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。
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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：
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