ARM單片機的雙相步進電(diàn)機細分驅動器(qì)設計(jì)

     1、 意法半導體(tǐ)STM32F103RB單片機簡述

     STM32F103RB采用ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核，具有(yǒu)運行(xíng)速度高(gāo)、處理(lǐ)能力強、外設接口豐富等特點。由于其低(dī)廉的價格和(hé)很(hěn)強的控制(zhì)、運算(suàn)性能，被廣泛運用于電(diàn)機控制(zhì)。其具體(tǐ)性能指标如下：1)工作(zuò)頻率：最高(gāo)72 MHz;工作(zuò)溫度範圍：-40～+85℃;寬電(diàn)壓供電(diàn)：2.0～3.6 V;2)128 k字節的閃存存儲器(qì)和(hé)16 k的SRAM;3)12位16通(tōng)道(dào)AD轉換器(qì)具有(yǒu)雙采樣和(hé)保持功能，轉換時(shí)間(jiān)最短(duǎn)1μs。4)3個(gè)16位通(tōng)用定時(shí)器(qì)，每個(gè)定時(shí)器(qì)有(yǒu)多(duō)達4個(gè)通(tōng)道(dào)，用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖輸出;1個(gè)16位帶死區(qū)控制(zhì)盒緊急刹車(chē)，用于電(diàn)機控制(zhì)的PWM高(gāo)級控制(zhì)定時(shí)器(qì)。

      2、 細分驅動原理(lǐ)

      一般兩相步進電(diàn)機驅動分為(wèi)單極型和(hé)雙極性驅動兩種，單極型驅動适用于6線制(zhì)電(diàn)機，這樣的驅動方法等于将兩相電(diàn)機轉變為(wèi)四相電(diàn)機，從表面上(shàng)看步距角缺損減小(xiǎo)了，實則是以犧牲電(diàn)機的拖動轉矩換來(lái)的，這樣電(diàn)機的帶負載能力就會(huì)大(dà)大(dà)下降。而雙極型驅動則主要針對兩相四線(或者八線制(zhì))電(diàn)機，一般機械步距角為(wèi)50齒1.8°(也可(kě)為(wèi)100齒0.9°價格較貴)，故細分驅動技(jì)術(shù)主要是通(tōng)過對步進電(diàn)機的相電(diàn)流進行(xíng)階梯化控制(zhì)，使電(diàn)機的以更小(xiǎo)的單位步距角運行(xíng)，從而減小(xiǎo)步長和(hé)低(dī)頻振蕩。

   細分驅動的思想是把原來(lái)簡單的對轉子電(diàn)流的通(tōng)斷過程改變為(wèi)逐漸的改變各相繞組的電(diàn)流大(dà)小(xiǎo)和(hé)方向，使電(diàn)機內(nèi)部的空(kōng)間(jiān)合成磁場(chǎng)逐步改變，這樣就能把原來(lái)的一個(gè)步距角的通(tōng)電(diàn)方式改變成為(wèi)跟随電(diàn)流的階梯波，變成多(duō)步。具體(tǐ)的計(jì)算(suàn)方法如下：

    轉矩T在一般情況下可(kě)表示為(wèi)：

  式子中KT在理(lǐ)想狀态下的比例常數(shù)，θ為(wèi)轉子的電(diàn)角度位置。

  如果兩相步進電(diàn)機的矩角特性是正弦波，則給繞組通(tōng)入如下電(diàn)流：

   β為(wèi)電(diàn)機希望定位的電(diàn)角度。

   将式(2)代入式(1)，則

   從而可(kě)見，兩相混合式步進電(diàn)機的細分就是控制(zhì)兩相繞組中的電(diàn)流大(dà)小(xiǎo)。理(lǐ)想狀态下，電(diàn)機內(nèi)部的磁場(chǎng)為(wèi)圓形空(kōng)間(jiān)旋轉磁場(chǎng)，使步進電(diàn)機按照交流同步電(diàn)機的方式旋轉。而AB相的理(lǐ)想電(diàn)流為(wèi)正弦波，而一般情況下通(tōng)過階梯波來(lái)模拟正弦波，從而達到恒轉矩幅值的控制(zhì)效果。而轉矩的大(dà)小(xiǎo)由合成磁場(chǎng)的矢量來(lái)決定，即相鄰兩個(gè)合成磁場(chǎng)的夾角為(wèi)細分步距角。

