馬丹丹，張文超

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移或直線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。因其控制簡便，具有精確步進(jìn)、沒有誤差累計和便于開環(huán)控制等優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)的自動化控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行部件。

許多生命科學(xué)儀器中都需要采用步進(jìn)電機(jī)作為樣品定位執(zhí)行部件[1]。但是傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動往往采用由一個MCU負(fù)責(zé)全部任務(wù)的集中管理控制模式，隨著系統(tǒng)任務(wù)的增多，管理控制都變得繁雜了，集中控制體系就難以滿足實時性、快速性及精確定位的要求。為此，本文提出基于STM32和CAN總線的“分布串行式”控制體系的設(shè)計方案，通過現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)基于高性能MCU的集中控制及上下位機(jī)的實時通信。簡化了控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，很好地改善了傳統(tǒng)控制架構(gòu)的缺點和不足，并實現(xiàn)了在細(xì)分模式下的精確定位[2]。

2 兩種系統(tǒng)架構(gòu)的比較

2.1 傳統(tǒng)集中控制架構(gòu)的特點與剖析

圖1 傳統(tǒng)集中式驅(qū)動模式架構(gòu)

此模式缺點如下：

（1）系統(tǒng)實時性不夠。在多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，隨著控制節(jié)點的增多，控制信號和反饋信號將大大增加，單個MCU既要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，還要頻繁的控制和改變各個節(jié)點的信號控制參數(shù)來控制步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)，造成MCU的負(fù)擔(dān)過重，影響整個系統(tǒng)的實時性。

（2）子模塊不具備智能性，獨立性不好。系統(tǒng)的各個驅(qū)動子模塊必須依賴MCU發(fā)出命令才能執(zhí)行相應(yīng)動作，這就占用了MCU的大量軟硬件資源，使系統(tǒng)總性能下降。

（3）操作復(fù)雜。由圖1可以看出，電機(jī)驅(qū)動子模塊越多，則由MCU應(yīng)用系統(tǒng)引出的控制線越繁雜，在多步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中排線布局將變得復(fù)雜，易發(fā)生斷線或解除不良的故障，且增加了成本。

2.2 分布式架構(gòu)的特點與剖析

本文設(shè)計的基于STM32和CAN總線的智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊即為分布串行式架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 分布串行式驅(qū)動模式架構(gòu)

上位機(jī)系統(tǒng)由PC機(jī)顯示器和RS232接口模塊構(gòu)成，并采用Labwindows/CVI編寫設(shè)計良好的人機(jī)界面。

下位機(jī)系統(tǒng)為CAN總線連接的主節(jié)點和若干個智能電機(jī)控制子節(jié)點。主節(jié)點和子節(jié)點均采用高性能的STM32F103ZET6作為處理核心，主節(jié)點負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)指揮各個子節(jié)點完成任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度管理、指令下達(dá)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，子?jié)點則根據(jù)下行命令對電機(jī)做出相應(yīng)的驅(qū)動控制。

與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，其優(yōu)點如下：

（1）增強(qiáng)了系統(tǒng)的實時性。主控節(jié)點只需負(fù)責(zé)電機(jī)運行控制命令的下達(dá)和整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度，頻繁切換或頻繁改變步進(jìn)電機(jī)運行狀態(tài)的任務(wù)可由智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊自身來完成，從根本上減輕了主控節(jié)點的負(fù)擔(dān)，提高了整個系統(tǒng)的實時性。

（2）子模塊具有智能性，獨立性好。用戶只需將電機(jī)運行控制命令（如細(xì)分步數(shù)、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、步數(shù)等）經(jīng)CAN總線傳送給各個子模塊，由子模塊來控制步進(jìn)電機(jī)的自動運行，而無需主控模塊的監(jiān)管。

（3）控制簡單，節(jié)約成本。由圖2可以看出，主控模塊可直接通過CAN總線傳送控制命令，大大降低現(xiàn)場信號線連接的繁瑣度與線纜費用，提高信號傳輸?shù)木扰c靈活性，同時也有利于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)。

（4）采用CAN總線使得整個系統(tǒng)具有傳輸速率高、兼容性好、容錯能力強(qiáng)及擴(kuò)展性好等優(yōu)點[3]。

3 系統(tǒng)的總體方案的選取

3.1 系統(tǒng)主節(jié)點的控制芯片的選取

系統(tǒng)主節(jié)點除電源模塊外，主要包括主控單元、串口模塊、CAN接口模塊。主節(jié)點的任務(wù)如下：

（1）它通過RS232接口接收上位機(jī)下達(dá)的指令和數(shù)據(jù)，并根據(jù)任務(wù)需要通過CAN接口模塊和CAN總線下傳給某個子節(jié)點，由相應(yīng)的子節(jié)點功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)。

