孫智威++劉西安++陳萍++陳紅玲

摘要：介紹了一種基于PIC24F單片機(jī)、藍(lán)牙無(wú)線通信、手機(jī)端APP控制的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，采用雙H橋驅(qū)動(dòng)、光耦隔離，具備電機(jī)參數(shù)檢測(cè)、無(wú)共態(tài)導(dǎo)通、兼容24V以下步進(jìn)電機(jī)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)；驅(qū)動(dòng)；H橋

中圖分類(lèi)號(hào)：TM301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）03-0236-02

步進(jìn)電機(jī)廣泛運(yùn)用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中，其精度高，運(yùn)行可靠，是各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本文以小功率兩相步進(jìn)電機(jī)為對(duì)象，介紹了一種基于PIC24F單片機(jī)，采用藍(lán)牙無(wú)線通信、手機(jī)端APP控制的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，硬件部分包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)電壓電流檢測(cè)電路、MCU控制電路、電源電路以及機(jī)殼溫度監(jiān)測(cè)電路，結(jié)合所設(shè)計(jì)的軟件和手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的無(wú)線控制及參數(shù)檢測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本方案以16位單片機(jī)PIC24FJ64GA004為控制核心，通過(guò)藍(lán)牙模塊接收來(lái)自手機(jī)端APP的控制指令，單片機(jī)經(jīng)光耦PC817連接MOS管雙H橋電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速等動(dòng)作。同時(shí)，DS18B20溫度傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)殼溫度，電機(jī)參數(shù)檢測(cè)電路檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)的電壓和相電流，經(jīng)MCU進(jìn)行A/D采樣、濾波處理后通過(guò)藍(lán)牙模塊上傳至手機(jī)端，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制和在線監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅(qū)動(dòng)電路是成熟的電機(jī)控制方案，電路不復(fù)雜，性能可靠，根據(jù)MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達(dá)數(shù)十安培，是理想的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案。

MOS管H橋驅(qū)動(dòng)電路有NMOS構(gòu)型和PMOS+NMOS構(gòu)型，全NMOS管H橋?qū)娮韪?，但上橋臂的NMOS管的導(dǎo)通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復(fù)雜程度和成本，我們采用PMOS+NMOS構(gòu)型方式搭建雙H橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電路更簡(jiǎn)潔，成本更低；且在這樣的小電流工作場(chǎng)合，PMOS所增加的導(dǎo)通損耗可以忽略不計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路與MCU之間進(jìn)行光電隔離，選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門(mén)（74HC08D），為驅(qū)動(dòng)電路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信號(hào)才是有效的，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更安全穩(wěn)定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數(shù)為55V、110A，TO252貼片封裝。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

2.2 電機(jī)參數(shù)測(cè)量電路

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了電機(jī)參數(shù)測(cè)量功能、通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作電壓、工作相電流和機(jī)殼溫度來(lái)實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，保證電機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

電機(jī)電流采樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度范圍寬，溫度系數(shù)僅為-40～40*10-6/℃，是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號(hào)調(diào)理電路采用LM324運(yùn)放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內(nèi)置10Bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D采樣。機(jī)殼溫度監(jiān)測(cè)選用數(shù)字溫芯片DS18B20，將其貼至電機(jī)外殼表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度參數(shù)并送入MCU。電機(jī)參數(shù)檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用0歐姆電阻將模擬地（AGND）和數(shù)字地（GND）單點(diǎn)連接，以降低相互干擾，提高電路性能。

2.3 電源及MCU控制電路

系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電路用輸入電壓供電，MCU和藍(lán)牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率低、尺寸大且發(fā)熱嚴(yán)重，因此使用DC—DC開(kāi)關(guān)電源方式提供3.3V電壓。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達(dá)1.4MHZ，極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。

藍(lán)牙選用HC-05模塊，串口自動(dòng)發(fā)送。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖4。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)

主控芯片通過(guò)藍(lán)牙模塊經(jīng)串口接收來(lái)自手機(jī)APP的電機(jī)控制指令，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、步數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等參數(shù)；同時(shí)將采集到的電機(jī)參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波后通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

3.2 手機(jī)端APP軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP基于中文編程環(huán)境“易安卓”開(kāi)發(fā)，純中文編程，上手快，減少了開(kāi)發(fā)難度。軟件可配置電機(jī)步數(shù)、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等參數(shù)，并通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至控制器；同時(shí)接收控制器發(fā)送的電機(jī)參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行解碼、顯示、保存。手機(jī)端APP如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以PIC24FJ64GA004單片機(jī)為控制核心，MOS管雙H橋驅(qū)動(dòng)，電機(jī)電壓、電流、溫度采集，藍(lán)牙傳輸?shù)臒o(wú)線步進(jìn)電機(jī)控制器。并通過(guò)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了控制器程序，通過(guò)中文語(yǔ)言“易安卓”完成了手機(jī)端APP設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的低成本無(wú)線控制。

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