基于步进电机水分配器软硬件设计

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 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 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 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 的输入端应该设计下拉电阻以防止电机在驱动信 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：

constmotor_single_step_tc_tSequenceTab[ 4]= { { 1, 1, 0, 0}, //step0 { 0, 1, 1, 0}, //step1 { 0, 0, 1, 1}, //step2 { 1, 0, 0, 1}, //step3 };

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：

staticvoidnozzle_interface_init( void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA| RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); /* TIM3 Configuration————————————————— ———————————————————————–*/ /* Time Base configuration */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1; // 72000000 / 2 = 36000000 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 36000– 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure); /* PWM频率72000000/2/36000=1KHZ，周期为1000uS。*/ /* Channel 1, 2,3 and 4 Configuration in PWMmode */ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Disable; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low; TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set; TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /* TIM3 counter enable */ TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); TIM_SetCompare1(TIM3, 0); TIM_SetCompare2(TIM3, 0); TIM_SetCompare3(TIM3, 0); TIM_SetCompare4(TIM3, 0); /* TIM3 counter enable */ TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /* TIM3 Main Output Enable */ TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); }

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：

voidspray_strength_control(uint8_tchDirection) { staticuint8_ts_chStep = 0; if(chDirection) { s_chStep ++; if( 3< s_chStep) { s_chStep= 0; } } else { if(s_chStep) { s_chStep–; } else{ s_chStep = 3; } } dispatch_control(( uint8_t*)&c_tSequenceTab[s_chStep]); }

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。

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