【導(dǎo)讀】速，快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，并且由其組成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，且非?？煽?，因此在眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須和驅(qū)動(dòng)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(dòng)、噪聲等問(wèn)題時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)器厚膜混合集成電路，可使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低振動(dòng)和低噪音的工作狀態(tài)。來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)4相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分控制。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率的手動(dòng)。調(diào)節(jié)，細(xì)分調(diào)節(jié)，方向調(diào)節(jié)等功能，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大1/16的細(xì)分控制。

　　

【正文】 角，電動(dòng)機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。按式 ()對(duì)電動(dòng)機(jī) A、 B 兩相電流進(jìn)行控制時(shí)，每當(dāng) θ 變化 1176。，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò) 1/360 的步距角，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(zhǎng)，即電動(dòng)機(jī) 8 細(xì)分時(shí)在一個(gè)步距角內(nèi)電機(jī) A、 B 相電流的變化情況。 圖 A、 B 兩相在 8 細(xì)分時(shí)的電流變化情況 細(xì)分時(shí)兩相電流的值 可按下式計(jì)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(dòng)機(jī)電細(xì)分?jǐn)?shù)學(xué)模型。由此可見(jiàn)，針對(duì)不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，便可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 由圖 可知，實(shí)際實(shí)現(xiàn)的是一條多階梯的梯形曲線(xiàn)，用來(lái)擬合需要的正余弦曲線(xiàn)，所以也將其稱(chēng)之為擬正弦曲線(xiàn)。理論上，只要將細(xì)分的步長(zhǎng)設(shè)置得足夠細(xì) (實(shí)際受電動(dòng)機(jī)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(shí)的兩相式混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè) 在特性上就是一臺(tái)多級(jí)兩相永磁同步電機(jī)。 通過(guò)分析，我們可以看到，例如 在 8 細(xì)分控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)整步步進(jìn)時(shí)的每一步此時(shí)需要前進(jìn) 8 個(gè)微步，在細(xì)分?jǐn)?shù)提高后電動(dòng)機(jī)每一個(gè)整步需要的微步數(shù)更多，也就是每個(gè)微步的步距角更小。同樣的時(shí)間間隔，電動(dòng)機(jī)整步運(yùn)行時(shí)每前進(jìn)一步，在細(xì)分控制時(shí)就要前進(jìn)許多微步。這樣當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)采用細(xì)分控制后，就可以降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和角速度波動(dòng)，從而達(dá)到提高速度控制精度、減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，提高電動(dòng)機(jī)使用壽命的目的。 等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng) 細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制中，每次切入電機(jī)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(shí)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(dòng)方式設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，滿(mǎn)足一般的設(shè)備對(duì)步距角的精度要求，圖 為其驅(qū)動(dòng)電流波形。 圖 等電流細(xì)分電流波形 經(jīng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)繞組電流等量變化使步距角具有某種對(duì)稱(chēng)性不等變化，步距角不均勻則運(yùn)行不穩(wěn)定；相對(duì)于整步運(yùn)行，等電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)使電機(jī)運(yùn)行性能明顯改善，滿(mǎn)足一般的運(yùn)行環(huán)境要求。如果細(xì)分步距角目的僅僅是改善電機(jī)運(yùn)行的功能而不是增強(qiáng)步進(jìn) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 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(dòng) 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(jì)算出來(lái)，較明顯的改善步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(lái)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行時(shí)，計(jì)數(shù)器查表后將 gI 以數(shù)字量輸出 ，經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后波形如圖 所示 。 圖 等步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)波形 等步距角細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法相對(duì)于等電流細(xì)分法，顯著改善了步距角的均勻性。 使用 C語(yǔ)言設(shè)計(jì)出相應(yīng)的單片機(jī)程序， 單片機(jī)通過(guò)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制方案的選擇 步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中工作，其運(yùn)動(dòng) 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(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制的 速度 控制 方案 。 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，實(shí)際上就是控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出各相電壓的頻率。采用 ARM 作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制器，有以下幾種設(shè)計(jì)方案。 方案 1:由 ARM 實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)和環(huán)形分配器的功能 以四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(hào)，通過(guò)功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的四個(gè)相，則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的控制順序?yàn)椋?AABBBCCCDDDA。即 D4～ D7 的值見(jiàn)表 .反轉(zhuǎn)時(shí)只需要將控制信號(hào)按照相反的方向給出。 四 相 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)A R MD 4D 5D 6D 7ABCD四 相功 率驅(qū) 動(dòng)接 口 圖 基于 ARM的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方案 1 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 表 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí) 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(hào)的頻率可用以下兩種方法調(diào)節(jié)： a,延時(shí)； b,定時(shí)器。所謂延時(shí)方法，就是在每次發(fā)出脈沖之后，調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序，待延時(shí)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(hào)。延時(shí)子程序的延時(shí)時(shí)間與脈沖子程序所用時(shí)間的和，即是脈沖的周期。定時(shí)器方法，就是使用 ARM 內(nèi)部的可編程定時(shí)器，將發(fā)脈沖子程序放在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，定時(shí)器中斷一次， ARM 發(fā)出一個(gè)脈沖從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度控制 。 