摘 要： 設計了一種微型步進電機驅(qū)動控制器，通過上位機界面修改步進電機轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、細分系數(shù)。該設計以STM32F103T8U6作為主控制器，以A4988步進電機驅(qū)動設備，上位機串口界面作為人機接口界面，詳細分析步進電機驅(qū)動設備的工作原理、各部分接口電路以及控制器設計方案。通過實物設計實現(xiàn)了步進電機轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)任意角度和細分系數(shù)的控制，并通過精確計算步進脈沖個數(shù)實現(xiàn)了任意旋轉(zhuǎn)角度的精確控制，該驅(qū)動控制器步進角度精度高達0.112 5度。
關鍵詞： 微型步進電機；STM32F103T8U6；A4988；串口；正反轉(zhuǎn)
0 引言
自從上世紀20年代英國人開發(fā)了步進電機，50年代后期晶體管的發(fā)明也逐漸應用在步進電機上，并使得步進電機的數(shù)字化控制更為方便。經(jīng)過不斷改良，今日步進電機已廣泛運用在生產(chǎn)過程中要求自動化、省人力、效率高的機器中，尤其在重視速度、位置控制、需要精確操作指令動作的靈活控制場合步進電機用得最多。
本文旨在以STM32F103T8U6[1]作為A4988[2]控制器，并以A4988作為微型步進電機驅(qū)動器設計步進電機控制器模塊，實現(xiàn)閉環(huán)精確控制微型步進電機的步進角度的功能，并從多方面深入分析A4988的工作原理以及微型步進電機速度控制和步進角度精確控制策略[3-4]。
1 A4988的特性和工作原理
1.1 A4988的特性
A4988是一款完全的微步電動機驅(qū)動器，帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作。該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅(qū)動性能可達35 V及±2 A。A4988包括一個固定關斷時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。轉(zhuǎn)換器是A4988易于實施的關鍵。只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖，即可驅(qū)動電動機產(chǎn)生微步。無須進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。A4988界面非常適合復雜的微處理器不可用或過載的應用。在微步運行時，A4988內(nèi)的斬波控制可自動選擇電流衰減模式（慢或混合）。在混合衰減模式下，該器件初始設置為在部分固定停機時間內(nèi)快速衰減，然后在余下的停機時間慢速衰減。混合衰減電流控制方案能減少可聽到的電動機噪音，增加步進精確度并減少功耗。提供內(nèi)部同步整流控制電路，以改善脈寬調(diào)制（PWM）操作時的功率消耗。內(nèi)部電路保護包括：帶滯后的過熱關機、欠壓鎖定（UVLO）及交叉電流保護，不需要特別的通電排序。
1.2 A4988的工作原理
為了更加清晰地分析A4988的工作原理，首先深入分析A4988的內(nèi)部結構。如圖1所示為A4988的內(nèi)部結構圖和典型的外部電路連接圖。
由圖1所示，A4988有一個編譯器（Translator），主要負責微控制器和驅(qū)動電路的信息交互。通過該編譯器可產(chǎn)生DA信號，配合比較器輔助PWM鎖存器修復衰減信號，并且該編譯器能夠產(chǎn)生邏輯電平控制邏輯控制器，邏輯控制器再配合電流調(diào)節(jié)器和N型MOS管驅(qū)動電壓共同驅(qū)動兩路全橋電路。電路中所標電容必須嚴格與技術文檔中所給的相同，Rosc主要更改并修復衰減模式，接VDD自動修復衰減，接GND電流衰減設置為增減電流同時修復。SENSE1和SENSE2檢測驅(qū)動輸出電壓，實則是實時檢測輸出電流，供電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出電流信號，形成閉環(huán)控制。因此SENSE1和SENSE2管腳連接的電阻非常關鍵，一般這個電阻的阻值在零點幾歐姆左右。
1.3 A4988邏輯控制策略
A4988控制邏輯簡單，主要分為睡眠、正反轉(zhuǎn)、復位、使能、細分等模式控制。
（1）睡眠模式：Sleep管腳電平置0，進入睡眠模式，驅(qū)動器輸出待機模式；Sleep管腳置1，驅(qū)動器處于正常工作狀態(tài)；
（2）正反轉(zhuǎn)模式：正轉(zhuǎn)模式DIR管腳置0或1，反轉(zhuǎn)模式置1或0；
（3）復位模式：復位模式下容易消耗能量，產(chǎn)生的沖擊電流較大。直接RESET管腳置1，在不影響系統(tǒng)工作時RESET管腳置0復位。一旦驅(qū)動芯片復位，系統(tǒng)將回歸到原始A4988 I/O端口控制狀態(tài)；
（4）使能模式：使能模式控制系統(tǒng)是否開始工作，ENBALBE管腳置0開始工作，置1停止工作；
