基于STM32的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡向東

摘 要為了實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否發(fā)生了失步或者堵轉(zhuǎn)情況，設(shè)計(jì)一種基于STM32的閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用STM32F429微處理器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，并通過(guò)增量編碼器將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋到STM32F429中，以此來(lái)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)確定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而判斷出步進(jìn)電機(jī)是否在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生了失步或者堵轉(zhuǎn)的情況。

關(guān)鍵詞步進(jìn)電機(jī);控制信號(hào);閉環(huán)控制;增量編碼器;STM32F429

0 引言

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件[1]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)控制信號(hào)，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的步距角。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度僅與其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)有關(guān)，其控制過(guò)程非常簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需要的脈沖個(gè)數(shù)是固定的，因此其只有單步轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的單步誤差而沒(méi)有連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的這種特點(diǎn)使其在工業(yè)中的精確位置控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確位置控制的前提條件是，其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生失步或者堵轉(zhuǎn)的情況。在實(shí)際應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)會(huì)由于其驅(qū)動(dòng)頻率太高或者變化速度太快以及其驅(qū)動(dòng)負(fù)載的改變而導(dǎo)致失步，從而使步進(jìn)電機(jī)的位置控制精度下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，使步進(jìn)電機(jī)無(wú)法正常工作。因此，對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)便顯得十分重要。本文使用STM32F429微處理器作為主控制器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生了失步或者堵轉(zhuǎn)的情況。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

用于檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)失步或者堵轉(zhuǎn)情況的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該閉環(huán)控制系統(tǒng)中，STM32F429微處理器發(fā)送控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;驅(qū)動(dòng)器接收到該控制信號(hào)后，根據(jù)設(shè)定的驅(qū)動(dòng)參數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī);步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)增量編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng);增量編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中向STM32F429微處理器發(fā)送反饋信號(hào);STM32F429對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行處理后得出步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將該結(jié)果輸出到TFTLCD顯示屏上進(jìn)行顯示。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與信號(hào)反饋

步進(jìn)電機(jī)選用雷賽公司生產(chǎn)的42HS03兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的基本步距角為1.8°，單步運(yùn)動(dòng)誤差為±5%。42HS03上有黑、綠、黃、橙、紅、藍(lán)、白、棕8根引出導(dǎo)線，對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，將黑、綠、黃、橙四根導(dǎo)線串聯(lián)構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的A相繞組，將剩下的四根導(dǎo)線串聯(lián)構(gòu)成B相繞組，相繞組的具體串聯(lián)方式如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)器選用雷賽公司的高性能數(shù)字式兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為DM542S。該驅(qū)動(dòng)器采用32位DSP技術(shù)，利用驅(qū)動(dòng)器上的撥碼開關(guān)既可以對(duì)常用的8檔電流進(jìn)行選擇，也可以對(duì)16檔細(xì)分驅(qū)動(dòng)進(jìn)行選擇，其對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)頻率最高可達(dá)200kHz，具有過(guò)壓、短路等保護(hù)功能。該驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)大功能使其能夠滿足大多數(shù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的場(chǎng)合。

驅(qū)動(dòng)器DM542S接+24V電源，使用A+、A-兩個(gè)功率輸出端口來(lái)驅(qū)動(dòng)42HS03步進(jìn)電機(jī)的A相，使用B+、B-兩個(gè)端口驅(qū)動(dòng)B相，驅(qū)動(dòng)電流峰值設(shè)置為1.0A，平均值為0.7A。驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分設(shè)置為不細(xì)分，即步進(jìn)電機(jī)以基本步距角進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)200步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為360°。

驅(qū)動(dòng)器通過(guò)信號(hào)引腳PUL+、PUL-來(lái)接收步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，使用DIR+、DIR-來(lái)接收轉(zhuǎn)動(dòng)方向判斷信號(hào)。該運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)與方向判斷信號(hào)由STM32F429的GPIO引腳PC6與PC7發(fā)送。由于STM32F429的GPIO引腳只能輸出3.3V的高電平，而DM542S所接收的高電平信號(hào)電壓不能低于3.5V，因此在其兩者之間連接一個(gè)可以輸出5V電壓的高速反相器74HC04。STM32F429與DM542S的連接電路如圖3所示。

