陈 静，李景忠，姜媛媛

(安徽理工大学，淮南 232001)

0 引 言

步进电动机是将电脉冲信号转换成角位移或直线位移的控制电机[1-2]，电脉冲信号的频率和个数决定电机的转速和位置[3-4]。步进电动机因具有体积小、性价比高、控制精准、无累积误差等优势而得到广泛应用[5-7]。

步进电动机控制采用传统的整步或者半步控制，由于步距角较大，容易出现低频振荡、丢步及噪声较大等问题[8-10]。细分驱动技术是目前步进电动机驱动技术的发展趋势之一，细分驱动不仅有利于步进电动机的精准运行，而且还可以减小甚至消除步进电动机的低频振荡，降低噪声，改善其动态性能[11-12]。控制电路集成化和功率驱动模块化是步进电动机驱动技术的另一个发展趋势，即驱动电路采用步进电动机专用驱动芯片，并设计有保护电路，集控制电路与驱动电路于一体，对驱动控制系统的性能也有一定的提升[13-14]。

随着微电子技术和驱动技术的发展，传统的驱动技术已无法满足实际应用需求，对步进电动机的控制精度和稳定性提出了更高的要求。本文中驱动电路使用的TC1005是一款高节能、高精度和完整的数字控制的步进电动机驱动芯片，具有256细分，支持无传感器负载高精度检测，电流自适应控制，节能高效，具有过流、短路和过温保护等功能。本文构建了步进电动机细分驱动仿真模型，通过仿真验证系统设计方案的正确性；构建了以STM32F103ZET6为主控制器、TC1005为驱动芯片的集控制驱动于一体的步进电动机细分驱动系统，并设计了上位机通信软件，通过SPI通信实现对步进电动机的闭环智能控制。测量步进电动机的一相绕组电流变化情况表明，系统控制精度明显提高，运行稳定，拓宽了步进电动机驱动器应用的普适性。

1 系统总体方案设计

系统由增强型STM32F103x主控制器、 PC上位机、 JTAG调试模块、电源模块、H桥及两相混合式步进电动机构成，总体设计方案框图如图1所示。

TC1005是具有多细分、高精度的步进电动机专用驱动芯片，STM32控制器需要对TC1005芯片进行参数配置，参数配置完成后，TC1005芯片才能工作。STM32控制器以不同频率PWM控制驱动芯片，实现步进电动机起动、停止、加减速和正反转。上位机设定好参数后，上、下位机进行数据通信，STM32控制器接收到参数指令后，通过SPI接口向TC1005传输数据，可以实现人机交互，智能化控制步进电动机的运行参数。系统运行中，TC1005芯片通过采样电阻检测负载情况，通过SPI接口实时反馈到STM32控制器，并在上位机界面显示，实现系统闭环控制，使系统安全稳定运行。

图1 系统总体方案框图

2 硬件系统设计

2.1 STM32主控制器

本文中处理器采用增强型STM32F103系列控制器，支持有64kB SRAM，512kB FLASH，3个SPI接口等，且系统具有功耗低、丰富且高级的开发工具和中断系统响应等，提高了系统通信的稳定性；STM32处理器使用了ARMv7-M体系架构，运行速度更快，有利于步进电动机控制[15]。

2.2 TC1005步进电动机驱动芯片

TC1005是一款高节能、多细分高精度的步进电动机驱动芯片，自带微步、方向接口和SPI通信接口，可以选择不同的外部MOSFET驱动步进电动机，提高了系统的可靠性。芯片可以直接连接MOS管，实现对步进电动机的控制；芯片内置平均电流斩波算法，使电机电流的过零点得到了优化处理，大大提高了驱动速度；芯片最高支持256细分，将控制精度精确到微步细分，降低了累计误差，使系统运行更平稳；芯片内部集成有SPI接口，通过外部设置参数进行配置，可以实现对步进电动机的控制和监控；芯片具有过流、短路和过温保护等功能。TC1005的高节能、高精度和快速的动态响应特性，在工业和商业中被广泛应用。

