應(yīng)修改接口文件portserial.c和porttimer.c。

1）eMBErrorCode eMBInit()完成物理層的初始化。主要包括：BOOL xMBPortSerialInit()串口初始化，設(shè)定I/O口功能、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)方式；BOOL xMBPortTimersInit定時(shí)器初始化，設(shè)定定時(shí)器，設(shè)定t3.5定時(shí)需要的定時(shí)常數(shù)；

2）eMBErrorCode eMBEnable()使能協(xié)議棧。

3）void vMBPortTimersDisable()關(guān)閉超時(shí)定時(shí)器，在此函數(shù)中清零定時(shí)器計(jì)數(shù)值，關(guān)閉定時(shí)器中斷；

4）BOOL xMBPortSerialPutByte()發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，需要先使能485芯片的發(fā)送信號(hào)，調(diào)用USART_SendData()完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，適當(dāng)延時(shí)后使能485芯片的接收信號(hào)；BOOL xMBPortSerialGetByte()接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，調(diào)用USART_ReceiveData()完成數(shù)據(jù)接收；

5）void UART1_IRQ()通過(guò)調(diào)用USART_GetITStatus()實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送和接收狀態(tài)的判斷，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

應(yīng)用層配置，在執(zhí)行eMBEnable()使能協(xié)議棧后，不斷循環(huán)調(diào)用eMBErrorCode eMBPoll()檢測(cè)事件，通過(guò)四個(gè)接口函數(shù)eMBRegInputCB()，eMBRegHoldingCB()，eMBRegCoilsCB()和eMBRegDiscreteCB()實(shí)現(xiàn)對(duì)離散輸入、輸出線圈、輸入寄存器和保持寄存器的讀寫(xiě)操作。

步進(jìn)電機(jī)控制器的功能處理主要用eMBRegHold ingCB()完成，eMBRegHoldingCB()對(duì)應(yīng)06功能嗎時(shí)用來(lái)處理設(shè)置輸出脈沖頻率、輸出脈沖個(gè)數(shù)、輸出脈沖方向和輸出脈沖終止，eMBRegHoldingCB()對(duì)應(yīng)03功能嗎時(shí)用來(lái)處理查詢輸出脈沖頻率、已輸出脈沖個(gè)數(shù)、輸出脈沖方向、輸出脈沖終止標(biāo)志，地址分別對(duì)應(yīng)40001到40004。

完成軟硬件設(shè)計(jì)后，搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示，上位機(jī)采用USB轉(zhuǎn)485和兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制器組網(wǎng)，上位機(jī)上運(yùn)行Modbus Poll軟件，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后，步進(jìn)電機(jī)能按期望的頻率，方向和脈沖個(gè)數(shù)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制器，將FreeModbus協(xié)議移植到STM32上，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)Modbus對(duì)多臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制器是可行的。