（2）由各個子模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和請求信息等，通過CAN接口模塊和CAN總線傳送到主節(jié)點，再由主節(jié)點分類識別并根據(jù)需要將有關(guān)的數(shù)據(jù)和請求信息通過RS232接口上傳給上位機(jī)。

（3）各個子節(jié)點需要協(xié)調(diào)工作時，由主節(jié)點完成。

鑒于上文所述主節(jié)點的三大任務(wù)，其主控芯片應(yīng)選用速度高、程序和數(shù)據(jù)存儲器容量大的單片機(jī)，以滿足復(fù)雜的算法編程和大量的數(shù)據(jù)采集需要，以及快速準(zhǔn)確的信息交換。因此，本文中主控芯片采用ST公司STM32系列32位微控制器中的“增強(qiáng)型”系列STM32F103ZET6[4]。

其優(yōu)勢如下：

（1）采用高性能、低成本、低功耗的的ARM Cortex-M3內(nèi)核。

（2）豐富的外設(shè)接口。包括5個USART、USB接口、CAN接口、DMA通道等，其中利用串口可以進(jìn)行上下位機(jī)的通信，利用CAN接口可以組成分布式控制系統(tǒng)等，這些都為后續(xù)系統(tǒng)擴(kuò)展提供了不可或缺的條件。

（3）強(qiáng)大的定時器功能。STM32多達(dá)11個定時器，帶有用于電機(jī)控制的PWM輸出，特別適合在電機(jī)控制場合的應(yīng)用，這就為子節(jié)點控制芯片的選取提供了強(qiáng)有力的條件。

3.2 通信總線的選取與設(shè)計

（1）上位機(jī)和主節(jié)點間通信選用了RS232總線，其設(shè)計簡單，應(yīng)用廣泛，在短距離通信中是不錯的選擇。

（2）節(jié)點間通信選取了CAN總線。CAN總線是一種多主異步串行總線，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，其具有優(yōu)良的錯誤處理機(jī)制；數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性、實時性和靈活性；通信距離長，速度快；價格低廉等優(yōu)點。

基于CAN總線的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中CAN節(jié)點的構(gòu)成可以有多種實現(xiàn)方案，因本設(shè)計中節(jié)點的控制芯片均采用STM32F103ZET6，其內(nèi)部自帶CAN控制器，為縮短開發(fā)周期，選取外加CAN收發(fā)芯片VP230來構(gòu)成CAN接口模塊。

VP230是TI公司推出的3.3VCAN總線收發(fā)器，其工作電壓為3.3V，滿足HBM模式16KV的ESD防護(hù)，允許總線上多達(dá)120個節(jié)點，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)要求，具有過熱關(guān)斷保護(hù)功能。

3.3 子節(jié)點硬件設(shè)計

子節(jié)點（如圖3所示）的主要功能為在完成通信協(xié)議解析的基礎(chǔ)上，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。主要包括CAN通信接口模塊，子節(jié)點微控制器模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊。子節(jié)點的控制芯片和CAN接口模塊和主節(jié)點一致，不再贅述。

圖3 子節(jié)點智能電機(jī)驅(qū)動模塊簡圖

為實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，本文采用在細(xì)分驅(qū)動模式下控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)。選取北京海華博遠(yuǎn)科技發(fā)展有限公司研制的THB7128作為驅(qū)動芯片。THB7128為大功率、高細(xì)分兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動專用芯片，雙全橋MOSFET驅(qū)動；最高耐壓可達(dá)DC40V；輸出電流峰值可達(dá)3.3A；多種細(xì)分模式可選，最高可達(dá)128細(xì)分。

智能模塊細(xì)分驅(qū)動工作原理：通過采用擬正弦波的繞組驅(qū)動電流實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組電流的細(xì)分控制，對步進(jìn)電機(jī)步距角進(jìn)行細(xì)分，從而達(dá)到更高的步進(jìn)精度。本設(shè)計中子節(jié)點MCU將細(xì)分控制信號發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動模塊，其內(nèi)部集成的相序產(chǎn)生器將設(shè)定的電流值送入DAC。經(jīng)誤差比較放大環(huán)節(jié)和PWM驅(qū)動調(diào)節(jié)電機(jī)繞組中的電流，使其按照給定波形變化，從而獲得所需要的細(xì)分精度驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)[5]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)節(jié)點控制軟件。

