基于STM32和L6208的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

1、基于STM32和L6208的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)摘要：本文介紹了步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理及控制方法，通過(guò)對(duì)ARM公司的STM32F103XX處理器Cortex-M3和ST公司步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L6208性能和驅(qū)動(dòng)原理的深入分析，闡述了一種新型驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、可靠地控制兩相兩極的步進(jìn)電機(jī)。關(guān)鍵詞：STM32、L6208、步進(jìn)電機(jī)Abstract: This paper introduced the basic work principle and control methods, By introducing the performance of STM32F103XX

2、 and thorough analyzing the drive principle of DMOS driver for bipolar steeper motor L6208, I expounded a new control system for driving steeper motor. This control system can control bipolar stepper motor real-time, well and truly and reliably.Key words: STM32, L6208, stepper motor第1章 引 言本系統(tǒng)采用STM32

3、F103XX微控制器驅(qū)動(dòng)雙極性步進(jìn)電機(jī)的方法，執(zhí)行整步和半步模式來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。用戶可以選擇：操作模式（整步/半步）；電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式（順時(shí)針/逆時(shí)針）；當(dāng)前控制模式（快速/慢速）。這種方法使用中密度STM32F103XX微控制器和全集成兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)L6208,這是性價(jià)比最高和最簡(jiǎn)單的方式獲得最小的CPU負(fù)載。Cortex-M3是專門在微控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，它大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)：1、 不需反饋器件，比其他運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成本低。2、 尤其在低速扭轉(zhuǎn)力和強(qiáng)穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)。3、 低功耗，高

4、性能并且靈活，可用于機(jī)器人控制，機(jī)械工具轉(zhuǎn)彎處，影像和其它精準(zhǔn)的軸位置控制環(huán)境。4、 高性能的STM32F103XX微控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)依賴于控制器的低計(jì)算環(huán)境。第2章 方案比較與論證總體系統(tǒng)框圖如圖1所示：圖1 系統(tǒng)框圖2.1 控制模塊選擇方案一：采用89C51作為步進(jìn)電機(jī)控制器。經(jīng)典51單片機(jī)具有價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但其運(yùn)算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小，不穩(wěn)定等特點(diǎn)。方案二：采用STM32F103XX作為步進(jìn)電機(jī)控制器。STM32通過(guò)寄存器模式，尋址方式靈活，RAM和FLASH容量大，運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓等，且通過(guò)TIM2的輸出比較模式來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)以連續(xù)周期的50%

5、和一個(gè)可變頻率。DMA控制器可用來(lái)改變時(shí)鐘周期，Systick定時(shí)器靈活地產(chǎn)生中斷?；谝陨戏治觯x擇方案二。2.2 電機(jī)的選擇方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。直流電機(jī)的工作狀態(tài)可分為兩種：開(kāi)環(huán)狀態(tài)和閉環(huán)狀態(tài)。直流電機(jī)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但其定位性能比較差。直流電機(jī)工作的閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，其定位性能精確，但是相對(duì)開(kāi)環(huán)狀態(tài)又要增加很多檢測(cè)器件，使用的元器件多，電路非常復(fù)雜。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹?/p>

6、線位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟停的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)， 電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。因此，步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)，而且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換精度高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，非常適合定位控制系統(tǒng)?；谝陨戏治?，選擇方案二。2.3 驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易；缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)速度慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短。方案二：采用L6208驅(qū)動(dòng)芯片。提供了帶CMOS/

7、TTL輸入邏輯以及幾個(gè)保護(hù)功能的全保護(hù)型雙H驅(qū)動(dòng)橋，且為驅(qū)動(dòng)雙極步進(jìn)電機(jī)而專門優(yōu)化的全集成驅(qū)動(dòng)器，從而大幅度減少了電機(jī)控制應(yīng)用所需的外圍元器件的數(shù)量。此芯片產(chǎn)品采用8V52V的單電源電壓，所有的邏輯輸入引腳都配有降低噪聲敏感度的磁滯功能，而且兼容TTL/CMOS/CMOS 3.3V電壓。為全面保護(hù)對(duì)地短路和每個(gè)電橋的兩個(gè)相位之間的短路，芯片內(nèi)置過(guò)流檢測(cè)電路（OCD）。OCD電路用于監(jiān)測(cè)流經(jīng)上橋臂功率DMOS晶體管的電流，因?yàn)闆](méi)有外部電阻器，所以也就降低了功耗，符合節(jié)能要求。此外，為保證對(duì)IC進(jìn)行的全面的保護(hù)，芯片上還集成了其它的特殊電路：監(jiān)測(cè)電源電壓的低壓封鎖保護(hù)以及一旦結(jié)溫超過(guò)165時(shí)關(guān)閉所

