步進電機控制器

1、步進電機驅動電路

在H橋電路的基礎上設計步進電機驅動電路。採用分立元件MOS管搭建雙H橋驅動電路是成熟的電機控制方案，電路不複雜，性能可靠，根據MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達數十安培，是理想的步進電機驅動器方案。MOS管H橋驅動電路有NMOS構型和PMOS+NMOS構型，全NMOS管H橋導通電阻更小，但上橋臂的NMOS管的導通電壓高於電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的複雜程度和成本，我們採用PMOS+NMOS構型方式搭建雙H橋步進電機驅動電路，電路更簡潔，成本更低；且在這樣的小電流工作場合，PMOS所增加的導通損耗可以忽略不計。驅動電路與MCU之間進行光電隔離，選用廣泛使用的低成本光耦PC817。加入雙輸入四通道與門（74HC08D），為驅動電路添加使能的功能，即只有在使能的前提下，四路控制信號才是有效的，使步進電機運行更安全穩定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數為55V、110A，TO252貼片封裝。步進電機驅動電路原理圖如圖所示。

2、電機參數測量電路

為了實時監測步進電機的運行狀態是否正常，為驅動器設計了電機參數測量功能、通過實時監測電機的工作電壓、工作相電流和機殼溫度來實時獲取電機的運行參數，保證電機運行安全穩定。

電機電流採樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度範圍寬，溫度係數僅為-40~40*10-6/℃，是高精度電流採樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調理電路採用LM324運放搭建，電壓跟隨後送入MCU，由MCU內置10Bit A/D轉換器進行A/D採樣。機殼溫度監測選用數字溫晶元DS18B20，將其貼至電機外殼表面，實時監測溫度參數並送入MCU。電機參數檢測電路原理圖如圖所示。在進行電路設計時，使用0歐姆電阻將模擬地（AGND）和數字地（GND）單點連接，以降低相互干擾，提高電路性能。

3、電源及MCU控制電路

系統中，驅動電路用輸入電壓供電，MCU和藍牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統的線性穩壓器效率低、尺寸大且發熱嚴重，因此使用DC—DC開關電源方式提供3.3V電壓。開關穩壓晶元選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達1.4MHZ，極高的工作頻率決定其只需要小容量的輸入電容、輸出電容和功率電感即可正常工作。藍牙選用HC- 05模塊，串口自動發送。主控晶元為PIC24FJ64GA004，電源及主控晶元外圍電路如圖。

1、設置步進驅動器的細分數，通常細分數越高，控制解析度越高。但細分數太高則影響到最大進給速度。一般來說，對於模具機用戶可考慮脈衝當量為0.001mm/P（此時最大進給速度為9600mm/min）或者0.0005mm/P（此時最大進給速度為4800mm/min）；對於精度要求不高的用戶，脈衝當量可設置的大一些，如0.002mm/P（此時最大進給速度為19200mm/min）或0.005mm/P（此時最大進給速度為48000mm/min）。對於兩相步進電機，脈衝當量計算方法如下：脈衝當量=絲杠螺距÷細分數÷200。

2、起跳速度：該參數對應步進電機的起跳頻率。所謂起跳頻率是步進電機不經過加速，能夠直接啟動工作的最高頻率。合理地選取該參數能夠提高加工效率，並且能避開步進電機運動特性不好的低速段；但是如果該參數選取大了，就會造成悶車，所以一定要留有餘量。在電機的出廠參數中，一般包含起跳頻率參數。但是在機床裝配好后，該值可能發生變化，一般要下降，特別是在做帶負載運動時。所以，該設定參數最好是在參考電機出廠參數后，再實際測量決定。

3、單軸加速度：用以描述單個進給軸的加減速能力，單位是毫米/秒平方。這個指標由機床的物理特性決定，如運動部分的質量、進給電機的扭矩、阻力、切削負載等。這個值越大，在運動過程中花在加減速過程中的時間越小，效率越高。通常，對於步進電機，該值在100 ~ 500之間，對於伺服電機系統，可以設置在400 ~ 1200之間。在設置過程中，開始設置小一點，運行一段時間，重複做各種典型運動。

4、彎道加速度：用以描述多個進給軸聯動時的加減速能力，單位是毫米/秒平方。它決定了機床在做圓弧運動時的最高速度。這個值越大，機床在做圓弧運動時的最大允許速度越大。通常，對於步進電機系統組成的機床，該值在400~1000之間，對於伺服電機系統，可以設置在1000 ~ 5000之間。如果是重型機床，該值要小一些。在設置過程中，開始設置小一點，運行一段時間，重複做各種典型聯動運動，注意觀察，如果沒有異常情況，然後逐步增加。如果發現異常情況，則降低該值，並留50%~100%的保險余量。

通常考慮到步進電機的驅動能力、機械裝配的摩擦、機械部件的承受能力，可以在廠商參數中修改各個軸的最大速度，對機床用戶實際使用時的三個軸最大速度予以限制，。

5、根據三個軸零點感測器的安裝位置，設置廠商參數中的回機械原點參數。當設置正確后，可運行“操作”菜單中的“回機械原點”。先單軸回，如果運動方向正確則繼續回，否則需停止，重新設置設置廠商參數中的回機械原點方向，直至所有軸都可回機械原點。

6、設置自動加油參數（設置得小一些，如5秒加一次油），觀察自動加油是否正確，如果正確，則將自動加油參數設置到實際需要的參數。

7．校驗電子齒輪和脈衝當量的設定值是否匹配。可以在機床的任意一根軸上做個標記，在軟體中把該點坐標設為工作零點，用直接輸入指令、點動或手輪等工作方式使該軸走固定距離，用遊標卡尺測量實際距離與軟體中坐標顯示距離是否相附。

8、測定有無丟脈衝。您可以用直觀的方法：用一把尖刀在工件毛坯上點一個點，把該點設為工作原點，抬高Z軸，然後把Z軸坐標設為0；反覆使機床運動，比如空刀跑一個典型的加工程序（最好包含三軸聯動），可在加工中暫停或停止，然後回工件原點，緩慢下降Z軸，看刀尖與毛坯上的點是否吻合。如有偏差，請檢查步進驅動器接收脈衝信號的類型，檢查端子板與驅動器間接線是否有誤。如果還出現悶車或丟步，按10、11、12步調整加速度等參數。