基于PIC24F的无线步进电机控制器

　　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》是由上海电机学院主办的以各类工程与技术研究为主的综合性科技学术期刊，双月刊。荣 获全国高校科技期刊优秀编辑质量奖，是中国高校特色科技期刊。

　　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之間进行光电隔离，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