【導(dǎo)讀】速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，并且由其組成的開環(huán)系統(tǒng)既簡單、廉價，且非?？煽浚虼嗽诒姸囝I(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動機必須和驅(qū)動控制器配合使用，而不能直接接到交直流電源上工作。所固有的低頻振動、噪聲等問題時，細(xì)分是有效的解決途徑。STK672-080是SANYO公司生產(chǎn)的一種4相步進(jìn)電機驅(qū)動器厚膜混合集成電路，可使電動機運行在低振動和低噪音的工作狀態(tài)。來實現(xiàn)對4相混合式步進(jìn)電動機的細(xì)分控制。本設(shè)計實現(xiàn)了對步進(jìn)電動機的頻率的手動。調(diào)節(jié)，細(xì)分調(diào)節(jié)，方向調(diào)節(jié)等功能，可以實現(xiàn)步進(jìn)電動機最大1/16的細(xì)分控制。

　　

【正文】 角，電動機則轉(zhuǎn)過一個步距角。按式 ()對電動機 A、 B 兩相電流進(jìn)行控制時，每當(dāng) θ 變化 1176。，步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過 1/360 的步距角，從而實現(xiàn)電動機的 360 細(xì)分控制。由 θ 的不同就可以確立不同的細(xì)分方式，圖 是 θ 取 π/16 步長，即電動機 8 細(xì)分時在一個步距角內(nèi)電機 A、 B 相電流的變化情況。 圖 A、 B 兩相在 8 細(xì)分時的電流變化情況 細(xì)分時兩相電流的值 可按下式計算得到： 90cos( )90sin ( )ambmi i sni i sn?? ???? ????? () 其中： n 為細(xì)分?jǐn)?shù)； s 為步數(shù)。 式 ()即為兩相混合式步進(jìn)電動機電細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型。由此可見，針對不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，便可以實現(xiàn)步進(jìn)電動機的細(xì)分驅(qū)動。 由圖 可知，實際實現(xiàn)的是一條多階梯的梯形曲線，用來擬合需要的正余弦曲線，所以也將其稱之為擬正弦曲線。理論上，只要將細(xì)分的步長設(shè)置得足夠細(xì) (實際受電動機自身性能與控制器性能的影響不可能一直細(xì)分下去 )，此時的兩相式混合步進(jìn)電動機 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18 頁 在特性上就是一臺多級兩相永磁同步電機。 通過分析，我們可以看到，例如 在 8 細(xì)分控制時，電動機整步步進(jìn)時的每一步此時需要前進(jìn) 8 個微步，在細(xì)分?jǐn)?shù)提高后電動機每一個整步需要的微步數(shù)更多，也就是每個微步的步距角更小。同樣的時間間隔，電動機整步運行時每前進(jìn)一步，在細(xì)分控制時就要前進(jìn)許多微步。這樣當(dāng)步進(jìn)電動機低速運行時采用細(xì)分控制后，就可以降低電動機轉(zhuǎn)矩波動和角速度波動，從而達(dá)到提高速度控制精度、減少運轉(zhuǎn)噪音，提高電動機使用壽命的目的。 等電流細(xì)分驅(qū)動 細(xì)分驅(qū)動控制中，每次切入電機繞組的電流是等量變化的，這種方式只需要將最大電流等分為所要實現(xiàn)的細(xì)分?jǐn)?shù)，一部分一部分的增加或減 小 電流。 利用這種驅(qū)動方式設(shè)計的驅(qū)動器的設(shè)計簡單易行，滿足一般的設(shè)備對步距角的精度要求，圖 為其驅(qū)動電流波形。 圖 等電流細(xì)分電流波形 經(jīng)計算，步進(jìn)電機繞組電流等量變化使步距角具有某種對稱性不等變化，步距角不均勻則運行不穩(wěn)定；相對于整步運行，等電流細(xì)分驅(qū)動使電機運行性能明顯改善，滿足一般的運行環(huán)境要求。如果細(xì)分步距角目的僅僅是改善電機運行的功能而不是增強步進(jìn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 19 頁 的步距角的分辨率，則常常采用這種方法，性能還有待提 高 。 等步距角細(xì)分驅(qū)動 等步距角細(xì)分法將步距角等分為所需要的細(xì)分?jǐn)?shù)，按照正弦 余弦關(guān)系將每次變化的電流大小計算出來，較明顯的改善步進(jìn)電機的穩(wěn)定性，噪聲也顯著減小。 