使用中密度 STM32F103xx 微控制器驱动双极步进电机

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STMCU小助手发布时间：2022-7-17 18:34

技术帖
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文章简介:	使用中密度 STM32F103xx 微控制器驱动双极步进电机

前言
本应用笔记讲解了当使用基于 cortex-M3 微控制器的 medium-density STM32F103xx 系列产品驱动双极步进电机时，怎样做到体积小、速度高、成本低、资源少。它提供一种简单的方法，实现全步进和半步进工作模式控制步进电机。
步进电机是一种机电设备，可将电脉冲转换为离散的机械步进运动。当以适当顺序施加电命令脉冲时，步进电机的轴将以离散步进旋转。当需要受控的运动时，步进电机是一个很好的选择。尤其是当应用需要控制旋转角、速度、位置和同步时，它们非常有用。
步进电机的主要优势在于它们不需要反馈器件；与其它运动控制系统相比，它们很便宜；它们有极佳的低速扭矩且很稳定。很多步进电机应用都得益于 STM32F10xxx 器件的功耗、特性及灵活性。包括机器人控制器、车床工具、摄影机及其它精确的轴位置控制环境。
此外，STM32F10xxx 微控制器的高性能为设计者们提供了仅需控制器的很低计算资源，就可以稳定控制步进电机。
本应用笔记给出了一个简单的方法来实现按照典型运行曲线运行（先加速，再匀速，最后减速）的步进电机控制。用户可选择工作模式（全步进或半步进）、电机的旋转方向（顺时针或逆时针）、控制电流模式（快衰减或慢衰减）。此方法使用 medium-density STM32F103xx及 L6208 全集成两相步进电机驱动。此方法价格最低、实现最简单、使用的 CPU 负荷最小

1步进电机基础
1.1步进电机类型
有三种基本的步进电机类型：
●可变磁阻
●永磁
●混合
可变磁阻（VR）电机类型已经存在了很长时间。从构造角度，它可能是最容易理解的。此类电机包含一个软铁多齿转子和一个绕线定子。当向定子绕组输入 DC 电流时，定子励磁为磁极，当转子的齿被吸到通电的定子磁极时，会发生旋转。永磁（PM）电机类型向电机结构增加了永磁体。转子不像 VR 电机中那样有齿，而是磁化为交替的北极和南极，两极位置在与转子轴平行的直线上。这些磁化转子极提供了增强的磁通
量密度，与 VR 类型相比，它为 PM 电机带来了更好的扭矩特性。
混合（HB）电机类型在步进分辨率、扭矩和速度方面有更好的性能。此类电机融合了 PM 和VR 步进电机这两种类型的最佳特性。与在 VR 电机中一样，转子是多齿的，在其转轴周围包含轴向磁化的同心磁。转子上的齿提供了更好的路径，有助于将磁通引导至气隙中的所需位置。与 VR 和 PM 电机类型相比，此特性增加了电机的制动、保持和动态磁通特性。
步进电机可为双极或单极绕组。
单极步进电机有两个相同的线圈，它们不做电连接，都有中心抽头。双线无感线圈组的任一端通电，共用中心抽头，则磁通反转。单极步进电机的优势在于它们仅需要一个切换开关。然而，它们需要双线无感线圈组，这意味着对于一个给定的体积因子，线更细，电阻更高。
除了线圈没有中心抽头外，双极步进电机与单极电机相同。对于双极电机，可使用 H 桥反转绕组的极性及磁通。双极步进电机的优势在于它们仅使用一个线圈，因此具有较好的体积因子（较低的线圈电阻）。
单极电机仍被广泛使用，因为当与分立器件一起实现时，它们的驱动电路更简单。然而，对于现今的集成电路，驱动双极电机所需的元件也不比单极电机多。

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1.2驱动信号
当供电时，直流电机可自行运行，而步进电机需要换向信号。
可使用不同模式驱动步进电机，包括全步进和半步进模式。通常全步进模式被全步进电机驱动使用。在此模式中，两个相位都一直被供电，电机具有全额定扭矩。此控制模式仅需四个矩形信号，也可由 PWM 生成（在一步的时间内有固定的占空比）。取决于超前相位，电机轴会顺时针或逆时针旋转。
半步进模式更复杂一些。若使用了半步进驱动，则在每个时钟沿后，电机会前进半步，这样能得到更高的位置分辨率及降低不稳定性。
然而，在两种模式中，信号都以确定的方式互相相关，因此可用标准逻辑生成。较好的逻辑实现最好使用专业应用集成电路，当然芯片价格也很高。简单讲，专业应用集成电路包含内部转换电路，由步长和方向输入控制。 IC （集成电路）电机控制器仅有三种工作模式：全步进两相开、半步进、波形驱动。此类 IC 需要输入四个信号至控制器，它们由微电脑或其它专用控制芯片提供。此外，此解决方案需要一个功率驱动电路和一个微处理器，来产生不同电机的驱动控制信号。
一些已知应用需要能改变步进电机速度，以生成确定的速度曲线（例如，一个典型的运行曲线）。在此情况下，在这三种可能的模式中，驱动步进电机的最好方式为软件解决方案，使用能代替任何其它控制器的微控制器电路。在基于微控制器的应用中，可使用软件和 PWM 定时器，因此不需要外部控制器。
使用此方法可用最少的硬件及非常低的微控制器 CPU 负荷实现高速应用。

