ＺＯ１０ 私 ，卜 Ｉ，矾’－ 第４期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．４ 基于ＳＴＭ３２多步进电机驱动控制系统设计 廖平，韩伟伟 ４１００８３） （中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙摘要：在不同的控制场合下，需要不同的控制电路控制步进电机驱动器，而不同的控制电路对步进电机的工作性能有 很大的影响，为此设计一款集微控制器和驱动芯片于一体的多轴多细分步进电机驱动控制器来实现驱动和控制的完美结 合。驱动控制器以ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６为主控制器，ＬＶ８７２７为驱动芯片，采用ＵＳＢ进行主控制器与上位机的数据通信，根据 不同的运动方式，以不同频率的ＰＷＭ控制驱动芯片实现步进电机的多细分恒流驱动控制。基于步进电机的驱动控制原 理对整个系统进行建模、理论分析及仿真，并通过实验进一步验证了系统在不同场合下精确稳定的控制性能。 关键词：混合式步进电机；ＳＴＭ３２ＦｌＯ３ＺＥＴ６；ＬＶ８７２７；ＵＳＢ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１６）０４—００７１—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｒｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＭ３２ ＬＩＡＯ Ｐｉｎｇ，ＨＡＮ Ｗｅｉ—ｗｅｉ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ，ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ’ｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｅｄｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ，ｓｏ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｕｈｉｐｌｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｄｒｉｖｅ ｃｈｉｐ，ｗａｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６ ａｓ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ＬＶ８７２７ ａｓ ｄｒｉｖｅ ｃｈｉｐ，ｈａｄ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｕｓｉｎｇ ＵＳＢ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒｉｖｅ ｃｈｉｐ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎ・ ｔｏｌｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ＰＷＭ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｆｕｒ－ ｔｈｅｒ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６；ＬＶ８７２７；ＵＳＢ ０引言 器性能的优劣直接影响到步进电机的工作性能，设计一款高效 稳定的驱动控制系统是控制步进电机的关键。 １．１ 混合式步进电机驱动方式 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的常用 执行机构，最突出特点是，步进电机的转速取决于脉冲信号的 频率，位移取决于脉冲信号的脉冲个数，转速和位移与负载无 关。步进电机的控制则是由驱动器来实现的，步进电机与驱动 器是一个不可分割的整体，系统中步进电机高性能的工作是通 步进电机的调频调压驱动、高低压驱动等方式是以绕组电 压为控制对象的，为更好地达到控制目的，选择以绕组电流为 控制对象的斩波恒流驱动。基本思想是：无论电机是在锁定状 态还是在低频段或高频段运行，均使导通相绕组的电流保持额 定值。通过斩波方式使电机绕组电流在低速到高速运行范围 内保持电流恒定，且不随电机的转速而变化，从而保证在很大 过驱动器驱动控制实现的，同时驱动器的优劣也体现在电机的 运转性能上，因此步进电机控制系统的性能与驱动控制器有很 密切的关系…。步进电机驱动控制器电路包括控制电路和驱 动电路，控制电路采用单片机，驱动电路采用专用集成芯片外 加保护电路，将控制电路和驱动电路集成在一起，对驱动控制 器的性能有一定的提升 。在很多工作状况下，一般需要多台 的频率范围内电机都能输出恒定的转矩，显著提高高频响应。 １．