基于K60的步進電動機控制系統實驗裝置設計

管鳳旭， 張西磊， 呂淑平， 杜 雪， 劉懷東

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

基于K60的步進電動機控制系統實驗裝置設計

管鳳旭， 張西磊， 呂淑平， 杜 雪， 劉懷東

(哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001)

研制了一套步進電動機控制實驗教學裝置。選擇合適的單片機是整個電動機控制系統實現的基礎，K60系列的微控制器擁有ARM Cortex-M4內核，具有高性能、低功耗和豐富的片上資源等優點，可滿足電動機控制系統所需的要求。裝置由磁粉制動器、減速器、步進電動機、增量式編碼器和控制電路組成，其中控制電路包括自制的K60微控制器最小系統板、電源模塊、4×5矩陣鍵盤模塊、力矩控制模塊、編碼器解碼模塊以及液晶屏顯示模塊等。最后，介紹了硬件電路和軟件設計過程。關鍵詞：步進電動機； K60微控制器； 編碼器解碼； 力矩控制

0 引 言

自動控制元件課程是自動化專業一個重要的課程，主要講授自動控制系統中常用控制元件的結構特點、工作原理、工作特性及其典型應用等[1-2]。其中步進電動機是一個重要的控制元件，是機電一體化的關鍵執行元件之一，尤其隨著微電子和計算機技術的發展，步進電動機的需求量與日俱增，已廣泛應用于國民經濟領域中需要對位置和角度進行控制的自動控制系統中，例如空調、ATM機、繪圖儀、數控機床、3D打印機等[3]。為使自動化專業的學生熟悉和掌握步進電動機的一些工作特性和使用方法，本文自行研制了一套步進電動機控制實驗教學裝置。

1 系統整體結構

圖1 實驗裝置整體結構示意圖

步進電動機控制箱內部安裝電路板和配套設備，具體有開關電源、電源模塊、K60核心系統電路板、控制電路板、4×5矩陣鍵盤、蜂鳴器、串口液晶屏、力矩開關、力矩調節旋鈕、力矩輸出模塊和步進電動機驅動器。其中開關電源將AC220 V轉換為DC48 V，為步進電動機和其他電源模塊提供48 V直流電源；其他電路板與設備之間的關系如圖2所示。

圖2 步進電動機控制箱組成示意圖

2 硬件設計

2.1 主控制器最小系統模塊

主控制器是基于ARMv7構架版本和Cortex-M4內核，Freescale公司的Kinetis級微控制器K60系列中的一款芯片MK60DN512VLL10(簡稱K60)[5-6]。為便于維修，將K60核心系統電路設計成一個獨立電路板，主要包括主芯片、晶振、復位、JTAG下載接口和外聯接口等電路，圖3所示電路為不包含外聯接口的最小核心系統電路圖。

圖3 K60最小系統電路圖

2.2 電源模塊

電源是整個電路工作的基礎，因此首先根據本裝置使用需求，設計了多種直流電源，分別為：①48 V為步進電動機驅動器提供動力電，滿足步進電動機說明書中提供特性曲線的推薦電源為48 V的需求；②采用購買的48 V轉20 V大功率電源模塊，為力矩輸出模塊提供20 V電源，以滿足磁粉制動器的電壓要求；③采用電源轉換芯片LM2596-5 V將20 V轉換為5 V(見圖4)，為串口液晶屏和蜂鳴器以及控制板上的一些電路提供5 V電源；④采用電源轉換芯片LM1117-3.3將5 V轉換為3.3 V(見圖4)，為K60核心系統板和控制板中一些電路提供3.3 V電源。

圖4 5 V與3.3 V電源電路

2.3 4×5矩陣鍵盤模塊

由于使用20個(4×5矩陣模式)控制按鍵，為減輕主控制器的負擔，采用一款專用芯片ZLG7290[7]完成按鍵的鍵碼檢測，然后用一個I/O口和一路IIC與K60微控制器通信,電路如圖5所示。ZLG7290的INT引腳與K60的I/O口PTE25相連，以低電平方式表示有按鍵按下，然后K60再通過IIC信號線(PTB2和PTB3)讀取按鍵的鍵碼。

圖5 4×5矩陣鍵盤控制電路

2.4 力矩控制模塊

力矩控制模塊包括力矩開關、力矩調節旋鈕和力矩輸出子模塊，電路如圖6所示，其中力矩開關是力矩輸出子模塊的電源開關，與力矩調節旋鈕都安裝在控制箱前面板上，供使用者操作。采用L298N為核心的驅動電路作為力矩輸出子模塊，其輸入的20 V電源既作為功率輸出電源，而且也通過電源轉換芯片7805(其輸入電壓不能大于30 V)，將輸入的20 V轉換為5 V作為L298N芯片自身工作電源。力矩調節旋鈕實際就是一個可調變阻器，K60通過的一個設置為8位精度的A/D接口PTC0-AD，實時獲取使用者轉動旋鈕時產生的0～3.3 V之間電壓數字值，然后將該電壓數字值換算成PWM信號的占空比值[8-9]，并傳輸給L298N的IN2引腳(IN1引腳接地GND)，使功率輸出P1口實現輸出電壓范圍為單向0～20 V；同時按照磁粉制動器的電壓、電流&力矩的關系表，K60將0～20 V電壓值換算成力矩值，并顯示到液晶屏上。