上位機(jī)的軟件通過Labwindows/CVI編寫，包括三大部分：通信模塊，管理模塊，界面設(shè)計。通信模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)CAN接口通信的初始化、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。管理模塊負(fù)責(zé)各個電機(jī)的啟停、運行步數(shù)、速度、轉(zhuǎn)向及細(xì)分模式的設(shè)置。界面設(shè)計則為人機(jī)交互提供了方便。

下位機(jī)軟件由主程序、CAN初始化程序、CAN報文發(fā)送和接收程序、電機(jī)控制程序等組成。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 下位機(jī)主流程圖

5 實驗及結(jié)果分析

本設(shè)計選用型號為42BYGHW208的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測試。

本系統(tǒng)采用“針尖對針尖”的實用實驗方法進(jìn)行驗證，并通過示波器記錄不同細(xì)分?jǐn)?shù)的波形圖，波形圖如圖5所示，實驗測試實物圖如圖6所示。

此型號步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8度，經(jīng)計算，步進(jìn)電機(jī)128細(xì)分時針尖走過的弧長約為0.0066mm，而針尖的直徑可達(dá)微米級，故此種測試方法是有效的。具體實驗方法：設(shè)置不同的細(xì)分?jǐn)?shù)，在每種細(xì)分?jǐn)?shù)狀態(tài)下設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動相同的圈數(shù)，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)動的累積誤差。記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動無累積誤差時的最大步進(jìn)頻率。得到數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 八細(xì)分取樣電阻兩端波形(理想VS實測)

圖6 整個實驗系統(tǒng)實物圖

表1 實驗測試結(jié)果

根據(jù)表1可以得到如下結(jié)論：

（1）細(xì)分驅(qū)動要有頻率上限限制的，且細(xì)分?jǐn)?shù)越高，上限頻率越低。這是因為隨著步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)的增加，其步距角越來越小，若頻率過快，則很容易出現(xiàn)振蕩失步等現(xiàn)象，并導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)丟步。

（2）為了快速而又不丟步地進(jìn)行定位驅(qū)動，建議最好采用整步和細(xì)分步相結(jié)合的方式。即首先用整步快速運行到接近預(yù)定位置，然后再用較高的細(xì)分步數(shù)“細(xì)分”驅(qū)動精確地平滑地運行到預(yù)定位置。

（3）為了可靠地不丟步的運行，建議所用驅(qū)動時鐘（CLK）頻率不要接近表1的最大限制頻率（fmax）。比如在3/4或1/2 fmax處運行，具體多少為佳需要看步進(jìn)電機(jī)所帶的負(fù)載輕重與否，負(fù)載輕，頻率就可以高一些；負(fù)載重，頻率就要低一些。這樣就可以可靠地準(zhǔn)確地驅(qū)動到預(yù)定位置。

波形圖測試說明如下：

為測試方便，本次實驗選取測試取樣電阻（圖3中RA, RB）兩端的電流波形。圖5(a)為理想狀態(tài)下8細(xì)分時的為200Hz，步進(jìn)電機(jī)A，B兩相繞組取樣電阻兩端的電流波形。可以看出兩路波形均為取絕對值后的正余弦波，相位相差90°，圖5(b)為200Hz，步進(jìn)細(xì)分?jǐn)?shù)為8時的實際測試結(jié)果，可見實測波形與理想波形基本一致，限于篇幅，其他細(xì)分?jǐn)?shù)的波形就不贅述了。圖6為主節(jié)點帶兩個子節(jié)點的整個實驗系統(tǒng)實物照片。上位機(jī)界面圖比較繁雜，尺寸大，此略。

6 結(jié)論

基于STM32和CAN總線的智能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計，很好的解決了傳統(tǒng)并行集中控制模式中存在不足，硬件上減少走線、系統(tǒng)更易于擴(kuò)展，軟件上通信更加靈活，實時性更好，糾錯能力強(qiáng)，經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)控制靈活，數(shù)據(jù)傳輸可靠，在生命科學(xué)儀器中具有較強(qiáng)的通用性和廣泛的應(yīng)用前景。

[1]張文超. CAN總線技術(shù)研究與基于CAN總線的生命科學(xué)儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計（上篇）[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備. 2005, 26(2):8-10.

[2]張文超. CAN總線技術(shù)研究與基于CAN總線的生命科學(xué)儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計（下篇）[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備. 2005, 26(3):3-5.

[3]魏衡華, 陳根杰, 張玉斌, 等. 基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]總線與網(wǎng)絡(luò). 2009, (1):29-32 .

[4]劉威龍, 孫明磊, 王頔, 等. 基于STM32的分布式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2012, (3):12-14.

[5]王志超，林巖，李大慶. 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動[J]. 信息與電子工程. 2008, 6（6）:457-459.