CN205584059U - 基于stm32的无线通信步进电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器，包括控制单元和执行单元，其中：控制单元包括通过相互连接的上位机和上位STM32微处理器；执行单元包括下位STM32微处理器、步进电机驱动电路、步进电机和用于获取步进电机转速的角位移传感器，角位移传感器的输出端与下位STM32微处理器的输入端连接，下位STM32微处理器的输出端通过步进电机驱动电路与步进电机连接；所述的上位STM32微处理器与下位STM32微处理器上分别设有用于控制单元和执行单元无线通信的无线通信模块。本实用新型能够克服步进电机驱动器不能在线连接情况下，准确接收远距离的控制信号，同时准确反馈步进电机的运行状态信息的不足。

Description

基于STM32的无线通信步进电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种步进电机的驱动器，更具体的说，涉及一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器。

背景技术

目前，步进电机的应用日益广泛。多年以来，随着电力电子技术的发展，还有自动控制技术的不断提高，以及计算机网络和通信技术的发展，步进电机系统尤其是驱动电路部分的不断发展，国内外围绕着步进电机电路系统的研究做了大量的工作以及相应的开发工作。

在微型计算机出现以前，步进电机的控制完全由硬件实现。比如环形分配器，它由多个标准数字集成电路按照逻辑真值表组合而成，如果更改了电机类型或改变工作模式，就需要重新设计整个硬件电路。自从MCS-51系列为代表的单片机问世以来，微控制器迅速普及，在步进电机驱动器上也得到广泛应用，当需要改变步进电机的工作模式时，只需通过软件的编程，即可得到步进电机理想的工作状态。在众多单片机中，STM32以其功能的多样化、极高的性价比、简单易用的开发方式，得到广泛认可及应用。本实用新型为了提高驱动器的响应时间，保证系统功能的稳定性，选用高性能、低成本、低功耗的STM32芯片作为驱动器的核心微处理器。

在国外对步进电机驱动的研究一直很活跃，他们集中研制专用芯片，例如意大利SCG公司的L298和L297构成的两相、四相驱动芯片，仅需芯片和一个功率模块便可构成一个功率齐全的性能优异的步进电机驱动器。为了使步进电机达到合理的转速，并且保证其在较高的运行频率下不产生失步或过冲现象，日本东芝公司的TA774H两相步进电机驱动芯片采用细分技术，使步进电机的步距角更小，转动更为平滑。本实用新型为了能够结合以上步进电机驱动芯片的优点，应用东芝公司主推的TB6560AHQ芯片，与其他元器件组成驱动电路。TB6560AHQ芯片控制简单，能耗低，驱动性能好，不仅可对驱动电路输出电流的大小、衰减程度作调整，能够适应不同的电机，还可对步进电机的步距角采用细分技术，使输出误差减小，而且通过改变某一引脚的高低电平即可改变步进电机的转向，操作方便。

当前，驱动电路与控制机的连接只是单纯电路上的线连接，控制信号与反馈信号都是经过信号线在电路中传输，但是当驱动电路与控制机相隔距离较远，控制机所提供的控制电压信号变得相对较弱，传输的中间环节受干扰较多，到达驱动电路的控制信号出现失真，且掺杂各种干扰信号，步进电机将不会按照控制的指令运转，甚至出现失控现象，而且反馈信息变得不可信。驱动电路中驱动芯片和微控制器的应用，使得步进电机的驱动得到进一步的完善，但是目前还有待发展步进电机驱动信号的远距离传输技术，使得步进电机的应用范围较为局限，步进电机得不到更加合理的应用。现有技术的缺陷，应加以弥补，步进电机应得到更加广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器，克服步进电机驱动器不能在线连接情况下，准确接收远距离的控制信号，同时准确反馈步进电机的运行状态信息的不足。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器，其特征在于：它包括控制单元和执行单元，其中：

控制单元包括通过相互连接的上位机和上位STM32微处理器；

执行单元包括下位STM32微处理器、步进电机驱动电路、步进电机和用于获取步进电机转速的角位移传感器，角位移传感器的输出端与下位STM32微处理器的输入端连接，下位STM32微处理器的输出端通过步进电机驱动电路与步进电机连接；

