基于STM32的微型步进电机驱动控制器设计
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2020-07-30
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基于基于STM32的微型步进电机驱动控制器设计的微型步进电机驱动控制器设计
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。
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。
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：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：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。
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