基于STM8S微控制器步进驱动器的设计

张爱良;朱旭东;范雪

【摘 要】微型轴承加工磨床所使用的横向进给,主要采用三相反应式步进电机75BF003,本文在分析使用环境的基础上,根据三相反应式步进电机的控制规律,深入研究步进电机微步距控制技术,并选取合适的绕组电流波形及相关数学模型,充分利用微控制器设计技术,在硬件设计、软件设计、提高系统可靠性等方面作了一些探索,并设计出控制精度高、运行稳定性好、维护方便的细分控制步进驱动器.%Horizontal feeding to micro bearing processing grinder,which was mainly used of three-phase reaction step motor 75BF003. In the paper,step motor tiny step control technology was deeply researched on,appropriate winding current wave and related mathematical model were selected based on the analysis of the principle on three-phase reaction step motor,and micro-controller technology was made full use of,according to the usable environment. In the last,one highly control accuracy、operation stability、easily maintenance divided control step motor was proposed, according to the exploration on hardware design、software design and the improvement on system reliability. 【期刊名称】《电子设计工程》 【年(卷),期】2018(026)003 【总页数】5页(P180-183,188)

【关键词】微控制器;微步距控制;反应式步进电机;MOSFET

【作 者】张爱良;朱旭东;范雪

【作者单位】无锡工艺职业技术学院 江苏宜兴214206;无锡工艺职业技术学院 江苏宜兴214206;无锡工艺职业技术学院 江苏宜兴214206 【正文语种】中 文 【中图分类】TN47

步进电机能接收数字脉冲信号完成规定的位置增量，实现开环控制，与伺服电机位置控制系统相比，成本低且控制电路及使用简单，几乎不必进行系统调整，但步进电机必须与控制电路，即驱动器配套，工作性能很大程度取决于所使用的控制电路，包括起动频率、最高转速、动态转距、阻尼能力等。目前在微型轴承内圆、沟道等磨削加工的磨床上，横向进给大多采用三相反应式步进电机75BF003，而轴承磨削加工是精加工，磨削尺寸偏差大多要求控制在微米量级，加工精度高；同时工作环境不仅有变频器、砂轮电机等很强的电磁干扰，而且磨削过程使用大量冷却液产生的油雾等，因此恶劣的工作环境，导致步进电机运行出现“失步”，步进控制器易出现故障，所以要求电子控制系统具有很高的可靠性、可维修性且价格低廉。为此，针对微型轴承磨削加工，认真分析现有步进电机控制驱动方式及接口，设计与磨床电子控制系统配套的细分步进驱动器。 1 三相反应式步进电机细分驱动器设计的理论依据

1975年美国学者T.R.Fredriksen，首次在美国增量运动控制系统及器件年会上提出了步进电机步距角细分的控制方法，较好的改善了步进电机的性能。步进电机步距角细分技术，是步进电机开环控制的最新技术之一，各相绕组电流按规律改变其幅值的大小，实现将步进电机一个整步均分为若干个更细的微步，即步距细化，由

此导致分辨力提高，振动、噪声、转距波动问题得到很大改善，运转更为平稳。 PWM恒流斩波驱动方式是目前获得高性能细分控制技术的常用方式，通常步进电机使用较高电压电源，使绕组电流几乎直线上升到预定值，由电流检测去控制一个斩波控制电路，判断这绕组的功率开关，绕组电流在续流回路中续流并下降，下降至某一设定值或某一规定时间后，斩波控制电路又令功率开关接通，如此反复由功率开关对绕组电流进行斩波控制，使电流平均值趋向于维持恒定，因此控制电流波形及大小，弥补电机制造过程的偏差、发热等因素，同时实现节能。

步进电机细分算法的驱动机理就是通过控制各相绕组电流合成的磁动势，来达到细分驱动的效果，而改变电流矢量的合成磁动势，就是通过在电机的各相绕组中分别通以有规律的电流；步进电机旋转力矩的大小，主要取决于合成磁场矢量的大小，步距角的大小取决于相邻两合成磁场矢量之间的夹角，因此合理控制电机各相绕组中的脉冲电流，可实现对步进电机恒转矩的均匀微步距控制，只要电机内部合成磁场幅值恒定，且绕组中脉冲电流按时序的变化产生的步距角均匀，由此便可实现步进电机的均匀细分驱动，电机产生平稳的旋转运动。

