基于步進電機綜合性能的智能化檢測系統設計

聶亞龍

（桂林信息科技學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

步進電機在許多自動化控制領域都扮演著重要角色。步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的電機，屬于開環控制電機[1]。因此它無需反饋電路就可以實現速度及定位控制。在額定負載情況下，脈沖信號的頻率與步進電機轉速成正比，脈沖信號的脈沖數決定了步進電機轉動的位置。當輸入一個脈沖信號給步進電機驅動器驅動，則會驅動步進電機按指定方向轉動一個固定角度[2]，因此可以控制脈沖數使步進電機轉動指定角度，從而達到精確定位。可隨著步進電機負載或轉速的增加，步進電機會出現丟步或者堵轉的現象，在高精度自動化領域這是一個致命問題，輕則影響設備精度，重則導致整個設備故障，因此使用步進電機時必須在其規定參數下運行保障電機不出問題。根據公司研發人員反饋，雖然步進電機出廠前都會標定相關性能參數，但在實際應用中部分電機并非和標定的參數指標相符。若步進電機不做實際性能參數測試，根據標定的性能參數直接將其應用于高精度儀器中，則會大大降低儀器精度。因此在精度要求高的場合需對步進電機性能做測試，傳統步進電機性能測試裝置測試的性能參數較少，不夠智能化。

快速準確地測量出步進電機的性能參數顯得尤為重要，智能化步進電機測試系統只需在上位機顯示端設置測量參數，系統會自動根據參數做相應的測試，最后會將測試結果在上位機顯示端進行顯示。它可對步進電機步距角、矩頻特性、靜力矩、牽入力矩與牽出力矩進行智能化測試，可用于解決傳統步進電機測試系統測試參數少，測試速度慢，不夠智能化的問題。準確測量步進電機相關參數對自動化設備的穩定性能更有效控制。

1 智能化步進電機測試系統總體構成

智能化步進電機測試系統檢測結果可在上位機上進行顯示。脈沖檢測傳感器與負載機、負載機與扭矩傳感器、扭矩傳感器與步進電機都通過聯軸器進行連接，可實現同步旋轉，總體構成如圖1 所示。主控制器經過光電隔離模塊后給電機驅動電路模塊下發控制信號，使步進電機完成指定旋轉。主控制器經過光電模塊后給負載機驅動電路模塊下發控制信號，使負載機施加指定負載。扭矩傳感器將檢測到的力矩值通過放大整形電路模塊進行放大處理，處理后的信號通過AD 轉換模塊變換為數字信號，AD 模塊轉換后的數據信號最終由主控制器處理。脈沖檢測傳感器將步進電機實際行走的脈沖信號上傳給主控制器，主控制器將實際下發脈沖數與脈沖檢測傳感器檢測到的脈沖數進行對比，進而檢測在負載機施加指定負載下步進電機是否失步和檢測是否由脈沖突變。上位機顯示單元可將結果顯示，也可下發控制指令到主控制器。存儲器模塊存儲檢測數據。

圖1 智能化步進電機測試系統總體構成

2 步進電機性能參數測試方法

步進電機在使用過程比較重要的參數有步距角精度、牽入力矩、牽出力矩與靜力矩。

2.1 步距角精度測量方法

采用電機驅動芯片對步進電機發送驅動脈沖，步進電機接收到脈沖序列后轉動相應的角度[3]，脈沖傳感器可檢測步進電機行進的實際角度。脈沖傳感器檢測到步進電機行進的實際角度與步進電機根據控制信號可行進的理論角度進行對比。通過對比可計算出步進電機的步距角精度，步距角精度值可在上位機中顯示。

2.2 矩頻特性曲線測量方法

矩頻特性曲線是力矩與頻率的對應關系圖，體現步進電機的動態力矩特性[4]，測量步進電機矩頻特性曲線時，主控制器發送控制信號到步進電機，使步進電機按指定頻率勻速空載運行。之后主控制器發送控制信號到負載機，使負載機緩慢施加負載力矩。用脈沖檢測傳感器檢測步進電機是否出現失步或扭矩傳感器檢測值是否有突變。若出現失步或扭矩傳感器扭矩值突變則用扭矩傳感器測量此時的扭矩值。通過主控制器改變步進電機勻速運行頻率重復以步驟即可得出一組矩頻特性數據。主控制器將矩頻特性數據處理在上位機顯示上顯示矩頻特性曲線。