所述的上位STM32微处理器与下位STM32微处理器上分别设有用于控制单元和执行单元无线通信的无线通信模块。

按上述方案，所述的上位机和上位STM32微处理器通过USB串口连接。

按上述方案，所述的无线通信模块为NRF24L01无线模块。

本实用新型的有益效果为：可在无线通信的模式下实现步进电机控制信号及反馈信号的远距离传输，不仅减小了硬件连接的复杂性，在硬件及软件方面均保证了信号的真实可靠、抗干扰的特点，在一定程度上使得步进电机易于控制控制，响应更加及时、可靠。该驱动器的设计巧妙，效果好，实施方便，结构简单，更加贴近实际生活中的需求。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例中步进电机驱动电路的部分原理图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本实用新型做进一步说明。

本实用新型提供一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器，如图1所示，包括控制单元和执行单元，其中：控制单元包括通过相互连接的上位机和上位STM32微处理器；执行单元包括下位STM32微处理器、步进电机驱动电路、步进电机和用于获取步进电机转速的角位移传感器，角位移传感器的输出端与下位STM32微处理器的输入端连接，下位STM32微处理器的输出端通过步进电机驱动电路与步进电机连接；所述的上位STM32微处理器与下位STM32微处理器上分别设有用于控制单元和执行单元无线通信的无线通信模块。

所述的上位机和上位STM32微处理器通过USB串口连接，本实施例中，上位机为PC机。

所述的无线通信模块为NRF24L01无线模块。

本实施例运用两个以STM32芯片为基础的开发板作为微处理器，是本实用新型的核心。其中一个STM32微处理器经USB串口与PC机相连，另一个STM32微处理器充当下位机，与以TB6560AHQ芯片为核心的驱动器相连接，驱动器上装设散热器。驱动器与两相步进电机相连，步进电机转轴上装设角位移传感器。为了实现双边通信，两个STM32微处理器上分别装设NRF24L01无线模块。

本实施例的双边无线通信的功能是靠NRF24L01无线模块实现的，采用SPI全双工通信协议，选用Enhanced ShockBurstTM收发模式，数据的传输顺序是MSB，工作速率2Mbps，有自动应答功能。当通过软件配置好SPI的时钟极性及其时钟相位后，即可开始双边通信。双边通信采用高速发送、低速缓存的方式，使信号在传输过程中接触较少的干扰，而且大大减小了传输过程中的用时，低速的缓存也有助于减小电能的损耗。双边的接收信号模式或发送信号模式靠微处理器配置，一边发送信息，另一边将会接收信息，这要靠两个微处理器间的配合。两微处理器的时钟、收发地址、波特率等必须保持一致，才有可能实现双边通信，这在STM32的软件上得以实现。

与PC机相连的上位STM32微处理器主要是将自己接收到的信息传入PC机，供操作员实时的监测步进电机的运作状态，传输的时间有一定的间隔，可以让操作员及时反应。当操作员想控制步进电机的转速及转向时，可在PC机上输入指令，指令经与其相连的上位STM32微处理器处理后，经NRF24L01无线模块输出指令。当上位STM32微处理器判断到指令出错时，会将出错指令送入PC机。与USB串口相连接的PC机、上位STM32微处理器亦采用双边通信，达到人机互动的效果。

围绕TB6560AHQ芯片和功率放大模块电路组成的步进电机驱动电路，体积小，成本低，驱动效果显著，而且通过模块上的单排开关即可调整驱动模块输出的电流的大小及衰减以及步进电机的细分数。驱动模块装有三个指示灯，分别是脉冲信号指示灯、电源指示灯、故障报警指示灯，供操作员方便的判断该模块的运行状态。功率放大电路发热较为严重，所以装设散热器，保护内部芯片，延长其使用寿命。

与步进电机驱动电路相连的下位STM32微处理器主要接收来自上位STM32微处理器的控制指令，将得到的指令识别、处理后，转化为PWM波形送入驱动模块，步进电机驱动电路驱动步进电机，执行指令。为了得到步进电机的实时参数，在步进电机转轴上装设有角位移传感器，将其转角、转速信息反馈给下位STM32微处理器，下位STM32微处理器经过ADC转换将得到的信息识别，将处理后的信息经无线通信模块输送到上位STM32微处理器，达到信息反馈的目的。

为了减小步进电机实际转动情况与理想情况之间的误差，通过软件实现PID控制，即与下位STM32微处理器运用步进电机反馈的信息，判断理想值与真实值之间的偏差，通过PID算法，再次输出控制指令，让步进电机往误差减小的方向运行，运行后步进电机再次反馈，微处理器再次处理，发出控制指令，误差再次减小。

