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基于PIC24F的无线步进电机控制器

来源: 树人论文网 发表时间:2019-06-13 编辑:lunwenfabiao 浏览次数: 次
摘要: 介绍了一种基于PIC24F单片机、蓝牙无线通信、手机端APP控制的步进电机控制器设计,采用双H桥驱动、光耦隔离,具备电机参数检测、无共态导通、兼容24V以下步进电机等特点。 《 上海
职称论文发表

  介绍了一种基于PIC24F单片机、蓝牙无线通信、手机端APP控制的步进电机控制器设计,采用双H桥驱动、光耦隔离,具备电机参数检测、无共态导通、兼容24V以下步进电机等特点。

上海电机学院学报

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  步进电机广泛运用于各种数字控制系统中,其精度高,运行可靠,是各种自动化控制系统中的关键部件。本文以小功率两相步进电机为对象,介绍了一种基于PIC24F单片机,采用蓝牙无线通信、手机端APP控制的步进电机控制器设计,硬件部分包括步进电机驱动电路、电机电压电流检测电路、MCU控制电路、电源电路以及机壳温度监测电路,结合所设计的软件和手机端APP,实现了步进电机的无线控制及参数检测。

  1 总体方案设计

  本方案以16位单片机PIC24FJ64GA004为控制核心,通过蓝牙模块接收来自手机端APP的控制指令,单片机经光耦PC817连接MOS管双H桥电路驱动步进电机,控制步进电机的正反转、加减速等动作。同时,DS18B20温度传感器监测机壳温度,电机参数检测电路检测步进电机的电压和相电流,经MCU进行A/D采样、滤波处理后通过蓝牙模块上传至手机端,从而实现步进电机的控制和在线监测功能。系统原理框图如图1。

  2 硬件设计

  2.1 步进电机驱动电路

  在H桥电路的基础上设计步进电机驱动电路。采用分立元件MOS管搭建双H桥驱动电路是成熟的电机控制方案,电路不复杂,性能可靠,根据MOS管的不同工作电流的上限甚至可以高达数十安培,是理想的步进电机驱动器方案。

  MOS管H桥驱动电路有NMOS构型和PMOS,NMOS构型,全NMOS管H桥导通电阻更小,但上桥臂的NMOS管的导通电压高于电源电压,需要额外的升压电路,这样增加了电路的复杂程度和成本,我们采用PMOS,NMOS构型方式搭建双H桥步进电机驱动电路,电路更简洁,成本更低;且在这样的小电流工作场合,PMOS所增加的导通损耗可以忽略不计。驱动电路与MCU之间进行光电隔离,选用广泛使用的低成本光耦PC817。加入双输入四通道与门(74HC08D),为驱动电路添加使能的功能,即只有在使能的前提下,四路控制信号才是有效的,使步进电机运行更安全稳定MOS管选用IRF5305和IRF1205,其参数为55V、110A,TO252贴片封装。步进电机驱动电路原理图如图2所示。

  2.2 电机参数测量电路

  为了实时监测步进电机的运行状态是否正常,为驱动器设计了电机参数测量功能、通过实时监测电机的工作电压、工作相电流和机壳温度来实时获取电机的运行参数,保证电机运行安全稳定。

  电机电流采样电阻选用康铜电阻,一端连接H桥下方,另一端接GND,其工作温度范围宽,温度系数仅为-40~40*10-6/℃,是高精度电流采样电阻的理想选择。电压电流信号调理电路采用LM324运放搭建,电压跟随后送入MCU,由MCU内置10Bit A/D转换器进行A/D采样。机壳温度监测选用数字温芯片DS18B20,将其贴至电机外壳表面,实时监测温度参数并送入MCU。电机参数检测电路原理图如图3所示。

  在进行电路设计时,使用0欧姆电阻将模拟地(AGND)和数字地(GND)单点连接,以降低相互干扰,提高电路性能。

  2.3 电源及MCU控制电路

  系统中,驱动电路用输入电压供电,MCU和蓝牙模块需要额外的3.3V电压供电,传统的线性稳压器效率低、尺寸大且发热严重,因此使用DC—DC开关电源方式提供3.3V电压。开关稳压芯片选用MPS公司MP2359方案,其效率可高至92%、工作频率高达1.4MHZ,极高的工作频率决定其只需要小容量的输入电容、输出电容和功率电感即可正常工作。

  蓝牙选用HC-05模块,串口自动发送。主控芯片为PIC24FJ64GA004,电源及主控芯片外围电路如图4。

  3 软件设计

  3.1 无线步进电机驱动器软件设计

  主控芯片通过蓝牙模块经串口接收来自手机APP的电机控制指令,以此控制电机转速、步数、转动方向等参数;同时将采集到的电机参数经A/D转换、软件滤波后通过蓝牙模块发送至手机端。系统软件流程图如图5所示。

  3.2 手机端APP软件设计

  手机端APP基于中文编程环境“易安卓”开发,纯中文编程,上手快,减少了开发难度。软件可配置电机步数、速度、转动方向等参数,并通过蓝牙发送至控制器;同时接收控制器发送的电机参数,并对参数进行解码、显示、保存。手机端APP如图6所示。

  4 结束语

  本设计实现了以PIC24FJ64GA004单片机为控制核心,MOS管双H桥驱动,电机电压、电流、温度采集,蓝牙传输的无线步进电机控制器。并通过C语言开发了控制器程序,通过中文语言“易安卓”完成了手机端APP设计,实现了步进电机的低成本无线控制。

  参考文献:

  [1] 董晓庆,黄杰贤,张顺扬. 步进电机驱动器的关键技术研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2008(6):14-17.

  [2] 毕绍新. 步进电机驱动控制的应用研究[D]. 天津:天津大学,2003.

  [3] 杨拴科. 模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003