8、有功率輸出的熱保護(hù)功能。這個(gè)器件能夠適應(yīng)各種應(yīng)用，包括微步進(jìn)應(yīng)用。基于上述理論分析和實(shí)際情況，擬定選擇方案二。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)RESET、 ENABLE、 FAST/SLOW、 HALF/FULL、 CLOCK、 CW/CCW是控制信號(hào)的輸入端，控制信號(hào)由STM32提供，可以直接將STM32與L6208的相應(yīng)引腳相連。STM32控制L6208對(duì)應(yīng)引腳如表1所示：STM32引腳L6208引腳TIM2_CH1(PA0)CLOCK（PIN_1）PC2CONTROL(PIN_13)PC3HALF/ (PIN_12)PC4CW/ (PIN_2)PC5RESET(PIN_23

9、)PC13EN(PIN_14)表1 STM32控制L6208對(duì)應(yīng)引腳電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示：圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖L6208驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3所示：圖3 L6208驅(qū)動(dòng)電路圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖：部分流程圖：圖4 DMA流程圖圖5 系統(tǒng)時(shí)鐘流程圖第5章 功能測(cè)試及結(jié)果分析第6章 結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)主要以STM32為主要控制芯片。采用了L6208驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求硬件電路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，編程靈活方便來(lái)滿足系統(tǒng)的要求。參考文獻(xiàn)1 李寧，基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)出版社2 黃智偉，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天

10、大學(xué)出版社3 ST公司，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)l6208應(yīng)用手冊(cè)。附錄一主要元器件清單：器件名稱器件數(shù)量STM32F103RBT6微控制器1片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L6208N1片42BYG102步進(jìn)電機(jī)1個(gè)電阻、電容、電位器、二極管若干附錄二主程序：int main(void) /* System Clocks Configuration */ RCC_Configuration(); /* NVIC Configuration */ NVIC_Configuration(); /* Activate the driver */ Stepper_Cmd(ENABLE); /* Driver control pi

11、n configuration */ Stepper_PinControlConfig(); /* Disable the initialization of the driver */ Stepper_ResetDisable(); /* -Modes selection: Rotation direction, Step mode, Decay mode-*/ #ifdef RotationDirection_CW Stepper_SetRotationDirection(Stepper_RotationDirection_CW);#endif /* RotationDirection_C

12、W */#ifdef RotationDirection_CCW Stepper_SetRotationDirection(Stepper_RotationDirection_CCW);#endif /* RotationDirection_CCW */ #ifdef Half_Step Stepper_SelectMode(Stepper_Half);#endif /* Half_Step */ #ifdef Full_Step Stepper_SelectMode(Stepper_Full);#endif /* Full_Step */ #ifdef ControlSlow_Current

13、 Stepper_SetControlMode(Stepper_ControlSlow);#endif /* ControlSlow_Current */ #ifdef ControlFast_Current Stepper_SetControlMode(Stepper_ControlFast);#endif /* ControlFast_Current */ /* Start the stepper motor */ Stepper_Start(ENABLE); /* Peripherals configuration */ Stepper_Init(); while (1) /* * br

14、ief Configures the different system clocks. * param None * retval : None */void RCC_Configuration(void) /* RCC system reset(for debug purpose) */ RCC_DeInit(); /* Enable HSE */ RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON); /* Wait till HSE is ready */ HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp(); if(HSEStartUpStatus = S

15、UCCESS) /* Enable Prefetch Buffer */ FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); /* Flash 2 wait state */ FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); /* HCLK = SYSCLK */ RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); /* PCLK2 = HCLK */ RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); /* PCLK1 = HCLK/2 */ RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK

16、_Div2); /* PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz */ RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); /* Enable PLL */ RCC_PLLCmd(ENABLE); /* Wait till PLL is ready */ while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) = RESET) /* Select PLL as system clock source */ RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); /* Wait till PLL is used as system clock source */ while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08) /* * brief Configure the nested vectored interrupt controller. * param None * retval : None */void NVIC