摘 要： 设计了一种微型步进电机驱动控制器，通过上位机界面修改步进电机转速、旋转角度、细分系数。该设计以STM32F103T8U6作为主控制器，以A4988步进电机驱动设备，上位机串口界面作为人机接口界面，详细分析步进电机驱动设备的工作原理、各部分接口电路以及控制器设计方案。通过实物设计实现了步进电机转速、正反转任意角度和细分系数的控制，并通过精确计算步进脉冲个数实现了任意旋转角度的精确控制，该驱动控制器步进角度精度高达0.112 5度。
关键词： 微型步进电机；STM32F103T8U6；A4988；串口；正反转
0 引言
自从上世纪20年代英国人开发了步进电机，50年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上，并使得步进电机的数字化控制更为方便。经过不断改良，今日步进电机已广泛运用在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，尤其在重视速度、位置控制、需要精确操作指令动作的灵活控制场合步进电机用得最多。
本文旨在以STM32F103T8U6[1]作为A4988[2]控制器，并以A4988作为微型步进电机驱动器设计步进电机控制器模块，实现闭环精确控制微型步进电机的步进角度的功能，并从多方面深入分析A4988的工作原理以及微型步进电机速度控制和步进角度精确控制策略[3-4]。
1 A4988的特性和工作原理
1.1 A4988的特性
A4988是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35 V及±2 A。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。转换器是A4988易于实施的关键。只要在“步进”输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。在微步运行时，A4988内的斩波控制可自动选择电流衰减模式（慢或混合）。在混合衰减模式下，该器件初始设置为在部分固定停机时间内快速衰减，然后在余下的停机时间慢速衰减。混合衰减电流控制方案能减少可听到的电动机噪音，增加步进精确度并减少功耗。提供内部同步整流控制电路，以改善脉宽调制（PWM）操作时的功率消耗。内部电路保护包括：带滞后的过热关机、欠压锁定（UVLO）及交叉电流保护，不需要特别的通电排序。
1.2 A4988的工作原理
为了更加清晰地分析A4988的工作原理，首先深入分析A4988的内部结构。如图1所示为A4988的内部结构图和典型的外部电路连接图。
由图1所示，A4988有一个编译器（Translator），主要负责微控制器和驱动电路的信息交互。通过该编译器可产生DA信号，配合比较器辅助PWM锁存器修复衰减信号，并且该编译器能够产生逻辑电平控制逻辑控制器，逻辑控制器再配合电流调节器和N型MOS管驱动电压共同驱动两路全桥电路。电路中所标电容必须严格与技术文档中所给的相同，Rosc主要更改并修复衰减模式，接VDD自动修复衰减，接GND电流衰减设置为增减电流同时修复。SENSE1和SENSE2检测驱动输出电压，实则是实时检测输出电流，供电流调节器调节输出电流信号，形成闭环控制。因此SENSE1和SENSE2管脚连接的电阻非常关键，一般这个电阻的阻值在零点几欧姆左右。
1.3 A4988逻辑控制策略
A4988控制逻辑简单，主要分为睡眠、正反转、复位、使能、细分等模式控制。
（1）睡眠模式：Sleep管脚电平置0，进入睡眠模式，驱动器输出待机模式；Sleep管脚置1，驱动器处于正常工作状态；
（2）正反转模式：正转模式DIR管脚置0或1，反转模式置1或0；
（3）复位模式：复位模式下容易消耗能量，产生的冲击电流较大。直接RESET管脚置1，在不影响系统工作时RESET管脚置0复位。一旦驱动芯片复位，系统将回归到原始A4988 I/O端口控制状态；
（4）使能模式：使能模式控制系统是否开始工作，ENBALBE管脚置0开始工作，置1停止工作；