２驱动芯片选择 为实现对步进电机稳定精确的恒转矩控制，使电机高精 步进电机在同一系统下同时工作，为了便于高效协制，同 时实现驱动控制器在不同控制系统上的通用性，设计一款集控 度、低噪声、低震动运行，同时考虑到控制系统的功耗及驱动电 流等因素，驱动控制器选择ＬＶ８７２７作为驱动芯片。ＬＶ８７２７是 单路ＰＷＭ恒流控制步进电机驱动芯片，双全桥ＭＯＳＦＥＴ驱动， 并且包括细分、半流控制等功能模块，可以精确地控制步进电 机。 制芯片和驱动芯片于一体的驱动控制系统很有必要，同时增加 了反馈信号的输入端口来满足用户的更高精度要求。 １驱动特性分析 步进电机与驱动器是相互影响相互制约的两个元件，驱动 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７５５３５）；国家９７３计划资助 项目（２０１３ＣＢ０３５７０６） ２二相混合式步进电机的数学模型 系统中的步进电机模型的建立很复杂，本身具有磁滞、涡 流、磁导分布等非线性因素的存在。进行线性化处理步进电机 的静态整步转矩 可近似为 收稿日期：２０１５－０７—２４ ７２ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｐｒ．２０１６ ＝一Ｋｏ（０ｏ－０ｊ）＝Ｋｅ（０ｉ一０。） （１） 式中：Ｋｅ为与电机结构相关的常数；０ 为步进电机实际输出转 角；０．为给定的目标位置。 步进电机的电压平衡方程和运动方程 为： ＝ｉＲ＋ＫＥ０９ （２） Ｊ Ｂ∞ｒ （３） ＴＬ＝ｉＫＭ （４） 式中： 为励磁绕组的反电动势系数； 为转矩系数；ｃｏ 为电 机转动角速度；．，为转子及负载的转动惯量； 为粘滞摩擦系数； 为负载转矩；ｕ，ｉ，Ｒ分别为励磁绕组的电压、电流和电阻。 步进电机运行到目标位置，绕组上的电压为０，所以式（２） 转换为 ｉＲ＝ＫＦ ｃｃＪ （５） 联立式（１）～式（４），作拉普拉斯变换可得步进电机传递函 数为 雨Ｉ＋（曰＋ ）Ｘｅ ｓ＋ ＳＴＭ３２控制模块和驱动模块可视为比例环节，增益系数为 Ｋ。，位置反馈属于比例环节，增益为 。得到整个系统的传递 函数为 （７） 式中 一 ：Ｋ１＝１０；Ｋ２：１； ＝６０２；Ｋ￣＝０．０１ Ｖ・ｓ／ｒａｄ；ＫＭ：０．４ Ｎ・ｍ／Ａ； ＝１ ｎ； ＝５．５ｘ１０～Ｎ・ｎｌ ｓ／ｒａｄ；Ｊ＝４．４×１０一 ｋｇ・ ｌＩｌ２。 ＭＡＴＬＡＢ仿真得系统阶跃响应曲线如图１所示，系统响应 时间快，动态性能好。 图１系统阶跃晌应曲线 ３硬件系统设计 系统总体框图如图２所示，由上位机、电源、单片机、 ＬＶ８７２７、步进电机及反馈部件六部分组成。ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６微 控制器通过ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）与上位机进行数据传输， 通过ＰＷＭ控制步进电机驱动芯片ＬＶ８７２７，同时采集、分析反 馈模块得到的步进电机各运动参数，并将其上传到上位机进行 数据处理和显示。ＬＶ８７２７通过接收微控制器的控制指令对步 进电机进行驱动，在系统的控制下，实现步进电机的稳定精确 运 。 图２系统总体方粟 ３．１硬件电路设计 驱动控制器硬件电路包括ＳＴＭ３２控制模块、光耦隔离模 块、模式设置模块、Ｌ￣８７２７驱动模块。 ３．１．１ ＳＴＭ３２控制模块 本设计采用的ＭＣＵ为ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６，是基于ＡＲＭ Ｃｏｒ－ ｔｅｘ－Ｍ３核心的３２位微控制器。芯片内部集成ＵＳＢ外设，为开 发降低了成本，同时也提高了设备通信的稳定性。相对于ＡＲＭ 系列其他芯片，ＳＴＭ３２运行速度更快，７个ＴＩＭ最多可以产生 ２８个精准的ＰＷＭ信号，方便地用于步进电机控制 。 ３．１．２光耦隔离模块 单片机输出ＰＷＭ控制信号，通过施密特触发器７４ＨＣ１４Ｄ 直接驱动高速光耦６Ｎ１３７，隔离控制信号，增强抗干扰能力 』。 隔离模块电路如图３（ａ）所示。 ３．１．３模式设置模块 模式设置采用手动设置，操作快速、直观、简单，模式中包 括８档电流（０．５～４ Ａ）、８档细分（最高１２８细分）和电流衰减 模式的选择，根据不同的驱动负载及运行精度等要求，选取最 佳的工作模式，详细电路设计如图３（ｂ）所示。 ３．１．４ ＬＶ８７２７驱动模块 驱动芯片电路如图３（ｃ）所示，驱动芯片驱动步进电机执 行控制器的各项操作－－…。 ４软件系统设计 ＳＴＭ３２采用ＫＥＩＬ ＭＤＫ编程环境进行软件设计，ｓＴ公司提 供了丰富的固件库，开发者不再需要接触底层的寄存器，而是 通过直接操作库函数即可，为开发者节省时间，提高了编程效 率。 ４．１步进电机运行控制 ＳＴＭ３２定时器产生的ＰＷＭ脉冲的频率由时钟频率 预 分频值 、计数周期 决定，关系如式（８）所示，通过改变预分 频值 来改变ＰＷＭ频率 ｊ。 