2使用中密度 STM32F103xx 驱动双极步进电机
本章说明了如何根据图 2 中所示的典型运行曲线，使用 medium-density STM32F103xx 来驱动全步进和半步进模式的步进电机。

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2.1硬件开发
如前面章节所述，需要正确选择微控制器和 IC，以实现驱动步进电机的最佳解决方案。在本应用中，选择的是 medium-density STM32F103xx 器件和 L6208 DMOS 驱动。

2.1.1 STM32F10xxx 用于驱动双极步进电机的特性
medium-density STM32F103xx 的外设非常适合驱动步进电机。这些外设包括三个标准（通用）定时器（TIM2、TIM3、TIM4），其内部时钟频率最高为 72 MHz，以及用于高分辨率捕获的四个 16 位独立通道。此外，STM32F103xx 外设包括一个高级控制定时器（TIM1），其内部时钟频率最高为 72 MHz，以及四个 16 位高分辨率捕获通道。此定时器有三个通道（CH1、CH2、CH3），它们可生成三个互补信号。它还有一个独立通道（CH4）。这些定时器通道可生成 PWM 中的信号或输出比较模式中的信号。要生成 L6208 控制步进电机所需的常规步进时钟输入，需要 PWM 和输出比较特性。本应用的目的为在输出比较切换模式中使用 TIM2 控制步进电机速度，占空比恒定为 50%，频率可变。后者用于改变电机速度，使之与典型速度曲线相符。当更改时钟频率时，需要最低 CPU 负荷以防止驱动的步进电机停转。
用 DMA 控制器传输定时器周期可加速 CPU 的工作，这是因为通过 DMA 控制器，周期数据直接由存储器传输到定时器控制寄存器，而不需要 CPU 干预。 STM32F10xxx 的 DMA 控制器有七个独立可配通道，每个通道有三个事件标志：一个用于 DMA 半传输，一个用于 DMA传输完成，最后一个用于 DMA 传输错误。在本应用中，使用更新事件 DMA 请求和 DMA 传输完成中断来控制周期的传输。对于所有定时器，更新事件请求都存在于不同的 DMA 通道中。因此，此选择的优势在于：所有定时器与其 DMA 请求都能同时工作以驱动不同的步进电机。
SysTick 用于在 T 时间内维持最大步进电机速度。每次达到所编程的时间基准时，这一灵活的系统定时器都可生成一个中断。
medium-density STM32F103xx 有八十个 GPIO，可配置为复用功能推挽。这些 I/O 可控制步进电机的旋转方向（顺时针或逆时针）、步进模式（全步进或半步进）、衰变模式（慢或快）、L6208 芯片使能信号。（若需 medium-density STM32F103xx 特性的更详细信息，请参考 STM32F10xxx 参考手册）。
总之，使用这些外设， medium-density STM32F103xx 可同时驱动十九个全步进及半步进模式的步进电机，仅需消耗最低的 CPU 负荷。此解决方案的硬件需求为：功率极中每个线圈都要有一个集成了基本 H 桥电路的 IC，以及主要用于相位生成的中央逻辑。

2.1.2双极步进电机的 L6208 DMOS 驱动
用于双极步进电机的驱动电路更复杂一些，因为双极电机的绕组上没有中心抽头。因此，若需反转电机线圈所产生场的方向，需要使用 H 桥电路，通过线圈反转电流。市场上有很多集成的 H 桥驱动。本应用选择的驱动为 L6208，它是 DMOS 全集成步进电机驱动，其非耗散过电流保护用于驱动两相双极步进电机。它包含一个双 DMOS 全桥、用于执行浪涌调节的两个固定关断时间 PWM 电流控制器（每个桥一个）、用于生成步进序列的一个相位序列生成器。
图 3 表示了 L6208 IC 框图。对于此图，主要的 L6208 输入为：
●EN 逻辑输入：它是芯片使能输入。低逻辑电平可切断桥 A 和桥 B 的所有功率 MOSFET。
此引脚还连至过电流和热保护电路的集电极以实现过电流保护。
●CLOCK 逻辑输入：它是步进时钟输入。在每个上升沿，状态机前进一步。
●CW/CCW 逻辑输入：它选择了旋转的方向。高逻辑电平设置的是顺时针方向，低逻辑电平设置的是逆时针方向。
●HALF/FULL 逻辑输入：它是步进模式选择器。高逻辑电平设置的是半步进模式，低逻辑电平设置的是全步进模式。
●CONTROL 逻辑输入：它是衰变模式选择器。高逻辑电平设置的是慢衰变模式，低逻辑电平设置的是快衰变模式。
●VREFA 和 VREFB 模拟输入：它们分别是桥 A 和桥 B 的源引脚。