2.5 編碼器解碼模塊

圖6 力矩控制模塊

圖7 編碼器解碼電路

2.6 其他輔助電路

控制板上還有其他輔助電路，簡要介紹如下。①蜂鳴器電路。蜂鳴聲作為按鍵按下、電動機失步與堵轉的提示音。②串口液晶屏接口電路。不僅其電路簡單，只需要一個K60的UART串口和5 V電源；而且程序也很簡單，只要向串口發送顯示內容即可。③步進電動機驅動器接口電路。考慮到步進電動機運動性能的穩定性、可靠性與控制方式簡單等要求，直接使用成品驅動器，能夠直接用K60的I/O控制步進電動機的啟動、停止、旋轉方向、步距角和轉動速度，其接口電路如圖8所示，其中I/O口PTC8和PTC6可以調整步進電動機的步距角(本裝置有3種：整步1.8°、半步0.9°和1/4步0.45°)，I/O口PTC14可以修改旋轉方向，I/O口PTD1連續發送兩個規定的電平信號，可以控制步進電動機轉動一個步距角。

圖8 步進電動機驅動器控制電路

3 軟件設計

步進電動機軟件控制程序采用C語言編寫[13-14]。面對諸多功能，采用模塊化方式編寫相應功能函數組，包括主函數、中斷處理函數和其他輔助功能函數。

主函數首先調用各種初始化函數，包括UART串口、串口液晶屏、I/O口、定時中斷、PWM、正交解碼、A/D、IIC等，然后控制串口液晶屏顯示工作界面，最后進入檢測與控制循環程序中，并準備隨時進入中斷處理函數。檢測與控制程序的主要功能有：力矩旋鈕變阻器A/D采集與濾波、按鍵檢測與功能操作(包括步進電動機轉向、步距角切換、修改單拍運動頻率、修改設定步數、單步啟動、連續啟動、停止、清零、功能模式切換等)、換算(包括將力矩旋鈕變阻器電壓值換算成力矩值、實測編碼器脈沖數換算成轉動角度、單位時間內轉動角度換算成轉動速度等)、液晶屏顯示(包括功能模式狀態、正/反轉、步距角、頻率、設定步數、速度、實測角度、實際執行步數、阻力力矩等)如圖9所示。

圖9 步進電動機實驗裝置實物效果圖

中斷處理函數主要有兩個:①采用定時器0作為步進電動機單拍定時中斷函數[15]，根據按鍵設定的單拍運動頻率換算成定時中斷的時間周期，當按下作為步進電動機連續運動的“啟動”按鍵時，使能定時器0的定時中斷，在定時中斷處理函數中，通過I/O口PTD1連續發送兩個規定的電平信號，控制步進電動機轉動一個步距角；當步進電動機連續轉動完設定的步數時，或者按下“停止”按鍵時，禁止定時器0的定時中斷。②采用定時器1作為編碼器脈沖計數定時中斷函數，設置為10 ms為定時時間周期，并在檢測與控制循環程序前使能定時器1定時中斷，定時器1中斷處理函數中獲取正交解碼捕獲編碼器產生的脈沖數，并且累加脈沖數，同時還進行失步與堵轉保護判斷與操作。

4 結 語

本文將步進電動機作為研究與控制對象，設計了自動控制元件課程中步進電動機特性測試實驗裝置。該實驗裝置具有步進電動機角度檢測、A/D檢測、按鍵檢測、液晶屏顯示、功率設備與步進電動機驅動等功能，能夠完成的實驗內容有：①步進電動機單步運行狀態；②步進電動機步矩角測定；③空載突跳頻率；④空載最高連續工作頻率的觀察；⑤轉子振蕩狀態的觀察；⑥平均轉速和脈沖頻率的關系測定；⑦矩頻特性的測定以及最大靜力矩特性的測定等。

本文研制的步進電動機控制實驗教學裝置已經成功的應用于實驗教學中，取得了良好的教學效果。因此該系統具有推廣使用價值。

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Experimental Device Design of Stepping Motor Control System Based on K60

GUANFengxu,ZHANGXilei,LüShuping,DUXu,LIUHuaidong

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Stepping motor is an important control element. It is widely used in the automatic control system in the production field. In order to make the students of automatic control specialty master the working characteristics and usage of stepping motor quickly, a new stepping motor control experimental device is developed. The basic requirement for the whole motor control system is to select the suitable microcontroller. The microcontroller of K60 series has a kernel of ARM Cortex-M4. It has many advantages such as high performance, low power consumption, and rich resources on chip. It can meet various function requirements of motor control system. The experimental device is made of magnetic powder brake, reducer, stepping motor, incremental encoder, control circuit and so on. The control circuit is made of K60 minimum system board made by ourselves, power control module, 4×5 matrix keyboard module, torque control module, encoder decoding module, LCD module and so on. In this paper, the designs of hardware and software are introduced in detailed. The experimental device gets good teaching results.

stepping motor; K60 microcontroller; encoder decoding; torque control

2016-07-25

黑龍江省高等教育教學改革項目(JG2014010671);中央高校基本科研業務費專項資金(HEUCF160405)

管鳳旭(1973-),男,黑龍江哈爾濱人,副教授,現主要從事計算機控制與應用、生物特征模式識別與智能控制研究。

Tel.:0451-82518261; E-mail: guanfengxu@hrbeu.edu.cn

TM 301.2

A

1006-7167(2017)03-0075-04