四自由度機械手多細分步進電機驅動器的設計

徐 錕，黨幼云，張 峰

（西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048）

0 引 言

目前所研究的機器人以工業機器人為主，為了更好地與環境進行交互，靈活地操縱物體、準確地到達目標位置、精確地完成所分配的任務，很多工業機器人在進行結構設計時參考了人體手臂的結構.這種機器人是一種對生產條件適應性很強的自動化設備，可以在無人看管的環境下，實現生產、搬運、裝配和焊接等多種操作，因為其結構類似于人的臂部，故一般稱其為機械臂［1-2］.

隨著現代工業的飛速發展，四自由度機械手在工業中的應有越來越廣泛.四自由度機械手可以模仿人手和臂的某些動作，按照固定的程序抓取、搬運、或操作工具.四自由度機械手可以代替人進行復雜重復的動作，可以在危害環境下代替人力［3-4］.目前四自由度機械手臂的驅動往往都是使用混合式步進電機.四自由度機械手在操作過程中會進行頻繁的啟停，抓取搬運物品的重量不同，這就要求步進電機具有很好的高低速運行平穩性，在高速情況下恒轉矩運行，啟停平穩，精度高［5-9］.

通過分析步進電機驅動器的關鍵技術，本文給出了一種基于STM32F103的多細分步進電機驅動的設計，分析了驅動器的硬件及軟件設計，并分析了實驗結果，證明了本設計的正確性.

1 設計方案

隨著步進電機越發廣泛的應用，對步進電機的要求也越來越高，要求步距精度越來越高，震動和噪聲越來越低.式（1）為步距角公式，即每給一個電脈沖信號步進電機轉子所轉過的機械角度.

其中，Zr為轉子齒數；m0為運行拍數（通常等于定子相數或相數的整數倍，即m0=km；m為定子相數，k為電機驅動方式）.步進電機步距角的大小由電機自身的轉子數和電機驅動的方式所決定，受電機制造工藝的限制，電機本身的參數（相數m）基本不可能在做大幅度的增大，只有通過增大k來獲取更小的步距角.k=1時步進電機工作于整步方式，k=2時步進電機工作于半步方式，為了獲取更大的k，就必須采用細分控制的方式［10-11］.

理想的步進電機電流曲線應該是相差90°的正弦曲線.細分驅動方式實際上是一種電流波形控制技術，將傳統的矩形電流波形改為階梯型近似正弦波形，在正弦波零值和最大值之間分為若干個等幅值、等寬度的階梯.波形分成若干個階梯，而額定電流分成多少個階梯，轉子就以多少步完成一個原有的步距角.圖1（a）為兩相混合式步進電機兩相電流整步運行圖，圖1（b）為兩相混合式步進電機兩相電流的單步4細分示意圖.

在兩相混合式步進電機中，若在AB兩相繞組中通入幅值按正弦規律變化、相位相差的階梯波電流時，就可以得到幅度恒定、角度均勻的合成電流矢量.電流合成矢量為

圖1 細分示意圖Fig.1 Multiple segments

改變兩相繞組電流的大小并使其按正余弦規律變化，則可使合成電流矢量恒幅均勻旋轉，實現恒力矩、均勻步距角的細分驅動控制.

驅動器的主控制芯片采用意法半導體公司的STM32F103VCT6，使用STM32F103VCT6的定時器產生PWM波，使用其自帶的12位ADC采樣母線電流，監測電機電流.本設計采用RS485總線的方式實現驅動器與上位機通信，使上位機對驅動器進行實時監測與控制，提高驅動器的可控性.系統整體設計圖如圖2所示.

2 硬件與軟件設計

2.1 硬件設計

圖2 系統整體設計圖Fig.2 System design

2.1.1 驅動器驅動放大電路設計 驅動器的驅動放大電路包括H全橋電路和MOSFET驅動電路.MOSFET驅動電路主要是產生足夠的驅動能力驅動后級的H全橋MOSFET管.H全橋直接控制步進電機.MOSFET驅動電路主要采用IR2110自舉半橋驅動芯片IR2110芯片是一種H半橋（獨立一橋臂雙通道）、柵極驅動、高壓、高速單片式專用功率器件集成驅，動電路，2片IR2110就能構成 H全橋功率MOS-FET管可逆PWM他勵直流控制系統主控回路.IR2110芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容產生懸浮電壓源，與低端通道共用一個外接驅動電源，兼有光耦隔離和電磁隔離的優點，配置所有高壓引腳在芯片一側、獨立的邏輯地和功率地，使芯片結構緊固可靠.柵極門電壓在10～20V范圍高，高端懸浮通道用于驅動MOSFET的高壓端，電壓最高可達500V.IR2110欠壓鎖定功能可確保在工作在正常7.4～9.6V范圍內.關斷功能可使H半橋雙通道立即強制輸出低電平，用于電機過流保護等場合［12］.IR2110采用自舉法給高端控制邏輯電路供電雖然簡單便宜，但是自舉電容對PWM占空比和開通時間都有一定限制，選取自舉電容有一些基本原則不能用于PWM超低頻或長期占空比100%的場合，實際應用占空比上限設在97%左右［13］.本設計中的步進電機采用兩相混合式，故使用4片IR2110驅動2個H橋.IR2110驅動MOS-FET H橋電路如圖3所示.