（5）细分模式[5]：通过MS1、MS2、MS3控制细分系数，A4988细分为1/16细分为最小，通过计算角度值可得最小细分角度为全步进角度的1/16。A4988驱动逻辑控制如表1所示。
2 控制器电路设计
根据A4988芯片的工作原理，控制器电路主要分为上位机串口模块、STM32最小系统板模块和A4988微型步进电机驱动模块。通过STM32F103T8微控制器接收上位机的控制指令，通过识别分析之后执行步进电机控制操作。内部步进电机驱动控制器总体设计框图如图2所示。
2.1 硬件电路设计
（1）串口通信模块[6]：主要负责上位机和下位机通信。上位机通过串口通信模块发送相应的功能指令给下位机，下位机执行上位机的指令并控制A4988驱动器模块驱动步进电机。如图3所示。
（2）STM32控制器模块：微型步进电机控制器的主控模块，接收上位机的指令，执行步进电机控制指令，主要控制步进电机细分操作、速度控制、旋转角度控制。如图4所示。
（3）A4988微型步进电机驱动器模块：如图5所示,主要控制并驱动微型步进电机，执行主控制器的各项驱动操作。
2.2 功能设计
该微型步进电机控制器的设计要求：
（1）实现步进电机细分控制
细分控制只需控制MS1、MS2、MS3三个引脚即可得到相应的细分结果。细分角度值等于步进角度乘以细分系数，细分系数通过上位机发送命令得到，初始细分值为1，即全步进方式运行。
（2）实现步进电机速度控制
通过测试，影响步进电机转速的主要因素有步进脉冲频率和细分系数。步进脉冲频率过高会造成步进电机失步，经过测试400 Hz时步进电机不会失步，且经过细分之后步进电机旋转不会出现强烈的震动和声音。当细分系数越来越小时，步进电机的旋转速度也会随之越来越小。此原因之一就是当细分系数不变时，每进一个脉冲走一步，脉冲频率越高，步进电机旋转速度越快；原因之二就是当步进电机输入脉冲频率不变时，每1/2细分步进电机的进角度就变为原来的1/2度，因此脉冲个数就增加了一倍，自然速度就降低为原来的1/2。
（3）实现步进电机任意角度旋转控制
步进电机任意角度旋转控制是相对于A4988驱动旋转最小角度（0.1125度）而言，且A4988是通过脉冲驱动步进电机，通过计算脉冲个数乘以细分角度即可得旋转角度值。A4988输入脉冲个数可通过微控制器外部中断I/O口计算PWM波个数得到。
3 软件设计
STM32F103T8U6是32 bit微控制器，能产生独立PWM波，PWM脉宽可调且频率可调，方便步进电机驱动调试速度；可提供外部中断为检测PWM输出脉冲个数进行计数，为实现旋转步进电机旋转角度控制提供精确数据，这样就形成了角度闭环控制；可提供串口通信，供上位机设备和微控制器进行信息交互；该微控制器I/O端口少价格便宜完全可替代16 bit单片机进行复杂的逻辑运算。STM32控制方式：（1）接收上位机控制指令并返回接收指令，表示接收成功，否则接收失败；（2）通过接收到的上位机控制指令，分别转化成控制步进电机指令，控制步进电机工作模式。
3.1 串口通信指令设计
串口通信上位机发送指令有：（1）启动模式；（2）睡眠模式；（3）复位模式；（4）速度设置模式；（5）细分模式。发送协议以“{”为起始码，以“}”为结束码，如{+0.1125℃}即正向旋转0.112 5度；当下位机执行完上位机指令时返回接收指令，否则不返回。具体发送方式如表2所示。
3.2 控制器控制策略
STM32软件负责该模块的主控制器，首先让启动模式处于非启动状态（DISABLE），外部中断也处于关闭状态。一旦启动模式被打开，即点亮LED；其次，进行速度设置、细分系数设置以及旋转角度设置。睡眠模式下LED缓慢闪烁。具体该驱动控制器软件设计流程图如图6所示。
4 结论
通过系统对软硬件进行调试，该控制器实现了对步进电机速度、细分系数、任意角度的设置，并达到了预期设定的目标。此控制器可以应用在相对比较精细的项目控制中，加快项目研发周期。该模块的主要缺陷就是输出驱动电流不够大，无法应用在扭力比较大的场合中，因此，通过上述对A4988模块的分析，可以再对A4988芯片进行改进，更换导通电阻小、驱动电流大的MOS管，实现电机驱动器的设计。
参考文献
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