基于PIC24F的無線步進(jìn)電機(jī)控制器

　　介紹了一種基于PIC24F單片機(jī)、藍(lán)牙無線通信、手機(jī)端APP控制的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計，采用雙H橋驅(qū)動、光耦隔離，具備電機(jī)參數(shù)檢測、無共態(tài)導(dǎo)通、兼容24V以下步進(jìn)電機(jī)等特點。

　　《上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報》是由上海電機(jī)學(xué)院主辦的以各類工程與技術(shù)研究為主的綜合性科技學(xué)術(shù)期刊，雙月刊。榮 獲全國高校科技期刊優(yōu)秀編輯質(zhì)量獎，是中國高校特色科技期刊。

　　步進(jìn)電機(jī)廣泛運用于各種數(shù)字控制系統(tǒng)中，其精度高，運行可靠，是各種自動化控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本文以小功率兩相步進(jìn)電機(jī)為對象，介紹了一種基于PIC24F單片機(jī)，采用藍(lán)牙無線通信、手機(jī)端APP控制的步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)計，硬件部分包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、電機(jī)電壓電流檢測電路、MCU控制電路、電源電路以及機(jī)殼溫度監(jiān)測電路，結(jié)合所設(shè)計的軟件和手機(jī)端APP，實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的無線控制及參數(shù)檢測。

　　1 總體方案設(shè)計

　　本方案以16位單片機(jī)PIC24FJ64GA004為控制核心，通過藍(lán)牙模塊接收來自手機(jī)端APP的控制指令，單片機(jī)經(jīng)光耦PC817連接MOS管雙H橋電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加減速等動作。同時，DS18B20溫度傳感器監(jiān)測機(jī)殼溫度，電機(jī)參數(shù)檢測電路檢測步進(jìn)電機(jī)的電壓和相電流，經(jīng)MCU進(jìn)行A/D采樣、濾波處理后通過藍(lán)牙模塊上傳至手機(jī)端，從而實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制和在線監(jiān)測功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

　　在H橋電路的基礎(chǔ)上設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅(qū)動電路是成熟的電機(jī)控制方案，電路不復(fù)雜，性能可靠，根據(jù)MOS管的不同工作電流的上限甚至可以高達(dá)數(shù)十安培，是理想的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方案。

　　MOS管H橋驅(qū)動電路有NMOS構(gòu)型和PMOS,NMOS構(gòu)型，全NMOS管H橋?qū)娮韪?，但上橋臂的NMOS管的導(dǎo)通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復(fù)雜程度和成本，我們采用PMOS,NMOS構(gòu)型方式搭建雙H橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(dǎo)通損耗可以忽略不計。驅(qū)動電路與MCU之間進(jìn)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(qū)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(jìn)電機(jī)運行更安全穩(wěn)定MOS管選用IRF5305和IRF1205，其參數(shù)為55V、110A，TO252貼片封裝。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。

　　2.2 電機(jī)參數(shù)測量電路

　　為了實時監(jiān)測步進(jìn)電機(jī)的運行狀態(tài)是否正常，為驅(qū)動器設(shè)計了電機(jī)參數(shù)測量功能、通過實時監(jiān)測電機(jī)的工作電壓、工作相電流和機(jī)殼溫度來實時獲取電機(jī)的運行參數(shù)，保證電機(jī)運行安全穩(wěn)定。

　　電機(jī)電流采樣電阻選用康銅電阻，一端連接H橋下方，另一端接GND，其工作溫度范圍寬，溫度系數(shù)僅為-40～40*10-6/℃，是高精度電流采樣電阻的理想選擇。電壓電流信號調(diào)理電路采用LM324運放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內(nèi)置10Bit A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D采樣。機(jī)殼溫度監(jiān)測選用數(shù)字溫芯片DS18B20，將其貼至電機(jī)外殼表面，實時監(jiān)測溫度參數(shù)并送入MCU。電機(jī)參數(shù)檢測電路原理圖如圖3所示。

　　在進(jìn)行電路設(shè)計時，使用0歐姆電阻將模擬地(AGND)和數(shù)字地(GND)單點連接，以降低相互干擾，提高電路性能。

　　2.3 電源及MCU控制電路

　　系統(tǒng)中，驅(qū)動電路用輸入電壓供電，MCU和藍(lán)牙模塊需要額外的3.3V電壓供電，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器效率低、尺寸大且發(fā)熱嚴(yán)重，因此使用DC—DC開關(guān)電源方式提供3.3V電壓。開關(guān)穩(wěn)壓芯片選用MPS公司MP2359方案，其效率可高至92%、工作頻率高達(dá)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(lán)牙選用HC-05模塊，串口自動發(fā)送。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖4。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 無線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器軟件設(shè)計

　　主控芯片通過藍(lán)牙模塊經(jīng)串口接收來自手機(jī)APP的電機(jī)控制指令，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、步數(shù)、轉(zhuǎn)動方向等參數(shù);同時將采集到的電機(jī)參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波后通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

　　3.2 手機(jī)端APP軟件設(shè)計

　　手機(jī)端APP基于中文編程環(huán)境“易安卓”開發(fā)，純中文編程，上手快，減少了開發(fā)難度。軟件可配置電機(jī)步數(shù)、速度、轉(zhuǎn)動方向等參數(shù)，并通過藍(lán)牙發(fā)送至控制器;同時接收控制器發(fā)送的電機(jī)參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行解碼、顯示、保存。手機(jī)端APP如圖6所示。

　　4 結(jié)束語

　　本設(shè)計實現(xiàn)了以PIC24FJ64GA004單片機(jī)為控制核心，MOS管雙H橋驅(qū)動，電機(jī)電壓、電流、溫度采集，藍(lán)牙傳輸?shù)臒o線步進(jìn)電機(jī)控制器。并通過C語言開發(fā)了控制器程序，通過中文語言“易安卓”完成了手機(jī)端APP設(shè)計，實現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的低成本無線控制。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 董曉慶，黃杰賢，張順揚. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008(6)：14-17.

　　[2] 畢紹新. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制的應(yīng)用研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2003.

　　[3] 楊拴科. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2003