以 8 細(xì)分法控制兩相混合式步進(jìn)電機為例，給定電流的大小表達(dá)式為式 ()。 90cos( )90sin ( )ambmi i sni i sn?? ???? ????? () 若以 8 位精度來設(shè)計步進(jìn)電機的給定電流，則： 8( 2 1 ) * sin( * 90 / 8 )gIn? ? ? n=0、 1……15 () 將 gI 轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制碼 ,程序運行時，計數(shù)器查表后將 gI 以數(shù)字量輸出 ，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后波形如圖 所示 。 圖 等步距角細(xì)分驅(qū)動波形 等步距角細(xì)分驅(qū)動方法相對于等電流細(xì)分法，顯著改善了步距角的均勻性。 使用 C語言設(shè)計出相應(yīng)的單片機程序， 單片機通過查表將電流的數(shù)字量送到 D/A 轉(zhuǎn)換芯片，得到控制電流模擬量。 整個系統(tǒng)設(shè)計的難度較等電流法增加不 多 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 20 頁 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 控制方案的選擇 步進(jìn)電動 機的主要優(yōu)點之一是能在開環(huán)系統(tǒng)中工作，其運動 控制可以分為：速度控制和位置控制。本 部分 將詳細(xì)介紹步進(jìn)電動機開環(huán)控制的 速度 控制 方案 。 控制步進(jìn)電動機的運行速度，實際上就是控制步進(jìn)電動機驅(qū)動器輸出各相電壓的頻率。采用 ARM 作為步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)的控制器，有以下幾種設(shè)計方案。 方案 1:由 ARM 實現(xiàn)脈沖信號和環(huán)形分配器的功能 以四相步進(jìn)電動機為例，這種方案的連接如圖 所示。 ARM 采用 4 路 I/O(D4～D7)進(jìn)行并行控制，直接發(fā)出 4 相脈沖信號，通過功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電動機各相繞組。功率放大電路可以選 用上一章中介紹的任意一種。四相步進(jìn)電動機有四相單四拍、雙四拍和八拍等控制方式，這里采用四相八拍的方式。 4 路 I/O 控制步進(jìn)電動機的四個相，則電動機正轉(zhuǎn)的控制順序為： AABBBCCCDDDA。即 D4～ D7 的值見表 .反轉(zhuǎn)時只需要將控制信號按照相反的方向給出。 四 相 步 進(jìn) 電 動 機A R MD 4D 5D 6D 7ABCD四 相功 率驅(qū) 動接 口 圖 基于 ARM的步進(jìn)電動機控制方案 1 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 表 電動機正轉(zhuǎn)時 D4～ D7 的值 十六進(jìn)制 二進(jìn)制 通電狀態(tài) 1H 0001 A 3H 0011 AB 2H 0010 B 6H 0110 BC 4H 0100 C CH 1100 CD 8H 1000 D 9H 1001 DA 4 相脈沖信號的頻率可用以下兩種方法調(diào)節(jié)： a,延時； b,定時器。所謂延時方法，就是在每次發(fā)出脈沖之后，調(diào)用一個延時子程序，待延時結(jié)束后再次執(zhí)行發(fā)脈沖的子程序，這樣周而復(fù)始，即可發(fā)出一定頻率的脈沖信號。延時子程序的延時時間與脈沖子程序所用時間的和，即是脈沖的周期。定時器方法，就是使用 ARM 內(nèi)部的可編程定時器，將發(fā)脈沖子程序放在定時器中斷服務(wù)程序中，定時器中斷一次， ARM 發(fā)出一個脈沖從而實現(xiàn)對電動機的速度控制 。 方案 2：由 ARM 輸出脈沖信號和方向信號 步進(jìn)電動機的細(xì)分驅(qū)動可以由集成電路來實現(xiàn)。 SANYO 公司的 STK672080 就是一個很好的步進(jìn)電動機細(xì)分驅(qū)動芯片，可以實現(xiàn)步進(jìn)電動機的最大為 1/16 的細(xì)分?jǐn)?shù)，而且可以在低頻狀態(tài)下很好的工作并能降低噪聲，并可以通過軟件來控制系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)只需要兩個 I/O 口分別輸出一個方向信號和方波脈沖信號，以及用 3 個 I/O 口來控制系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)即可。