反应式步进电机由于制造工艺与混合式步进电机的不同，其旋转磁场只与绕组电流的绝对值有关，而与电流的正反流向无关，但实质同样是三相反应式步进电机三相绕组在空间彼此相差120°，参考三相六拍旋转运动时序，对三相反应式步进电机实现步距角的任意细分，选取绕组电流波形如图1所示，其A相的数学模型如下： 当0≤ α≤ 2π/3时，ia=Imsinα；

当2π/3 ≤ α≤ 4π/3时，ia=Imsin（α-π/3）； 当4π/3≤α≤2π时，ia=0；

图1 三相反应式步进电机绕组电流波形

图1中，纵坐标是相绕组中的脉冲电流，单位为安培，横坐标为弧度，α为步进电机转子偏离参考点的角度。ib滞后于ia2π/3，ic超前于ia2π/3，合成电流矢量

在所有区间，从而保证合成磁场幅值恒定，实现电机的恒转矩运行，而步进电机在这种情况下运转也最为平稳[2]。

2 三相反应式步进电机细分驱动器硬件设计 2.1 需求分析

微型轴承加工磨床的核心控制系统，主要是以单片机控制的电脑板，其控制电机的基本原理为：电脑板发出进给控制信号给步进驱动器，步进驱动器根据预先设置的驱动方式，控制步进电机。步进进给控制信号主要有3种方式：第一种是四线连接，其中A、B、C三相控制线，加一根地线，实现三相六拍运行；第二种方式为脉冲加方向的控制方式；第三种方式为正转脉冲加反转脉冲的控制方式；第二第三钟主要用于细分驱动器控制电机。目前，微型轴承磨床选用的步进电机大多为三相反应式75BF003步进电机，工作电源电压最高30 V，最大工作电流4 A，步距角为3°（三相三拍）/1.5°（三相六拍），其接线主要有4线引出和6线引出两种，见图2。本设计深入分析工作环境及企业工艺控制的需求，设计一种直流24 V供电，具有上述三种控制接口，同时能够满足步进电机4线引出和6线引出电流控制接线，步距角在三相六拍基础上，可进一步实现10细分（0.15°）、20细分（0.075°）、40细分（0.037 5°）选择，且无任何电位器、按钮等易损机械电子部件，精度高、稳定性好、抗干扰能力强，满足三相反应式步进电机细分驱动的步进驱动控制器。

图2 三相反应式步进电机接线图 2.2 硬件设计的基本思路

通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制[1]，实现微步距控制，其控制的核心是正弦波信号电压的比较[4]，利用微控制器应用技术，核心控制集成电路选用STM8S103微控制器，通过控制接口电路，检测微型磨床电脑控制系统步进电机进给要求，经程序计算，逻辑控制三相反应式步进电机的相序输出，根据每相输出

的细分电流基准值控制数模转换的输出电压，同时产生PWM方波信号；采样电路实现相电流采样并经电阻电压转换后，与数模转换输出的基准电压进行比较，经逻辑控制、功率驱动，控制步进电机的相电流，实现步进电机角位移的均匀细分、平稳旋转运动。参数设置是经红外遥控电路，实现控制接口工作方式的选择，状态指示一是指示控制接口的3种工作方式，二是指示各相的运行状态，三是指示当前的细分数。三相反应式步进电机细分驱动器的总体框图如图3所示。 图3 三相反应式步进电机细分驱动器总体框图

控制接口原理图见图4，图中R1为输入限流电阻，Z1为稳压管进行过压保护，U1为光电藕合器，实现输入信号与输出的隔离及逻辑电平转换。控制接口有三路相同的电路接收输入信号，并隔离后输出到 STM8S103微控制器的 PC5、PC6、PC7，允许下降沿产生中断请求。调制用方波信号频率为21.74 kHz[2]，由STM8S103微控制器的16位通用定时器TIM2通道3的比较功能编程产生，由PA3引脚输出。逻辑控制电路由D型触发器、或门电路组成，主要功能是实现绕组电流大于细分电流基准值时，逻辑控制输出电平翻转，强制后面的MOSFET管关断，其基本原理是当相电流大于细分电流时，斩波比较电路输出低电平，控制D型触发器的清零端，调制用方波信号通过相序控制输出到D型触发器的时钟输入端，D型触发器的数据输入端接5 V高电平，D型触发器的输出Q非，经缓冲器MC14050功率放大电平匹配驱动MOSFET管，其中A相绕组的功率驱动原理电路见图5，图中QA为N沟道功率MOSFET管，LA为三相反应式步进电机A相绕组，DA为快恢复续流二极管，U1为MC14050缓冲器，RSA为绕组电流采样电阻。

