熊遠生，劉春元，蔡偉忠

（嘉興學院 機電工程學院，嘉興 314001）

0 引言

步進電機轉(zhuǎn)動的角度和輸入驅(qū)動脈沖的個數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)動速率可以通過驅(qū)動脈沖的頻率來控制，有較高的定位精度，無位置累積誤差及特有的開環(huán)運行機制，與閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，可減少系統(tǒng)成本，并提高了可靠性，具有較高的控制精度；因此，在精度要求不高的運動控制系統(tǒng)中，在工業(yè)領(lǐng)域得到了大量應用[1,2]。

為進一步提高控制精度，在實際應用中廣泛應用步進電機細分驅(qū)動器，細分驅(qū)動器一般提供三個輸入接口信號，ENA信號為脫機信號（低電平有效），當此輸入控制端為低時，電機勵磁電流被關(guān)斷，電機處于脫機自由狀態(tài)，此信號在大多數(shù)應用時一般懸空，DIR信號方向電平信號輸入端，高低電平控制電機正/反轉(zhuǎn)，PUL步進脈沖信號輸入，每個信號提供兩個輸入端，內(nèi)部用光耦實現(xiàn)隔離。

在工業(yè)控制中，有很多應用場合需要在上位機控制多個步進電機同時工作，如在水位傳感器的初始螺栓位置調(diào)整中，為提高工作效率，希望10個步進電機在上位機控制下帶動10個傳感器同時進行位置調(diào)整。但是上位機一般不能直接連接細分驅(qū)動器，通常采用PLC的普通輸出端口連接細分驅(qū)動器的DIR信號，PLC的脈沖輸出端口連接細分驅(qū)動器的PUL信號，PLC與上位機之間通過RS485連接。但PLC價格相對較貴，編程靈活性不高。

本文針對在控制中需要控制多個步進電機的需求，設(shè)計了一種基于STM32的步進電機控制器，采用RS485與上位機相連，STM32輸出端口經(jīng)過放大后連接細分驅(qū)動器的DIR信號和PUL信號，將FreeModbus協(xié)議移植到STM32上，使用Modbus協(xié)議和上位機通信，接收DIR信號、PUL信號和設(shè)置參數(shù)等信息，通過軟件實現(xiàn)輸出脈沖頻率可調(diào)、已輸出脈沖個數(shù)可查詢、輸出脈沖可終止等功能。

1 總體方案設(shè)計

在需要上位機對多個步進電機控制的場合，系統(tǒng)應用方案如圖1所示，上位機通過USB轉(zhuǎn)485和N個步進電機控制器進行485組網(wǎng)，上位機使用Modbus協(xié)議和N個步進電機控制器進行通信，步進電機控制器在收到方向和轉(zhuǎn)動步數(shù)等信息后，將方向信號以高低電平的形式發(fā)送給相應的細分驅(qū)動器，將轉(zhuǎn)動步數(shù)以脈沖個數(shù)的形式發(fā)送給相應的細分驅(qū)動器，細分驅(qū)動器在方向信號和脈沖信號的控制下，帶動相應的步進電機轉(zhuǎn)動。

圖1 系統(tǒng)應用方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于STM32的步進電機控制器硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)由24V供電，經(jīng)過降壓處理后提供5V和3.3V直流電，上位機通過USB轉(zhuǎn)485接口后與步進電機控制器的RS485接口連接，STM32的IO口經(jīng)過驅(qū)動后，通過輸出接口連接細分驅(qū)動器的ENA、DIR和PUL接口，撥碼開關(guān)輸入用于設(shè)置步進電機控制器地址。

圖2 基于STM32的步進電機控制器硬件框圖

系統(tǒng)電源電路如圖3所示，該電路主要是由78M05和LM1117兩個三端穩(wěn)壓器構(gòu)成。24V的直流電壓經(jīng)過78M05穩(wěn)壓器降壓變成5V，其中D1是整流二極管，R1、R2和R3起分壓散熱的作用，5V電壓再經(jīng)過LM1117-3.3穩(wěn)壓器降成3.3V。

圖3 電源電路

CPU電路如圖4所示，采用STM32F030F4P6芯片作為主控芯片，以RC電路作為上電復位電路，時鐘電路采用8MHz晶振，引出SW接口作為調(diào)試借口，對CPU的BOOT0引腳采用跳線的方法，根據(jù)需要可接高電平或低電平，采用一個發(fā)光二極管LED1對3.3V電源進行指示。

485接口電路如圖5所示，采用SP3485實現(xiàn)串口到485的轉(zhuǎn)換，采用STM32F030F4P6芯片PA0腳控制傳輸方向，R22和R20分別起到上拉電阻和下拉電阻的作用，R21做為終端匹配電阻，只是在網(wǎng)絡(luò)的首末端才焊接。F1和F2為自恢復保險絲，和T1、T2一起對電路起保護作用。