電動機的轉(zhuǎn)速由脈沖方波的頻率決定，而脈沖方波的頻率同樣可以采用延時或者定時器來獲得。 以上兩 種方案相比較，方案 1 的外部電路最簡單，但是占用 ARM 的內(nèi)部資源最多，占用的 I/O 口也要比方案 2 多。如果 ARM 還有其他任務(wù)要完成，則負(fù)擔(dān)較重?？紤]方案 2，采用集成驅(qū)動電路，不僅電路簡單，而且 ARM 的內(nèi)部資源占用也不多，實現(xiàn)步進(jìn)電動機的控制最簡單 。 所以本文采用方案 2 來實現(xiàn)對步進(jìn)電動機的控制。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁 硬件電路總體概述 本 節(jié) 將以前面的理論為基礎(chǔ)，從實際的角度出發(fā)，考慮到集成電路應(yīng)用的簡單方便，介紹了一種采用具有細(xì)分功能的集成電路 STK672080 作為驅(qū)動器，采用 CORTEXM3內(nèi)核的 ARM 處理器作為控制核心 的步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制系統(tǒng)。由于使用了專用集成芯片，系統(tǒng)軟件容易實現(xiàn)，而且硬件設(shè)計簡單，只需要對 STK672080 專用芯片的 MM M3 賦予不同的高低電平就可以簡單的實現(xiàn)最大 16 細(xì)分的步進(jìn)電動機細(xì)分控制。另外本系統(tǒng)使用的步進(jìn)電動機集成驅(qū)動器具有高轉(zhuǎn)、低振動水平、低噪音、快速響應(yīng)和高效驅(qū)動的特點，能滿足很多應(yīng)用場合。 本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)框圖見圖 。 E A S Y A R M 1 1 3 8鍵 盤L C D 1 6 0 2驅(qū) 動 電 路4 相 混 合 步 進(jìn) 電 動機驅(qū) 動 器 電 源 電 路4 相 混 合 步 進(jìn) 電 動 機 圖 步進(jìn)電動機控制系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由 ARM 控制電路、人機交互電路（鍵盤電路、液晶顯示電 路）、電壓隔離電路、驅(qū)動器電路和電源供電電路等組成。控制系統(tǒng)的核心采用基于 CORTEXM3 內(nèi)核的LM3S1138 微處理器，它接收 鍵盤 給他的控制信號，包括 步進(jìn)電動機的運行頻率、步進(jìn)電動機的細(xì)分?jǐn)?shù)、步進(jìn)電動機旋轉(zhuǎn)方向 以及步進(jìn)電動機的啟動和停止 。 微處理器通過按鍵給出的信號來 改變驅(qū)動芯片 STK672080 的管腳電平狀態(tài)，從而通過 STK672080 來控制步進(jìn)電動機的運行狀態(tài) ，并通過 LCD1602 將步進(jìn)電動機的運行狀態(tài)顯示出來 。 本系統(tǒng)采用 專用的集成驅(qū)動芯片 ，減少了系統(tǒng)的硬件設(shè)計的難度以及軟件編程的難度，降低了程序 的復(fù)雜程度，軟硬件易于實現(xiàn)。其中電壓隔離電路采用了光耦隔離，把控制部分的低電壓 數(shù)字 信號和驅(qū)動部分的高電壓 模擬 信號隔離開來 ，以保證系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的環(huán)境中。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁 控制芯片的選擇 隨著計算機技術(shù)及數(shù)字控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以微處理器為核心的全數(shù)字化電動機控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。最早在電動機控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是通用單片機，如Intel8031/805 AT89C52 等。然而受單片機自身結(jié)構(gòu)的限制、處理速度都比較慢（指令周期為毫秒或微秒級），對于一些可以提高系統(tǒng)性能的復(fù)雜控制算法，很難做到實時執(zhí)行。此外單片機 控制系統(tǒng)仍然需要較多的外圍元器件，使得系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性降低，增加了系統(tǒng)的成本。