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图 4 显示了使用 L6208 驱动的典型双极步进电机驱动应用。它还显示了所用封装，即PowerDIP24/SO24 的不同引脚。在功率引脚（VSA 和 VSB）和 L6208 附近的接地之间应插入范围为 100 到 200 nF 的高质量陶瓷电容，以增强电源的高频滤波，降低开关产生的高频瞬态。EN 输入和接地之间所连接的电容可设置检测到过电流时的关闭时间。两个电流感应输入（SENSEA 和 SENSEB）应与布局中的感应电阻尽量接近。感应电阻应为非电感电阻，以使通过它的 di/dt 瞬态最低。为增强对噪声的免疫力，最好将不用的逻辑引脚（除 EN 之外）连至 5 V （高逻辑电平）或 GND （低逻辑电平）。建议在 PCB 上将电源地和信号地分开。

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表 1 给出了 L6208 驱动的电气特性。

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L6208 两个桥中的每个桥都包括一个固定的关断时间 PWM 电流控制器。通过感应两个低功率 MOS 晶体管的源和地之间所连外部感应电阻上的压降，电流控制电路取得桥电流。
每个电机线圈的电流流过相应的感应电阻，产生压降，逻辑电路可用其控制负载电流的峰值。
当选择感应电阻 RSENSE 的值时，必须考虑两个问题：
●当电流再开始流动时，感应电阻耗散功率会在 SENSE 引脚上引起潜在的危险负电压。
因此，该元件的电阻应较低。
●由内部比较器比较 RSENSE 上的压降与（Vref 引脚上的）参考电压。RSENSE 值越低，峰值电流误差就越高。这是因为 Vref 引脚上的噪声以及电流感应比较器的输入偏置：必须避免太小的 RSENSE 值。
计算感应电阻值的一个较好折中为，对应于流过负载峰值电流（Ipeak）的压降应为约 0.5 V：RSENSE = 0.5 V / Ipeak。
感应电阻必须为非电感类型，以避免 SENSE 引脚上有危险的负电压。

电流控制模式：快衰变模式和慢衰变模式
CONTROL 输入用于选择关断期间桥的行为。当 CONTROL 引脚为低时，选择的是快衰变模式，桥中的两个晶体管都在关断期间关闭。当 CONTROL 引脚为高时，选择的是慢衰变模式，仅桥的低侧晶体管在关断期间关闭。

步进序列生成：半步进和全步进模式
相位序列生成器为一个状态机，它可提供相位并启用两个桥的输入，以在全步进或半步进模式中驱动步进电机。有两种全步进模式：普通驱动模式，在每步时两个相位都开；波形驱动模式，同一时间仅有一个相位为开。驱动模式由 HALF/FULL 输入选择。CLOCK 输入的上升沿会使状态机前进至下一状态。旋转的方向由 CW/CCW 输入设置。RESET 输入会将状态机复位至 Home 状态（状态 1）。
●半步进模式
HALF/FULL 输入上的高逻辑电平选择的是半步进模式。图 5 显示了电机电流波形及相位序列生成器的状态图。在启动时或复位后，相位序列生成器处于状态 1 （Home 状态）。在每个时钟脉冲之后，状态根据如下顺序改变：
– 1,2,3,4,5,6,7,8,… 若 CW/CCW 为高（顺时针方向）
– 1,8,7,6,5,4,3,2,… 若 CW/CCW 为低（逆时针方向）。

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●普通驱动模式（全步进，两相开）
HALF/FULL 输入上的低电平选择的是全步进模式。若为低电平，当状态机为奇数状态时，选择普通驱动模式。图 6 显示了电机电流波形及相位序列生成器的状态图。保持HALF/FULL 输入为低然后复位，即可选择普通驱动模式。在启动时或复位后，状态机处于状态 1。当 HALF/FULL 输入保持为低时，状态按如下顺序变化：
– 1,3,5,7,… 若 CW/CCW 为高（顺时针方向）
– 1,7,5,3,… 若 CW/CCW 为低（逆时针方向）

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●波形驱动模式（全步进，一相开）
HALF/FULL 输入引脚上的低电平选择的是全步进模式。若为低电平，当状态机为偶数状态时，选择波形驱动模式。图 7 显示了电机电流波形及相位序列生成器的状态图。要进入波形驱动模式，状态机必须为偶数状态。更直接进入波形驱动模式的方法为：首先复位，然后在保持 HALF/FULL 输入为高电平的同时向时钟输入施加一个脉冲，然后将HALF/FULL 输入变为低电平。此顺序首先将状态机强制为状态 1。取决于 CW/CCW 输入，时钟脉冲与 HALF/FULL 输入高电平共同将状态机从状态 1 切换至状态 2 或 8。在每个时钟脉冲（上升沿）之后，状态机根据如下顺序改变状态：
– 2,4,6,8,… 若 CW/CCW 为高（顺时针方向）
– 8,6,4,2,… 若 CW/CCW 为低（逆时针方向）
有关详细信息，请参见 L6208 数据手册。

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