图4 控制接口原理图 图5 功率驱动电路 2.3 主要元器件的选取

本设计中关键元件主要有微控制器、采样电阻、N沟道MOSFET功率管、快恢复续流二级管。

核心电路选用意法半导体的STM8S103微控制器，其特点为：三级流水线哈佛架构，内嵌当前最先进的130 nm非易失性存贮器Flash ROM、30万次擦写的E2PROM、16 MHz高精度RC振荡器、多个16位可编程定时器，其GPIO（General Purpose Input/Output）口的每个引脚可编程为中断悬浮输入或推挽输出等多种形式，工作电源2.95～5.5 V，抗干扰能力强，品质安全可靠，性价比高，完全满足本设计对于中断输入、推挽输出、方波发生、定时等功能需求。采样电阻的选取一是要求精度高，二是要求温度漂移系数小，三是要求在自然环境下散热且满足恶劣工业环境的需要，为此选用精密线绕电阻3 W 0.5 Ω。N沟道MOSFET功率管，选用美国安森美（ONSemiconductor）公司的

NTD5865NLT4G（VDSS=60V，ID=46 A，RDS（ON）=0.016 Ω），DPAK 贴片封装，体积小，功率大，性价比高，在自然环境下不需另加散热器，仅需适当增加PCB敷铜散热即可。快恢复续流二级管选用ST20S100CT，内含二个共阴极肖特基二极管，主要是在功率管关断时为绕组提供续流通道，由于PWM斩波频率达21.74 kHz，故选用快恢复管实现续流功能。 3 软件设计

程序设计主要有系统初始化程序、参数设置程序、定时中断程序、控制接口输入中断程序等组成。系统初始化程序主要对GPIO引脚、中断及优先级、定时器、存贮器等相关寄存器进行初始化值设置，并读取E2PROM中的功能参数；参数设置程序接收红外遥控器的键盘信息，判断是什么功能键，进行相关状态信息指示，如细分数、控制接口工作方式等，并将功能代码参数写入E2PROM中，实现掉电保护。定时中断程序，主要产生500 μs基准时间，供状态指示及红外接收编码识别使用。控制接口输入中断程序，根据工作方式功能参数，判断当前引脚中断的功能，进入

相应功能处理，其中细分功能程序的实现：根据三相反应式步进电机绕组电流数学模型，细分控制的核心是正弦波信号电压的比较[4]，步进电机从A相走到B相，A、B、C三相中N细分电流为{ia（0），ib（0），0}变化到{ia（N-1），ib（N-1），0}，数模转换各通道输入的数据 N 正比于各绕组电流 i，即可表示为{Na（0），Nb（0），0}变化到{Na（N-1），Nb（N-1），0}，根据当前所走步数，通过查表即可确定当前细分电流。 4 提高系统可靠性措施

提供系统可靠性主要采取以下措施：硬件方面，1）系统电源选用台湾明纬开关电源24 V 350W，不仅使系统获得稳定可靠的电源，而且降低系统功耗，实现过流保护；2）选择性价比高、质量好的元器件，如 微 控 制 器 STM8S103、功 率MOSFET管NTD5865NLT4G、绕组电流采样电阻等；3）充分考虑工业环境的散热、电磁干扰，电源、功率元件等选取留有足够的电流电压余量；4）充分考虑硬件电路设计中的电平匹配、功率驱动能力，系统微控制器部分用5 V电平，功率驱动用12 V电平，用LM393比较器实现电平转换是很好的办法，MOSFET管的控制极电压脉冲幅值设计12 V，大大降低MOSFET的导通电阻，减小元件工作过程中的发热量，提高工作可靠性；五是印制电路板选用铜箔厚度35 um双面标准敷铜板加工制作，合理布局元件，根据导线电流，适当加宽导线的线宽等。软件方面主要采取数据保护、模糊判断、延时确认信号的有效性等手段，系统中关键的数据如工作方式、细分数、N细分步序计数单元等，读写时进行3中取2确认；模糊判断主要是对一些数据的大小先进行区间判断，如N细分步序计数单元的值小于N-1，先判断再取查表值输出到数模转换；延时确认信号的有效性主要是对控制输入引脚的中断信号，进行延时再读取引脚电平，进行比较确认，防止干扰。 5 结束语

本文针对三相反应式步进电机，采用步距角细分技术、微控制器应用技术，设计细

分控制驱动器，所设计的驱动器具有体积小、精度高、功耗低，200多台该产品经三年多在微型轴承加工磨床横向进给上的实际使用，可靠稳定，至今没有维修，实现了高精度定位，提高了磨削质量。

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