輸出接口電路如圖6所示，采用三極管來驅(qū)動步進電機驅(qū)動器的輸入光耦，STM32F030F4P6芯片的I/O口通過控制三極管的基極實現(xiàn)對步進電機驅(qū)動器的輸入光耦的通斷控制，將電平信號和脈沖信號傳送給步進電機驅(qū)動器。

圖4 CPU電路

圖5 485接口電路

圖6 輸出接口電路

撥碼開關(guān)電路如圖7所示，采用上拉電阻的方法，當撥碼開關(guān)OFF時，程序中對相應輸入復位，撥碼開關(guān)ON時，程序中對相應輸入置位。1～5位撥碼開關(guān)用于地址輸入，分別對應1～32，當1～5位撥碼開關(guān)全OFF時，對應地址為32，其余地址直接對應其輸入二進制的組合。

圖7 撥碼開關(guān)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

FreeModbus是一個針對嵌入式應用的通用Modbus協(xié)議。Modbus通信協(xié)議棧包括兩層：Modbus應用層和網(wǎng)絡(luò)層。FreeModbus提供了RTU/ASCII傳輸模式及TCP協(xié)議支持[3,4]。

移植FreeModbus協(xié)議時對硬件的需求包括，具有一個支持接收緩沖區(qū)滿中斷和發(fā)送緩存區(qū)空中斷的異步串行接口、有一些能夠容納Modbus數(shù)據(jù)幀的RAM空間和一個定時器。

中斷控制配置，在FreeModbus的標準移植接口文件port.h中，設(shè)置兩個臨界保護函數(shù)的宏定義，實現(xiàn)全局中斷的打開和關(guān)閉。相關(guān)程序如下：

#define ENTER_CRITICAL_SECTION( ) __disable_irq();

#de fi ne EXIT_CRITICAL_SECTION( ) __enable_irq();

在物理層，用戶只需完成串行口及超時定時器的配置即可。具體應修改接口文件portserial.c和porttimer.c。

1）eMBErrorCode eMBInit()完成物理層的初始化。主要包括：BOOL xMBPortSerialInit()串口初始化，設(shè)定I/O口功能、波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗方式；BOOL xMBPortTimersInit定時器初始化，設(shè)定定時器，設(shè)定t3.5定時需要的定時常數(shù)；

2）eMBErrorCode eMBEnable()使能協(xié)議棧。

3）void vMBPortTimersDisable()關(guān)閉超時定時器，在此函數(shù)中清零定時器計數(shù)值，關(guān)閉定時器中斷；

4）BOOL xMBPortSerialPutByte()發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)，需要先使能485芯片的發(fā)送信號，調(diào)用USART_SendData()完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，適當延時后使能485芯片的接收信號；BOOL xMBPortSerialGetByte()接收一字節(jié)數(shù)據(jù)，調(diào)用USART_ReceiveData()完成數(shù)據(jù)接收；

5）void UART1_IRQ()通過調(diào)用USART_GetITStatus()實現(xiàn)對發(fā)送和接收狀態(tài)的判斷，進行相應的處理。

應用層配置，在執(zhí)行eMBEnable()使能協(xié)議棧后，不斷循環(huán)調(diào)用eMBErrorCode eMBPoll()檢測事件，通過四個接口函數(shù)eMBRegInputCB()，eMBRegHoldingCB()，eMBRegCoilsCB()和eMBRegDiscreteCB()實現(xiàn)對離散輸入、輸出線圈、輸入寄存器和保持寄存器的讀寫操作。

步進電機控制器的功能處理主要用eMBRegHold ingCB()完成，eMBRegHoldingCB()對應06功能嗎時用來處理設(shè)置輸出脈沖頻率、輸出脈沖個數(shù)、輸出脈沖方向和輸出脈沖終止，eMBRegHoldingCB()對應03功能嗎時用來處理查詢輸出脈沖頻率、已輸出脈沖個數(shù)、輸出脈沖方向、輸出脈沖終止標志，地址分別對應40001到40004。

完成軟硬件設(shè)計后，搭建的實驗系統(tǒng)如圖8所示，上位機采用USB轉(zhuǎn)485和兩臺步進電機控制器組網(wǎng)，上位機上運行Modbus Poll軟件，設(shè)置相應參數(shù)后，步進電機能按期望的頻率，方向和脈沖個數(shù)工作。

4 結(jié)束語

圖8 步進電機控制器實驗系統(tǒng)

本文設(shè)計了一種基于STM32的步進電機控制器，將FreeModbus協(xié)議移植到STM32上，實現(xiàn)了通過Modbus對多臺步進電機的控制，實驗結(jié)果表明，設(shè)計的步進電機控制器是可行的。