基于步进电机水分配器软硬件设计

基于步进电机水分配器软硬件设计大宗交易查询 1 简介 水流量分配器，是用于调节水通路及水流量的装置，是涉及水路调节或分配的电器设备中的重要部件。水流量分配器的核心是控制系统，主要功能是实现水路切换及水流量调节。水流量分配

1 简介

水流量分配器，是用于调节水通路及水流量的装置，是涉及水路调节或分配的电器设备中的重要部件。水流量分配器的核心是控制系统，主要功能是实现水路切换及水流量调节。水流量分配器的控制系统有多种实现形式，步进电机具有转动角度精准可控，转速和力矩线性可调等优点而得到广泛应用。图1是一种基于步进电机控制器的水流量分配器实物图。

图1 基于步进电机控制的水分配器

2 水分配器基本原理

水分配器通过转动进水口和出水口之间的堵水装置，从而改变出水路径和每一路水流量。其工作实现原理示意图如图2所示。

图2 水分配器工作实现原理示意图

3 硬件电路设计

步进电机的硬件驱动电路相对比较简单，以24BJY48-12V型步进电机为例，采用ULN2803A作为驱动芯片的硬件设计说明如下。

首先简单介绍步进电机的编号含义。

24——表示此步进电机的有效最大外径为24毫米；

B——表示表示是步进电机，“步”字的汉语拼音（Bu）开头字母；

Y——表示永磁式，“永”汉语拼音（Yong）开头字母；

J——表示减速型，“减”汉语拼音（Jian）开头字母；

48——表示4相8拍；

12V—表示本步进电机的额定工作电压是直流12V。

以上合作一起就说明这是一款额定工作电压为直流12V的永磁减速步进电机，驱动信号为4相8拍，有效外径是24mm。这种步进电机通常有五根线，其中一根是电源线，其它4根是驱动信号线。

步进电机的驱动电路相对比较简单，电路图如图3所示。

图3 步进电机驱动电路图

需要注意的是在信号的输入端应该设计下拉电阻以防止电机在驱动信号尚未复位或配置前电机发热。另外要考虑脉冲电流较大，在PCB layout时需要增强电流到地的回流能力。

4 软件设计

首先根据步进控制要求列出相位控制矩阵，如：

这是5线4相电机的简化驱动矩阵，采用4拍控制，更精准的可以采取8拍模式。电机的每一步进的脉冲保持宽度不小于2ms，过小则转动力矩不足，带不动负载，过大则电机转动缓慢。

其次PWM模块输出需要设置成对应相序的高低电平，然后持续一段时间（2-3ms）后输出下一步电平，TIM_SetCompare1(TIM1, PWM_PERIOD);在MCU的IO口输出为0，经过2803反相后输出为1；TIM_SetCompare1(TIM1, 0);在IO口输出为1，经过2803反相后输出为0。

电机正转：step0—> step1—>step2—> step3—> step0循环；

电机反转 step3—> step2—> step1—> step0—> step3循环；

采用STM32F103的驱动软件设计说明如下：

系统配置外部高速8MHz晶振，pll倍频到72MHz主频，系统时钟节拍设为1ms；PWM模块周期为1000uS。

PWM模块配置代码说明如下：

配置完成后可以实际测试如下：

TIM_SetCompare1(TIM3, 0); //PWM CH1输出高电平，ULN2803反相后为低驱动步进电机；

TIM_SetCompare1(TIM3, PWM_PERIOD); //PWMCH1输出低电平，ULN2803反相后为高驱动步进电机；

TIM_SetCompare1(TIM3,PWM_PERIOD/2-1); //PWM输出周期为1ms，波形图如图4；

图4 PWM输出波形图

驱动控制代码如下：

应用控制代码编写的基本思想是首先找到水路控制的中心原点，记为0点，以0点位置为中心，步进电机正转特定度数和反转特定度数以对应需要的水路和流量。由于本部分涉及到结构和机械部分，存在较大差异，在系统设计和调试中需要反复测试和调整以实现精准控制。

来源：瑞志信息

作者：张发林

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