ｆ 忙面Ｍ １（＋）（ｎ） １ （、 ） 以控制电机在平面内走直线为例，上位机向下位机发送控 制指令，指令包括两电机移动的直线距离 、 ，由两电机运行 时间相等，由式（８）可得两个电机之间Ｍ的关系如下： （ ＋１）＝Ｌ （Ｍ ＋１） （９） 依据运行速度曲线，计算每个轴对应的预分频值 、脉冲 个数ｎ和电机正反转标志Ｆｌａｇ的值并以数组的方式存储在 第４期 梁步猛等：具有三自由度的接触器动态特性测试系统设计及实现 ３结论 ７７ 采用本文所设计的测试仪对智能型接触器吸合和释放过 程的动态特性进行测试，其结果如图ｌＯ、图１ｌ所示。 ｍ ５ Ｏ ｍ 本文通过对接触器动态特性的测试机构以及安装机构的 机械结构进行设计，实现了激光位移传感器在３个维度内对测 量目标快速锁定和切换、不同型号接触器的快速安装以及对接 触器动态特性多路参数的实时、快速、同步的测量。所设计的 ５ ０ 圳 测试系统可以提高接触器动态特性测试的效率和实时性。 参考文献： ［１］周亮，舒亮，吴桂初，等．智能交流接触器温度补偿控制策略研究 ［Ｊ］．电子技术应用，２０１３（７）：７３—７６． ［２］韩雁，寿鑫莉，丁晨，等．交流接触器节能专用芯片的设计与实现 ［Ｊ］．电子技术应用，２０１２（６）：２７—３０． ［３］ＥＳＰＩＮＯＡ Ａ Ｇ，ＲＵＩＺ Ｊ Ｒ Ｒ，ＲＯＳＥＲＯ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａ— Ｏ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ 时闻／ｍｓ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｎｔａａｃｔｏｒｆ Ｃ］．Ｃｏｎｆｅｒ－ ｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ—。ＩＥＥＥ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒ— 图１０吸合动态特性 ｅｎｃｅ，２００８：１８７３—１８７８． 从图１０、图１１中可以看出，本测试系统能够完好的记录接 触器的吸合或者释放过程中其主要的动态参数，可以提高接触 ［４］ 陈德为，张培铭．基于高速摄像机的智能交流接触器动态测试与 分析技术［Ｊ］．系统仪表学报，２０１０（４）：８７８—８８４． ［５］孙丽琼，耿英三，李爱军，等．交直流接触器特性自动测试系统的 开发［Ｊ］．低压电器，２００８（１９）：４８—５０． 器动态特性测试的效率和实时性，可以很好的应用于接触器动 态特性的研究，为接触器的优化设计提供理论依据。 ［６］ 林苏斌，缪希仁，张培铭．基于ＤＳＰ与可视化技术的接触器动态测 试装置研究［Ｊ］．福州大学学报（自然科学版），２００４（１）：３８—４２． ［７］ 叶子，吴桂初，舒亮．基于ＬａｂＶＩＥＷ的智能交流接触器动态性能测 试系统［Ｊ］．电子技术应用，２０１３（３）：８８—９１． ［８］周亮，吴桂初，谢文彬．基于激光位移器的交流接触器动态测试与 分析［Ｊ］．温州大学学报（自然科学版），２０１３（３）：３２—３７． ［９］ 张丙才，刘琳，高广峰，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ的数据采集与信号处理 ［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００７（１２）：７４—７５． ［１０］顾文武，何庆中，周铁，等．基于ＬａｂＶＩＥＷ与智能仪器数据采集系 统［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１２（ｉ１）：５３—５４；５８． 时间／ｍｓ 作者简介：梁步猛（１９７９一），硕士，讲师，主要研究方向为智能电器技 术。Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｅｕｎｇ＠ＷＺＵ．ｅｄｕ．ａｎ 图ｌ１释放动态特性 （上接第７３页） 床与液压，２００９，３７（１）：９９－１０１． ６结束语 ［６］刘慧英，范宝山．基于ＳＴＭ３２的多步进电机控制系统研究［Ｊ］．测 控技术，２０１０，２９（６）：５４—５７． ［７］ＣＨＡＵ Ｋ Ｔ，ＢＩＮ Ｓ，ＨＵ Ｍ Ｑ．Ｍｉｃｒｏｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｃｏｎｔｍｌ ｏｆ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｔｅｐ－ 基于ＳＴＭ３２和ＬＶ８７２７的硬件电路，步进电机驱动控制器 成功地实现了控制步进电机在不同的细分模式下进行加速、匀 速、减速运行及精准稳定的控制。硬件电路设计简单，成本低， 能够很好地满足多种场合下的系统应用要求。 参考文献： ［１］ 李玲娟．多细分二相混合式步进电机驱动器的研制［Ｄ］．西安：西 北工业大学，２００７． ｐｉｎｇ Ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ 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