圖3 IR2110驅動電路圖Fig.3 Drive circuit of IR2110

2.1.2 通信接口電路設 驅動器與上位機通信采用RS485總線通信.RS485是目前工業控制系統中經常采用的一種分布式串行總線結構，RS485采用一對雙平衡差分信號線，工作于半雙工工作模式.RS485通信系統中，可以支持多于32個的負載，所有的負載即可以做發送器也可以作為接收器來使用.針對這一特性，本設計對所有負載采取唯一地址編號的方式，防止通信混亂.

RS485組網過程中還有一個很重要的問題是接地處理，接地系統的好壞直接影響RS485網絡數據通信的質量，這是常常容易被忽視的一個大問題，對于所有電子系統應用來說接地處理都起著非常關鍵的作用，接地處理不合適會影響系統穩定性，嚴重情況下會造成系統損壞.本文設計了一種RS485接口電路，很好的解決了RS485組網過程中的這一問題.RS485接口電路如圖4所示.

圖4 RS485接口電路Fig.4 RS485interface circuit

2.2 軟件設計

2.2.1 步進驅動控制器主程序軟件設計 步進電機驅動系統上電，系統延遲100μs等待系統穩定.系統穩定之后，進行系統初始化，初始化AD轉換子系統、通信子系統、PI控制子系統等.初始化完畢系統進行自檢，檢測各路傳感器、通信是否工作正常.自檢完畢，一切準備就緒等待上位機發送的控制指令，接到控制指令驅動系統分析控制指令，執行控制指令的正反轉方向.當一條控制指令執行完畢之后，把當前相位標記記錄下來，為下次執行做準備.相位標記完成，驅動系統等待上位機的下一條控制指令.主程序流程圖如圖5所示.

2.2.2 RS485通信的軟件設計 在四自由度機械手的步進電機驅動系統中，為保證步進電機運行穩定可靠，上位機一次只發送一條控制指令.針對這種要求，本文設計了一種簡潔、可靠、可擴展的RS485通信數據幀格式.通訊幀格式為起始域、地址域、控制域、擴展域以及結束域.

每一幀數據包含5個域，每域各占1字節，共5字節.起始域為通信握手信號.四自由度機械手臂控制系統中，共有4個步進電機驅動系統，每個系統都有唯一的地址ID.地址域表示上位機會向哪個驅動系統發送數據幀.控制域為上位機發送的控制指令，控制系統的正反轉等.擴展域為以后控制指令擴展的預留.結束域為一幀數據的結束.

具體通信協議如下：

（1）上位機分別向各個系統發送只有地址域的數據幀，向各系統進行地址校驗.驅動系統接收到地址校驗幀后與自身的地址進行比較，若相同返回確認幀.

（2）若地址校驗正確，上位機發送正常的控制指令.若校驗錯誤，上位機向錯誤的驅動系統發送復位信號.

（3）驅動控制系統收到復位信號后，立即復位，然后進入地址等待階段.若收到接收命令，則驅動系統進入接收等待階段.

（4）驅動系統接收到上位機發送的控制指令后，執行相應動作.

（5）一幀數據接收完畢，驅動系統推出本次通信，準備下次通信.

2.2.3 相電流PI控制 由于步進電機的永磁特性，步進電機旋轉時，產生的反電動勢使得步進電機的相電流減小，使輸出力矩降低，特別是當步進電機高轉速運行時，產生的反電動勢非常大.隨著轉速的持續上升，反電動勢對步進電機相電流的影響也逐步加大，相電流的減小非常明顯.本設計通過相電流的PI控制，使得相電流一直處于恒值狀態，從而使步進電機可以恒轉矩運行［14］.兩相混合式步進電機瞬時電流如式（3）所示.

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flow chart

其中，VCC為電機繞組兩端的電壓源電壓，Vemf為反電動勢，R為電機繞組的電阻，I0為繞組初始電流，L為相電感.由式（3）可知，當電機在低速運行時，反電動勢遠小于電機繞組兩端的電壓，因而，步進電機的相電流在額定電流狀態下工作，而隨著步進電機的轉速上升，反電動勢隨著轉速上升，步進電機的相電流也會隨著下降，從而比額定電流低很多.這種情況下，步進電機會出現失步或者堵轉的現象，從而影響電機在高速運行下帶負載的能力.

通過電流環PI調節，可以使相電流工作在恒值，本設計采用的是離散PI調節，在微控制器內完成.PI調節增量式算法如式（4）：

3 系統整體驗證

四自由度機械手中多細分步進電機驅動器制作出來后在兩相步進電機上進行了測試，測試了電機在不同細分數下電流波形測試分析.圖6的（a）為4細分時單相繞組的電流波形，（b）為128細分時單相繞組的電流波形.隨著細分數的增加，繞組電流波形也越接近于正弦波，波形更平滑，電機運行也更加平穩.從這組電流波形圖中可以說明，細分數越大，電流波形越來越向正弦波逼近，電機運行的振動和噪聲越小，越能夠使驅動系統可靠、穩定的運行.經測試論證，結果表明該驅動器基本滿足設定的功能要求，性能良好.

圖6 實驗測得細分波形Fig.6 The measured waveform segments

4 結束語

（1）IR2110能有效控制功率MOS-FET，實現兩相混合式步進電機的驅動.

（2）驅動器有效解決了四自由度機械手中兩相混合式步進電機在低速運行下噪聲大、震動大，在高速運行下帶負載能力差的問題.保證了四自由度機械手臂高精度的工作.

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