（5）細分模式[5]：通過MS1、MS2、MS3控制細分系數(shù)，A4988細分為1/16細分為最小，通過計算角度值可得最小細分角度為全步進角度的1/16。A4988驅(qū)動邏輯控制如表1所示。
2 控制器電路設計
根據(jù)A4988芯片的工作原理，控制器電路主要分為上位機串口模塊、STM32最小系統(tǒng)板模塊和A4988微型步進電機驅(qū)動模塊。通過STM32F103T8微控制器接收上位機的控制指令，通過識別分析之后執(zhí)行步進電機控制操作。內(nèi)部步進電機驅(qū)動控制器總體設計框圖如圖2所示。
2.1 硬件電路設計
（1）串口通信模塊[6]：主要負責上位機和下位機通信。上位機通過串口通信模塊發(fā)送相應的功能指令給下位機，下位機執(zhí)行上位機的指令并控制A4988驅(qū)動器模塊驅(qū)動步進電機。如圖3所示。
（2）STM32控制器模塊：微型步進電機控制器的主控模塊，接收上位機的指令，執(zhí)行步進電機控制指令，主要控制步進電機細分操作、速度控制、旋轉(zhuǎn)角度控制。如圖4所示。
（3）A4988微型步進電機驅(qū)動器模塊：如圖5所示,主要控制并驅(qū)動微型步進電機，執(zhí)行主控制器的各項驅(qū)動操作。
2.2 功能設計
該微型步進電機控制器的設計要求：
（1）實現(xiàn)步進電機細分控制
細分控制只需控制MS1、MS2、MS3三個引腳即可得到相應的細分結果。細分角度值等于步進角度乘以細分系數(shù)，細分系數(shù)通過上位機發(fā)送命令得到，初始細分值為1，即全步進方式運行。
（2）實現(xiàn)步進電機速度控制
通過測試，影響步進電機轉(zhuǎn)速的主要因素有步進脈沖頻率和細分系數(shù)。步進脈沖頻率過高會造成步進電機失步，經(jīng)過測試400 Hz時步進電機不會失步，且經(jīng)過細分之后步進電機旋轉(zhuǎn)不會出現(xiàn)強烈的震動和聲音。當細分系數(shù)越來越小時，步進電機的旋轉(zhuǎn)速度也會隨之越來越小。此原因之一就是當細分系數(shù)不變時，每進一個脈沖走一步，脈沖頻率越高，步進電機旋轉(zhuǎn)速度越快；原因之二就是當步進電機輸入脈沖頻率不變時，每1/2細分步進電機的進角度就變?yōu)樵瓉淼?/2度，因此脈沖個數(shù)就增加了一倍，自然速度就降低為原來的1/2。
（3）實現(xiàn)步進電機任意角度旋轉(zhuǎn)控制
步進電機任意角度旋轉(zhuǎn)控制是相對于A4988驅(qū)動旋轉(zhuǎn)最小角度（0.1125度）而言，且A4988是通過脈沖驅(qū)動步進電機，通過計算脈沖個數(shù)乘以細分角度即可得旋轉(zhuǎn)角度值。A4988輸入脈沖個數(shù)可通過微控制器外部中斷I/O口計算PWM波個數(shù)得到。
3 軟件設計
STM32F103T8U6是32 bit微控制器，能產(chǎn)生獨立PWM波，PWM脈寬可調(diào)且頻率可調(diào)，方便步進電機驅(qū)動調(diào)試速度；可提供外部中斷為檢測PWM輸出脈沖個數(shù)進行計數(shù)，為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進電機旋轉(zhuǎn)角度控制提供精確數(shù)據(jù)，這樣就形成了角度閉環(huán)控制；可提供串口通信，供上位機設備和微控制器進行信息交互；該微控制器I/O端口少價格便宜完全可替代16 bit單片機進行復雜的邏輯運算。STM32控制方式：（1）接收上位機控制指令并返回接收指令，表示接收成功，否則接收失敗；（2）通過接收到的上位機控制指令，分別轉(zhuǎn)化成控制步進電機指令，控制步進電機工作模式。
3.1 串口通信指令設計
串口通信上位機發(fā)送指令有：（1）啟動模式；（2）睡眠模式；（3）復位模式；（4）速度設置模式；（5）細分模式。發(fā)送協(xié)議以“{”為起始碼，以“}”為結束碼，如{+0.1125℃}即正向旋轉(zhuǎn)0.112 5度；當下位機執(zhí)行完上位機指令時返回接收指令，否則不返回。具體發(fā)送方式如表2所示。
3.2 控制器控制策略
STM32軟件負責該模塊的主控制器，首先讓啟動模式處于非啟動狀態(tài)（DISABLE），外部中斷也處于關閉狀態(tài)。一旦啟動模式被打開，即點亮LED；其次，進行速度設置、細分系數(shù)設置以及旋轉(zhuǎn)角度設置。睡眠模式下LED緩慢閃爍。具體該驅(qū)動控制器軟件設計流程圖如圖6所示。
4 結論
通過系統(tǒng)對軟硬件進行調(diào)試，該控制器實現(xiàn)了對步進電機速度、細分系數(shù)、任意角度的設置，并達到了預期設定的目標。此控制器可以應用在相對比較精細的項目控制中，加快項目研發(fā)周期。該模塊的主要缺陷就是輸出驅(qū)動電流不夠大，無法應用在扭力比較大的場合中，因此，通過上述對A4988模塊的分析，可以再對A4988芯片進行改進，更換導通電阻小、驅(qū)動電流大的MOS管，實現(xiàn)電機驅(qū)動器的設計。
參考文獻
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