此外，現(xiàn)代電動機廣泛采用 PWM 控制方法，而在一般的單片機中都沒有可產(chǎn)生 PWM 脈沖的硬件設(shè)備，而是通過軟件編程來實現(xiàn)，這從另一個側(cè)面限制了該類系統(tǒng)性能的提高。因此，基于單片機的電動機控制系統(tǒng)主要適用于那些控制精度不高、性能要求不高的場合。 近幾年 ARM 在控制芯片上發(fā)展迅速，其中由 Luminary 公司生產(chǎn)的 LM3S1138 微控制器就是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計的，該芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于 各種關(guān)注成本并明確要求具有控制以及連接能力的應(yīng)用方案。基于 ARM 的電動機控制系統(tǒng)已經(jīng)在各種高精度場合開始研究和應(yīng)用，展現(xiàn)出強大的優(yōu)勢和良好的前景 [14]。 LM3S1138 簡介 LM3S1138 是一款基于 ARM CortexM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價格的 ARM 處理器 ,是 Luminary Micro 公司的 Stellaris(群星 )系列 ARM 處理器的一種。該芯片采用的是國際上最優(yōu)秀的 MCU 內(nèi)核設(shè)計公司 ARM 最新推出的先進(jìn) CortexM3 處理器；國內(nèi)最大、技術(shù)最強的晶圓制造公司臺積電 (TSMC)代工；世界上最專業(yè)的封裝測試公司 (OSE、i2a/IPAC)層層把關(guān)，確保產(chǎn)品的可靠性。 Stellaris(群星 )系列 ARM 芯片在電磁兼容性方面的優(yōu)勢明顯 [15]。它是整個步進(jìn)電動機控制的核心部分。 主要性能： (1) 32位 RISC性能：采用為小封裝應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32位 ARM174。 Cortex?M3 v7M架構(gòu)；提供系統(tǒng)時鐘、包括一個簡單的 24 位寫清零、遞減、自裝載計數(shù)器，同時具有靈活的控制機制；工作頻率為 50MHz；硬件除法和單周期乘法；集成嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，使中斷的處理更為簡捷； 34 中斷具有 8 個優(yōu)先等級；帶存儲器保護(hù)單元(MPU)，提供特權(quán)模式來保護(hù)操作系統(tǒng)的功能；非對齊式數(shù)據(jù)訪 問，使數(shù)據(jù)能夠更為有 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 24 頁 效的安置到存儲器中；精確的位操作 (bitbanding)，不僅最大限度的利用了存儲器空間而且還改良了對外設(shè)的控制。 (2)其他性能： 64 KB 單周期 Flash。 4 個通用定時器模塊 (GPTM)，每個提供 2 個 16位定時器。高達(dá) 46 個 GPIO，輸入 /輸出可承受 5V，中斷產(chǎn)生可編程為邊沿觸發(fā)或電 平檢測，在讀和寫操作中通過地址線進(jìn)行位屏蔽。片內(nèi)低壓差 (LDO)穩(wěn)壓器，具有可編程的輸出電壓，用戶可調(diào)節(jié) 的范圍為 到 ； 電源掉電檢測，可通過中 斷或復(fù)位來報告。靈活的復(fù)位源，包括上電復(fù)位、復(fù)位管腳有效、掉電 (BOR)檢測器向 系統(tǒng)發(fā)出電源下降的警報、軟件復(fù)位、看門狗定時器復(fù)位、內(nèi)部低壓差 (LDO)穩(wěn)壓器輸出變?yōu)椴豢烧{(diào)整。 6 個復(fù)位源：可編程的時鐘源控制、可對單個外設(shè)的時鐘進(jìn)行選通以節(jié)省功耗、遵循 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的測試訪問端口 (TAP)控制器、通過 JTAG 和串行線接口進(jìn)行調(diào)試訪問、完整的 JTAG 邊界掃描。 EASYARM1138 簡介 EASYARM1138 是專 門針對廣大電子信息專業(yè)在校大學(xué)生而設(shè)計的一款基于 ARM CORTEXM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價格開發(fā)板，用于教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計、電子競賽，等等，也是廣大單片機愛好者、開發(fā)工程師首