方案 2：由 ARM 輸出脈沖信號(hào)和方向信號(hào) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)可以由集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 SANYO 公司的 STK672080 就是一個(gè)很好的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(guò)軟件來(lái)控制系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)只需要兩個(gè) I/O 口分別輸出一個(gè)方向信號(hào)和方波脈沖信號(hào)，以及用 3 個(gè) I/O 口來(lái)控制系統(tǒng)的細(xì)分?jǐn)?shù)即可。電動(dòng)機(jī)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(shí)或者定時(shí)器來(lái)獲得。 以上兩 種方案相比較，方案 1 的外部電路最簡(jiǎn)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(dòng)電路，不僅電路簡(jiǎn)單，而且 ARM 的內(nèi)部資源占用也不多，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制最簡(jiǎn)單 。 所以本文采用方案 2 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 硬件電路總體概述 本 節(jié) 將以前面的理論為基礎(chǔ)，從實(shí)際的角度出發(fā)，考慮到集成電路應(yīng)用的簡(jiǎn)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(dòng)器，采用 CORTEXM3內(nèi)核的 ARM 處理器作為控制核心 的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。由于使用了專(zhuān)用集成芯片，系統(tǒng)軟件容易實(shí)現(xiàn)，而且硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要對(duì) STK672080 專(zhuān)用芯片的 MM M3 賦予不同的高低電平就可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)最大 16 細(xì)分的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分控制。另外本系統(tǒng)使用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)集成驅(qū)動(dòng)器具有高轉(zhuǎn)、低振動(dòng)水平、低噪音、快速響應(yīng)和高效驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足很多應(yīng)用場(chǎng)合。 本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖 。 E A S Y A R M 1 1 3 8鍵 盤(pán)L C D 1 6 0 2驅(qū) 動(dòng) 電 路4 相 混 合 步 進(jìn) 電 動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng) 器 電 源 電 路4 相 混 合 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由 ARM 控制電路、人機(jī)交互電路（鍵盤(pán)電路、液晶顯示電 路）、電壓隔離電路、驅(qū)動(dòng)器電路和電源供電電路等組成?？刂葡到y(tǒng)的核心采用基于 CORTEXM3 內(nèi)核的LM3S1138 微處理器，它接收 鍵盤(pán) 給他的控制信號(hào)，包括 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向 以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止 。 微處理器通過(guò)按鍵給出的信號(hào)來(lái) 改變驅(qū)動(dòng)芯片 STK672080 的管腳電平狀態(tài)，從而通過(guò) STK672080 來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) ，并通過(guò) LCD1602 將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)顯示出來(lái) 。 本系統(tǒng)采用 專(zhuān)用的集成驅(qū)動(dòng)芯片 ，減少了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(shí)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(hào)和驅(qū)動(dòng)部分的高電壓 模擬 信號(hào)隔離開(kāi)來(lái) ，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(jì)（論文） 第 23 頁(yè) 控制芯片的選擇 隨著計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。最早在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的是通用單片機(jī)，如Intel8031/805 AT89C52 等。然而受單片機(jī)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(jí)），對(duì)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(shí)時(shí)執(zhí)行。此外單片機(jī) 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(dòng)機(jī)廣泛采用 PWM 控制方法，而在一般的單片機(jī)中都沒(méi)有可產(chǎn)生 PWM 脈沖的硬件設(shè)備，而是通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這從另一個(gè)側(cè)面限制了該類(lèi)系統(tǒng)性能的提高。因此，基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)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(chǎng)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(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)在各種高精度場(chǎng)合開(kāi)始研究和應(yīng)用，展現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)和良好的前景 [14]。 LM3S1138 簡(jiǎn)介 LM3S1138 是一款基于 ARM CortexM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價(jià)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(guó)際上最優(yōu)秀的 MCU 內(nèi)核設(shè)計(jì)公司 ARM 最新推出的先進(jìn) CortexM3 處理器；國(guó)內(nèi)最大、技術(shù)最強(qiáng)的晶圓制造公司臺(tái)積電 (TSMC)代工；世界上最專(zhuān)業(yè)的封裝測(cè)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(shì)明顯 [15]。它是整個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(shí)鐘、包括一個(gè)簡(jiǎn)單的 24 位寫(xiě)清零、遞減、自裝載計(jì)數(shù)器，同時(shí)具有靈活的控制機(jī)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(jiǎn)捷； 34 中斷具有 8 個(gè)優(yōu)先等級(jí)；帶存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)，提供特權(quán)模式來(lái)保護(hù)操作系統(tǒng)的功能；非對(duì)齊式數(shù)據(jù)訪 問(wèn)，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(jì)（論文） 第 24 頁(yè) 效的安置到存儲(chǔ)器中；精確的位操作 (bitbanding)，不僅最大限度的利用了存儲(chǔ)器空間而且還改良了對(duì)外設(shè)的控制。 (2)其他性能： 64 KB 單周期 Flash。 4 個(gè)通用定時(shí)器模塊 (GPTM)，每個(gè)提供 2 個(gè) 16位定時(shí)器。高達(dá) 46 個(gè) 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(cè)，在讀和寫(xiě)操作中通過(guò)地址線(xiàn)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(hù)可調(diào)節(jié) 的范圍為 到 ； 電源掉電檢測(cè)，可通過(guò)中 斷或復(fù)位來(lái)報(bào)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(cè)器向 系統(tǒng)發(fā)出電源下降的警報(bào)、軟件復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)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(gè)復(fù)位源：可編程的時(shí)鐘源控制、可對(duì)單個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘進(jìn)行選通以節(jié)省功耗、遵循 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試訪問(wèn)端口 (TAP)控制器、通過(guò) JTAG 和串行線(xiàn)接口進(jìn)行調(diào)試訪問(wèn)、完整的 JTAG 邊界掃描。 EASYARM1138 簡(jiǎn)介 EASYARM1138 是專(zhuān) 門(mén)針對(duì)廣大電子信息專(zhuān)業(yè)在校大學(xué)生而設(shè)計(jì)的一款基于 ARM CORTEXM3 先進(jìn)內(nèi)核的高性能、低價(jià)格開(kāi)發(fā)板，用于教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電子競(jìng)賽，等等，也是廣大單片機(jī)愛(ài)好者、開(kāi)發(fā)工程師首