2.3 牽入力矩測量方法

主控制器發送控制信號至負載機，使負載機產生恒定的負載力矩，之后通過控制器發送恒定頻率脈沖控制信號至步進電機，若步進電機能和主控制器發送的恒定頻率脈沖同步無丟步，則步進電機在該恒定頻率脈沖下可將該負載力矩大小的負載拉入同步。主控制器發送至步進電機的恒定頻率脈沖控制信號不變，改變負載機施加的負載力矩。反復實驗可得出步進電機在該恒定頻率下的最大負載轉矩即牽入轉矩。

2.4 牽出力矩測量方法

牽出力矩又稱運行力矩，指步進電機在恒定速度下能夠提供的最大轉矩。通過測量矩頻特性曲線，從矩頻特性曲線橫坐標下找到所測量的速度值，其所對應的縱坐標值即為步進電機輸出的最大轉矩值。

2.5 靜力矩測量方法

靜力矩有時也成為保持力矩，它表示步進電機通電但沒有轉動，定子鎖住轉子的力矩，在測試過中靜力矩與步進電機低速運行時的最大轉矩基本相等，因此靜力矩可在矩頻特性曲線低速時的最大轉矩得出。

3 硬件電路設計

3.1 系統主控芯片

整個測試系統使用STM32F405 作為主控核心芯片，電路圖，見圖2（下頁）。主控芯片輸出指定脈沖給步進電機驅動器A5977 芯片，A5977 驅動步進電機進行轉動。扭矩傳感器將扭矩值轉換為電壓信號，主控芯片通過AD 芯片可讀取到扭矩傳感器測量的扭矩值。主控芯片控制負載驅動電路控制磁滯制動器施加負載。主控芯片可與上位機進行通訊，可將測量到的步進電機參數值在上位機上進行顯示，同時上位機可下發指令給主控芯片對整個測量系統進行控制。

圖2 主控測量電路

3.2 電機驅動電路

A5977 芯片是一款內置轉換器的不進電機驅動器。它可以進行整步、二分之一、四分之一和八分之一細分。其最大輸出能力可達40V 和±2.8A。圖3 為A5977 驅動步進電機電路，A5977 驅動芯片的驅動電流計算方式為：VREF÷（8×RS）在測試時可能會對不同的電機進行驅動，驅動電流也會發生變化，因此用了一個DAC5571 數模轉換芯片，DAC5571 輸出電壓引腳VOUT 與A5977 芯片的VREF 引腳相連。DAC5571 通過IIC 與STM32 控制系統相連接，VOUT的輸出電壓可以通過STM32 進行調節，最大輸出電壓為供電電壓VDD。R79 與R80 為0 Ω 電阻可以選擇基準電壓控制方式。

圖3 A5977 步進電機驅動電路

3.3 負載機驅動電路

磁滯制動器用來對步進電機進行加載，磁滯制動器輸出扭矩大小與其輸入電流大小成正比，2 N·m 的磁滯制動器輸入電流范圍在0 ～315 mA，主控芯片無法實現指定電流大小的輸出，可通過配套的磁滯控制器實現對磁滯制動器的控制，對磁滯控制器輸入信號0 ～5 V 的電壓信號，其可成比例輸出0 ～315 mA的電流信號，主控芯片通過IIC 與數模轉換DAC7571芯片通訊，指定其輸出輸出0 ～5 V 電壓信號，從而間接控制制動器施加指定扭矩。圖4 為DAC7571 數模轉換電路。DAC7571 芯片供電電壓為5 V 與STM32供電電壓不兼容，因此通訊時通過PCA9306 芯片進行電壓轉換，保證通訊數據準確性。

圖4 DAC7571 數模轉換電路

3.4 扭矩傳感器采集電路

磁扭矩傳感器會將扭矩值轉換成電壓信號，因此通過ADS118 模數轉換電路將扭矩傳感器的電壓轉換成數字信號，通過SPI 通訊將扭矩值傳輸給主控芯片進行處理，ADS1118 模數轉換電路如圖5 所示。