增量編碼器型號(hào)選擇分辨率為2000脈沖/轉(zhuǎn)的為E6B2-CWZ3E，其最大轉(zhuǎn)速為每分鐘6000轉(zhuǎn)，理論上能夠識(shí)別0.18°的轉(zhuǎn)角變化，其角度測(cè)量的精度很高。E6B2-CWZ3E支持+5V—+12V的寬范圍直流供電電壓，本文選擇+5V直流供電。E6B2-CWZ3E有A相、B相與Z相三路信號(hào)輸出端，其中A相與B相成正交輸出關(guān)系，即A相與B相信號(hào)在相位上相差90°[2-3]，編碼器每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻度，A相與B相就相應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)編碼器每轉(zhuǎn)過(guò)一周，則A、B相各輸出2000個(gè)脈沖信號(hào)，而Z相此時(shí)僅輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。將E6B2-CWZ3E的A、B兩相信號(hào)分別對(duì)應(yīng)連接到圖3中所示STM32F429的GPIO引腳PH2與PH3上，通過(guò)PH2與PH3的外部中斷來(lái)捕捉增量編碼器的反饋信號(hào)。

3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)方法

在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)方法借鑒了M法測(cè)量轉(zhuǎn)速原理。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)測(cè)量增量編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后可得被測(cè)目標(biāo)的轉(zhuǎn)速，這種獲得轉(zhuǎn)速的方法被稱為M法[4]。在檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)失步或者堵轉(zhuǎn)的過(guò)程中，不需要計(jì)算轉(zhuǎn)速，只需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)出增量編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，然后與理論值進(jìn)行對(duì)比即可。如果實(shí)際脈沖個(gè)數(shù)與理論值的差值在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，則判定步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有發(fā)生失步或者堵轉(zhuǎn)問(wèn)題;如果二者的差值超出了規(guī)定的誤差范圍，則判定步進(jìn)電機(jī)發(fā)生了失步或者堵轉(zhuǎn)問(wèn)題。為了提高檢測(cè)的精度，避免誤判，采用4倍頻的方式接收增量編碼器的脈沖信號(hào)[5-7]。對(duì)A、B兩相信號(hào)的上升沿與下降沿均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并將所有脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行疊加。

由于設(shè)定了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要200步，也就是需要200個(gè)控制脈沖信號(hào)，而編碼器相應(yīng)的在理論上總共會(huì)產(chǎn)生8000個(gè)脈沖。也就是說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一步，STM32F429理論上可以接收到40個(gè)反饋脈沖信號(hào)，考慮到聯(lián)軸器安裝與電機(jī)振動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，規(guī)定接收到的反饋信號(hào)在25-55之間均有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而判斷步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生失步或者堵轉(zhuǎn)情況。在設(shè)計(jì)中需要注意步進(jìn)電機(jī)與增量編碼器之間的連接偏差要盡可能的小，以減小測(cè)量誤差，最好將二者固定在同一個(gè)基座上，步進(jìn)電機(jī)固定要牢固，以減小其振動(dòng)。STM32F429發(fā)送控制信號(hào)使用定時(shí)器的計(jì)數(shù)溢出中斷，在中斷發(fā)生后需要軟件清除其相應(yīng)的中斷標(biāo)志位。

參考文獻(xiàn)

[1]袁賽，王德輝，曹海麗，等.基于Multisim10的步進(jìn)電機(jī)數(shù)控電路的分析和設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（23）：69-72.

[2]孫小平.基于FPGA的增量式光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017（12）：6-8.

[3]梁學(xué)修，陳志，趙博.基于FPGA的電機(jī)轉(zhuǎn)速高精度測(cè)量技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（23）：50-52.