2.3 TC1005的SPI接口及寄存器配置

TC1005芯片的参数配置是主控制器通过SPI接口对寄存器读写数据完成的。其配置时序如图2所示。将TC1005芯片内的SPI接口与内部系统时钟保持同步，SPI总线时钟SCK设置为系统时钟频率的一半，才能与主控制器进行数据通信。为了保证传输的可靠性，使用系统内部时钟时，保留最小内部时钟和最大SPI主时钟10%的裕量。STM32主控制器向TC1005发送数据包，同时STM32主控制器也读回TC1005芯片内部状态的数据包；STM32主控制器通过SPI接口发送和接收20位的数据包，实现对TC1005的寄存器的读写操作，寄存器包括驱动控制寄存器，斩波寄存器，智能寄存器，斜率寄存器，驱动配置寄存器。

图2 SPI配置时序图

图2中，使能引脚为CSN，低电平有效；时钟引脚为SCK，其工作频率为20 MHz；数据输入引脚为SDI；数据输出引脚为SDO。当CSN由高电平变为低电平时，SCK连续输出20个脉冲对应于20个数据位，同时相应的数据位依次经移位寄存器由高位到低位传送给SDI。

2.4 驱动电路

驱动电路包括驱动主电路和功率转换电路。TC1005驱动主电路如图3所示，TC1005产生的PWM信号将作为H桥中MOS管的动作信号。功率转换电路，即H桥电路，是一个逆变电路，将外部电源提供的直流电逆变为驱动步进电动机的交流电。

图3 TC1005驱动主电路

图3中，ENN为芯片使能引脚，DIR为方向控制引脚，STEP为输入PWM脉冲信号引脚， SG_TST为堵转反馈引脚。TC1005输出的HA1，HA2，HB1，HB2，LA1，LA2，LB1，LB2信号与FDD8424H驱动管共同构成H桥驱动电路；A+，A-，B+，B-同时接入FDD8424H 驱动管的输出端和步进电动机的两相绕组；SRA，SRB是采样电阻的采样信号，芯片取得采样信号作电流斩波用，提高步进电动机的动态响应。对驱动芯片配置完成后，主控制器可以根据实际需求发出控制信号，控制步进电动机实现起动、停止、正反转和加减速。

系统采用二相混合式步进电动机，需要双极性驱动方式才能工作，即绕组在一个周期内需要有正反两个方向的电流流通，而系统采用H桥电路解决了步进电动机双向电流流通的问题；二相步进电动机需要8个开关管构成2个H桥。本文中MOS管驱动采用具有双N & P沟道的FDD8424H芯片，只需4只芯片即可构成2个H桥，其中A相的H桥功率转换电路如图4所示。

图4 步进电动机A相H桥驱动电路

图4中当通以正向电流时，则U1B和U2A开通，当通以反向电流时，则U1A和U2B开通。电阻R1、R2为低感抗的采样电阻，电阻R3为保护电阻，采样电阻用来检测电机相电流的大小，吸收来自MOSFET桥的尖峰值。采样电阻容易受到负电压的影响，采样值经过一个保护电阻可以防止芯片损坏。

由于步进电动机有电磁特性，对单片机控制电路有电磁干扰，系统采用光电隔离电路使单片机与驱动芯片隔离，步进电动机控制信号隔离电路如图5所示。光耦隔离是为了防止电机干扰损坏主控制电路和对控制信号进行整形。输入控制信号包括：步进脉冲信号STEP+，STEP-；方向信号DIR+，DIR-；使能信号ENN+，ENN-。输入控制信号经光耦隔离后输入TC1005驱动芯片。系统选择1片EL6N137高速光耦隔离STEP信号，使信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动；选择2片EL817普通光耦隔离ENN和DIR信号。

图5 光耦隔离电路

3 软件系统设计

主控制器STM32采用MDK5编程编译软件，ST公司提供了一套丰富的固件库，因此不需要直接操作底层的寄存器，通过操作库函数即可实现系统需求，方便快捷，提高了编程效率。本文软件设计遵循ARM CortexTM主控制器软件接口标准，CMSIS提出的分层结构把整个驱动控制系统分为应用层和系统层，应用层即上位机界面设计，系统层包括设备层和固件函数库，即控制运行程序层和芯片参数配置层，系统软件分层结构如图6所示。