圖5 ADS1118 模數轉換電路

3.5 脈沖檢測電路

脈沖檢測傳感器可以精確測量步進電機的轉動角度，會將轉動叫角度信息轉換成脈沖信號，主控芯片通過檢測脈沖信號的數量即可得出步進電機轉動的角度。

4 軟件部分設計

主要測量的數據有3 項, 分別為步距角精度、矩頻特性曲線、牽如力矩。牽出力矩可以在測量矩頻曲線中得出，靜力矩可在矩頻特性曲線低速時的最大轉矩得出。程序軟件流程圖如圖6 所示。主控芯片通過串口與上位機進行通訊。在測量過程中只需將測量參數填寫在上位機中，上位機會通過串口通訊將指令下達給主控芯片，主控芯片控制設備運轉進行測量。測量完成后，主控芯片會對數據進行處理，然后將測量結果發送到上位機，上位機接收到測量結果后進行顯示。

圖6 程序軟件流程圖

5 測試與驗證

5.1 測試工裝設備

測試工裝如圖7 所示，測試過程中所用到的主控電路如圖8 所示。被測量對象，選用某一批次鼎智42步進電機，其型號為17H2048，電流1.5 A，保持力矩0.48 N·m。

圖7 測試工裝

圖8 測試電路板

5.2 步距角精度與牽入力矩大小測量

先為上位機設定參數，然后進行測量。上位機通過串口與主控芯片進行通訊，串口波特率可根據需要進行設定。步距角精度測量時將測量參數填入步距角測量界面，點擊測試即可。同樣的方法可對牽入力矩進行測量。

在電機參數設置界面設置對應的步進電機參數，因選用的被測試電機的驅動電流為1.5 A，最大保持力矩為0.48 N，所以在電機參數設置界面寫入對應電機參數即可。細分數越多電機運行相對較為平滑，但細分數越多驅動力矩就會相應減小。因此，在測量步距角精度與牽入力矩大小實驗時做了1 細分和8 細分兩組實驗。

細分數為1 時，測量10 組步距角精度求平均值得到步距角精度為0.01%。測量10 組牽入扭矩求平均值得到牽引扭矩為0.486 N·m 如圖9 所示。同理細分數為8 時測量得到步距角精度為0.00625%，牽入扭矩為0.408 N·m 如圖10 所示。在細分數為1 時測量的牽入扭矩與步進電機參數標定值基本一致，測量準確。

圖9 系統測試結果1

圖10 系統測試結果2

5.3 矩頻特性曲線測量實驗

步進電機矩頻曲線測量時，使步進電機勻速空載旋轉，之后用負載機緩慢給步進電機施加負載扭矩，檢測步進電機是否有失步現象，若發現步進電機出現失步，則測量扭矩傳感器此時的扭矩值。改變步進電機轉速重復上述步驟即可得出一組矩頻特性曲線。測量時只需按下打開矩頻曲線測量按鈕，上位機軟件會隨機生成速度點進行測量，若想測量多組矩頻求平均值，只需填寫設定測量次數即可。

在測量矩頻曲線時分別測量了細分數為1 和細分數為8 時的矩頻曲線，設定測量次數為5。細分數為1 時測量的矩頻曲線如圖11 所示，細分數為8 時測量的矩頻曲線如圖12 所示。從圖11 可看出在1 細分下步進電機極低速度運行時的最大扭矩約為0.475 N·m。因此測量步進電機的靜力矩為0.475 N·m。靜力矩又稱保持力矩，被測電機參數中保持力矩為0.48 N·m，與測量結果基本吻合，說明測量結果較為準確。

圖11 系統測試結果3

圖12 系統測試結果4

為了方便對數據進行分析，測量的多組矩頻曲線數據可以通過上位機導出，在上位機中只需點擊導出矩頻曲線參數按鈕即可。細分數為1 時導出的5組矩頻曲線數據經過整理得到表1 的數據。細分數為8 時導出的5 組矩頻曲線數據經過整理得到表2的數據。通過對比表1 和表2 可知，細分數不同電機的驅動力也會存在很大差別。

表1 細分數為1 時測量的數據

表2 細分數為8 時測量的數據

6 結語

本設計的一種用于智能化測量步進電機參數的裝置已在筆者的公司使用，基本滿足要求。在研發該裝置前，公司員工選用步進電機時會根據數據手冊的中的參數進行選擇，這種選擇存在細分數不同時測量出的參數存在很大差別，驅動電流不同測量的參數存在差別等問題。新的設計能指導工程師在合理的參數下運行步進電機，大大提高設備可靠性。