本实施例中，控制单元和执行单元之间没有电气上的连接，而是通过SPI全双工无线通信的方式产生联系。这样将原有技术中的线连接，转变为电磁波传输信息的方式，不仅节省了空间，节约了材料，而且两个单元间的信息传输效率、传输速度、传输容量大大提高，受干扰程度也相应的将低，最重要的是解决了当前步进电机无法实现远距离控制的问题。

上位STM32微处理器与PC机连接，可人为操作并且监控步进电机的运行，达到了人机互动的效果。

执行单元由下位STM32微控制器、步进电机驱动电路、步进电机及步进电机转轴上的角位移传感器组成，四者形成闭环回路。在闭环回路中，既有步进电机的控制信号从下位STM32微控制器输出，又有步进电机的运行状态信号向下位STM32微控制器流入。闭环控制使得系统变得稳定，加之微控制器在反馈回路中采用PID调节，输出误差可进一步减小，系统能够更加稳定。

两个单元之间不断通过NRF24L01无线模块相互传输信息， NRF24L01无线模块的引脚配置通过软件实现。改变两个STM32微控制器引脚的输出电平即可改变与之相连的无线通信模块的通信方式是接收信号或者是发送信号。本实用新型通过软件定时改变两个STM32微控制器的引脚电平，使得两个NRF24L01无线模块一方接收信号的同时另一方发送信号，两个单元得以信息相互传递。STM32的性能好、精度高、运行速度快，避免了信号在传递过程中的丢失。这使得整个系统完美结合，操控与执行达到统一。

对于驱动电路的主芯片是TB6560AHQ，如图2所示， TB6560AHQ是驱动电路的核心，维持整个驱动电路的运行，该芯片左半部分的电气信号主要是来自下位STM32微控制器，电压较小，但对信号的接收灵敏。右半部分主要用于驱动步进电机，电压较高，功率较大，所以发热较严重。为了防止芯片因长时间工作，导致发热而损坏，在TB6560AHQ的散热面装设有散热器，帮助其散热，散热器的体积较大，这样保证了步进电机驱动电路的安全可靠运行。同时可见该电路可对驱动电流的大小、衰减程度做调整，同样也可对步进电机的细分数及转向做出调整，提高了步进电机驱动电路对不同型号的步进电机的驱动能力。步进电机驱动电路辅有指示灯指示的功能，可供操作员直观的判断当前驱动电路的运行情况。

下面结合以上步进电机驱动电路的组成结构，对本实用新型的动态运行过程做进一步说明：当操作员通过PC机输入步进电机的转速及转向的控制指令后，指令将通过USB串口输入到与之相连的上位STM32微控制器。上位STM32微控制器自动识别该条指令，指令如果出错，将出错的信息返回PC机，提醒操作员，并请求重新输入正确指令。若指令没有出错，上位STM32微控制器对指令进行处理，同时配置与之相连的NRF24L01无线模块的引脚电平，使之能够发送信息，并将处理后的指令发送。执行单元的下位STM32微处理器配置与之相连的NRF24L01无线模块的引脚电平，使之能够接收信息，并接收来自控制单元的指令信息。下位STM32微处理器将指令信息转换为PWM波，输出给步进电机驱动电路。当事先配置好驱动电路的电流大小、电流衰减方式、细分数后，在驱动电路的作用下，开始驱动步进电机，使其按指令转动。

步进电机转动的同时，与步进电机同轴相连的角位移传感器将转动的角度、转速信息反馈给下位STM32微控制器，进行ADC转换，将输入的信号数字化处理。执行单元经处理的反馈信号，一方面由NRF24L01无线模块输出到控制单元，在PC机上显示相关信息；另一方面经上位STM32微控制器进行PID算法处理， 再次输出PWM波，使得步进电机转动的真实值与理想值之间的误差减小。

以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于STM32的无线通信步进电机驱动器，其特征在于：它包括控制单元和执行单元，其中：

控制单元包括通过相互连接的上位机和上位STM32微处理器；

执行单元包括下位STM32微处理器、步进电机驱动电路、步进电机和用于获取步进电机转速的角位移传感器，角位移传感器的输出端与下位STM32微处理器的输入端连接，下位STM32微处理器的输出端通过步进电机驱动电路与步进电机连接；

所述的上位STM32微处理器与下位STM32微处理器上分别设有用于控制单元和执行单元无线通信的无线通信模块。

2.根据权利要求1所述的基于STM32的无线通信步进电机驱动器，其特征在于：所述的上位机和上位STM32微处理器通过USB串口连接。

3.根据权利要求1所述的基于STM32的无线通信步进电机驱动器，其特征在于：所述的无线通信模块为NRF24L01无线模块。