图6 系统软件分层结构

3.1 上位机界面设计

在本文中，上位机采用LabVIEW软件设计了符合控制系统、简便可靠的操作界面，通过上位机与下位机进行数据传输，主控制器接收上位机发送的控制信号，实现对整个系统的有效控制，并能实时监测到步进电动机的当前运行状态。上位机界面如图7所示，串口初始化完成后，可人为设置参数，参数设置包括：细分数、正反转、速度、电流等；设置完参数后点击串口号和使能按钮，实现人机交互的智能化控制系统运行状态。

图7 控制的软件实现

3.2 程序流程

系统程序主要由主程序、细分驱动子程序、参数配置子程序、脉冲程序、下位机通信程序、数据处理等组成。主程序流程图如图8所示，实现整个程序的流程控制，完成各模块初始化、定时器工作方式和中断方式设置、子程序调用、下位机运行参数的接收、采集数据的回读等功能，另设看门狗代码防止程序“跑飞”，提高运行程序的可靠性。

图8 主程序流程图

4 系统仿真与实验验证

4.1 系统仿真

系统采用MATLAB/Simulink软件搭建了步进电动机细分驱动仿真模型，如图9所示。示波器1输出步进电动机A相绕组电流，示波器2输出步进电动机B相绕组电流。将输入步进电动机两个定子绕组的脉冲信号、给定细分电流信号和仿真不同细分时输入到步进电动机的定子绕组电流信号波形进行对比分析。

图9 步进电动机细分驱动仿真模型

示波器1输出波形如图10所示。在2细分时，输入到步进电动机A相定子绕组的电流波形近似阶梯正弦波，有部分纹波，噪声和振动较大。

(a) 脉冲信号

(b) 给定细分电流信号

(c) 2细分时输入到步进电动机A相绕组的电流信号

图102细分电机绕组波形

图11为示波器1输出波形分别为256细分时的波形图。在256细分时，输入到步进电动机2个定子绕组的电流波形也近似正弦波，并且波形圆滑，无明显纹波，噪声和振动也得到改善。

(a) 脉冲信号

(b) 给定细分电流信号

(c) 256细分时输入到步进电动机A相绕组的电流信号

图10和图11的仿真结果表明，细分驱动能使电机定子相绕组电流变得较平滑，噪声和振动减小，有益于实现步进电动机高精度驱动和稳定运行。

4.2 实验验证

实验系统实物平台如图12所示。实验采用57HS22A二相混合式步进电动机(步距角1.8°，电流3.5 A，静力矩2.2 N·m)，系统输入脉冲信号频率设置为100 Hz，用示波器对输入步进电动机的一相绕组的电压进行测试。

图12 实验系统实物平台

图13为步进电动机在2细分模式下输入到步进电动机A相绕组的电压波形和系统输入PWM脉冲信号波形。

图13 2细分A相绕组波形变化

由图13可知，在2细分时，输入到步进电动机绕组的电压波形与仿真结果(图10)相比，有部分毛刺现象，阶梯波形变化不够圆滑，电机运行时振动和噪声也较大。

图14为步进电动机在256细分模式下输入到步进电动机A相绕组的电压波形和系统输入PWM脉冲信号波形。

图14 256细分A相绕组波形变化

由图14可知，在256细分时，输入到步进电动机绕组的电压波形与仿真结果(图11)相比，电机绕组的电压波形已经非常接近正弦波，并且阶梯波形变化圆滑，电机运行振动和噪声得到改善。

5 结 语

本文提出了基于TC1005的二相步进电动机细分驱动控制系统设计方案，实现了步进电动机最小步距角为0.007°，噪声和振动小，实现了步进电动机在不同细分模式下的精准稳定运行。

通过建模与仿真，搭建了实验系统实物平台，并测试了步进电动机在实际工作状态下的绕组波形变化情况。从2细分和256细分的实验波形可以看出，当逐渐增加细分数时，电机的振动和噪声会随之减小，在256细分时电机的振动和噪声非常小。实验结果表明，系统能够明显降低低频振动和噪声。由于MOS管大电流的开、关断和电机的反电动势等原因，波形有部分毛刺，但在实际应用中仍然能较好地满足需求，由此验证了本方案的正确性和可行性。

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