    每當β變化一度，則步進電(diàn)機走過1/360的電(diàn)角度，例如一般的8細分控制(zhì)，則β的步長為(wèi)π/16。所以為(wèi)了實現對兩相混合式步進電(diàn)機的恒轉矩細分控制(zhì)，就需要在電(diàn)機的兩相繞組中通(tōng)以按正弦規律變化并互差90°相位的的兩相電(diàn)流，階梯越細小(xiǎo)，越接近于正弦波，步距角也越小(xiǎo)，細分效果越好。

   3、 系統硬件設計(jì)

   基于STM32F103RB驅動系統的硬件部分主要由信号輸入端、電(diàn)源輸入端、電(diàn)源模塊、MOSFET驅動模塊、H橋模塊和(hé)采樣放大(dà)模塊組成。總體(tǐ)硬件圖如圖3所示。

     3.1 輸入信号

    在硬件設計(jì)中，需要從外部輸入3種信号：Enable使能信号、Dir電(diàn)機轉向信号以及Frequency速度脈沖信号。Enable信号為(wèi)使能信号，為(wèi)防止電(diàn)機在停止時(shí)，定子繞組仍然通(tōng)電(diàn)造成的電(diàn)機發熱而設置的電(diàn)機轉子斷電(diàn)信号。Dir信号控制(zhì)電(diàn)機的轉向;而Frequency信号為(wèi)外部控制(zhì)器(qì)件發出的方波脈沖信号，此信号的頻率将決定電(diàn)機的轉速，3個(gè)控制(zhì)信号均由光耦與內(nèi)部隔離。

   驅動器(qì)上(shàng)電(diàn)前需通(tōng)過撥碼開(kāi)關設置細分數(shù)和(hé)限流值，目前細分最多(duō)支持16細分，限流值一般為(wèi)電(diàn)機繞組可(kě)承受的最大(dà)電(diàn)流的1.2倍左右，可(kě)以設置6檔限流值。驅動器(qì)最大(dà)可(kě)承受4 A的電(diàn)流。

   3.2 驅動電(diàn)路

    MOSFET驅動部分采用IR公司的IR2101S驅動芯片來(lái)驅動雙H橋，從而靠雙H橋來(lái)控制(zhì)一個(gè)四線制(zhì)步進電(diàn)機。IR2101是IR公司生(shēng)産的一款高(gāo)性價比驅動器(qì)，使用方法非常簡單，性價比高(gāo)，能輸出100～210mA電(diàn)流。IR2101驅動器(qì)可(kě)驅動一組功率管，整個(gè)功率電(diàn)路需4片即可(kě)，這樣不但(dàn)節約制(zhì)造成本，而且還(hái)提高(gāo)系統穩定性。其驅動電(diàn)路如圖4所示。

   3.3 系統電(diàn)源

    驅動系統的電(diàn)源由一個(gè)外部輸入的24～48V的直流電(diàn)源輸入接線端，然後通(tōng)過BUCK降壓芯片至5 V為(wèi)內(nèi)部光耦、比較器(qì)和(hé)運放供電(diàn)，然後将5 V通(tōng)過LDO降至3.3 V給MCU供電(diàn)，這樣MCU能獲得(de)相對幹淨的電(diàn)源。另一路外部電(diàn)源經過電(diàn)阻分壓，産生(shēng)一個(gè)15 V電(diàn)源用于MOSFET驅動芯片IR2010的供電(diàn)。

   3.4 電(diàn)流檢測和(hé)過流保護

   本系統使用采樣電(diàn)阻來(lái)采集經過H橋(即電(diàn)機的定子電(diàn)流)。此處采樣電(diàn)阻阻值比較大(dà)時(shí)，會(huì)使電(diàn)阻分壓過大(dà)，造成H橋的低(dī)端電(diàn)壓高(gāo)于地電(diàn)壓，影(yǐng)響系統的穩定性，而阻值太小(xiǎo)又會(huì)使信号過小(xiǎo)影(yǐng)響檢測精度，所以本系統選用0.1Ω電(diàn)阻作(zuò)為(wèi)采樣電(diàn)阻。然後經過LMV358放大(dà)後，成為(wèi)0～3 V的電(diàn)壓信号，在經過一個(gè)跟随器(qì)後，進入MCU片上(shàng)AD，進行(xíng)數(shù)模轉換，放大(dà)後的信号還(hái)連接一個(gè)比較器(qì)用于過流保護。