基于PIC24F的無線步進電機控制器

　　介紹了一種基于PIC24F單片機、藍牙無線通信、手機端APP控制的步進電機控制器設計，采用雙H橋驅動、光耦隔離，具備電機參數檢測、無共態導通、兼容24V以下步進電機等特點。

　　《上海電機學院學報》是由上海電機學院主辦的以各類工程與技術研究為主的綜合性科技學術期刊，雙月刊。榮 獲全國高校科技期刊優秀編輯質量獎，是中國高校特色科技期刊。

　　步進電機廣泛運用于各種數字控制系統中，其精度高，運行可靠，是各種自動化控制系統中的關鍵部件。本文以小功率兩相步進電機為對象，介紹了一種基于PIC24F單片機，采用藍牙無線通信、手機端APP控制的步進電機控制器設計，硬件部分包括步進電機驅動電路、電機電壓電流檢測電路、MCU控制電路、電源電路以及機殼溫度監測電路，結合所設計的軟件和手機端APP，實現了步進電機的無線控制及參數檢測。

　　1 總體方案設計

　　本方案以16位單片機PIC24FJ64GA004為控制核心，通過藍牙模塊接收來自手機端APP的控制指令，單片機經光耦PC817連接MOS管雙H橋電路驅動步進電機，控制步進電機的正反轉、加減速等動作。同時，DS18B20溫度傳感器監測機殼溫度，電機參數檢測電路檢測步進電機的電壓和相電流，經MCU進行A/D采樣、濾波處理后通過藍牙模塊上傳至手機端，從而實現步進電機的控制和在線監測功能。系統原理框圖如圖1。

　　2 硬件設計

　　2.1 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。采用分立元件MOS管搭建雙H橋驅動電路是成熟的電機控制方案，電路不復雜，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管的導通電壓高于電源電壓，需要額外的升壓電路，這樣增加了電路的復雜程度和成本，我們采用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2所示。

　　2.2 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。電壓電流信號調理電路采用LM324運放搭建，電壓跟隨后送入MCU，由MCU內置10Bit A/D轉換器進行A/D采樣。機殼溫度監測選用數字溫芯片DS18B20，將其貼至電機外殼表面，實時監測溫度參數并送入MCU。電機參數檢測電路原理圖如圖3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。

　　2.3 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。開關穩壓芯片選用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。主控芯片為PIC24FJ64GA004，電源及主控芯片外圍電路如圖4。

　　3 軟件設計

　　3.1 無線步進電機驅動器軟件設計

　　主控芯片通過藍牙模塊經串口接收來自手機APP的電機控制指令，以此控制電機轉速、步數、轉動方向等參數;同時將采集到的電機參數經A/D轉換、軟件濾波后通過藍牙模塊發送至手機端。系統軟件流程圖如圖5所示。

　　3.2 手機端APP軟件設計

　　手機端APP基于中文編程環境“易安卓”開發，純中文編程，上手快，減少了開發難度。軟件可配置電機步數、速度、轉動方向等參數，并通過藍牙發送至控制器;同時接收控制器發送的電機參數，并對參數進行解碼、顯示、保存。手機端APP如圖6所示。

　　4 結束語

　　本設計實現了以PIC24FJ64GA004單片機為控制核心，MOS管雙H橋驅動，電機電壓、電流、溫度采集，藍牙傳輸的無線步進電機控制器。并通過C語言開發了控制器程序，通過中文語言“易安卓”完成了手機端APP設計，實現了步進電機的低成本無線控制。

　　參考文獻：

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