#第四届立创大赛#HyperStepper一体化低成本高速高精度全闭环步进电机 - 嘉立创EDA开源硬件平台

*  简要介绍作品：        步进电机由于其成本低控制简单低速扭矩大等特性在工控产品中有的非常广泛的应用，传统的开环步进精度不高，噪声、振动、发热都很大而且容易失步，转速基本只够1000RPM以下的应用场合。本项目旨在研发一种高速（3000RPM）高精度（可以配合1um光栅尺做全闭环控制）同时又非常小巧化（驱动器和步进电机集成在一起）的闭环步进，并且控制其成本跟普通的开环驱动步进差不多，远远低于市面上的成品闭环步进。 【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情；        HyperStepper是低成本高精度高集成度的一体化闭环步进驱动器，区别于传统采用光电编码器的闭环步进，HyperStepper选用了英飞凌的15位巨磁阻编码器TLE5012，其大小仅一颗SOP8封装的芯片，因此可以将驱动板的尺寸做到很小与步进电机集成在一起。通过算法的校正，编码器精度可以达到0.08度以下。采用闭环控制可以根据负载动态调节电机的驱动电流，这样就不会有普通开环步进大噪声高发热振动的缺点。通过编码器实时测量电机位置，采用FOC矢量控制可以随意定位电机位置，彻底解决普通开环步进失步的问题。需要购买的可以光临本人的淘宝店铺：[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.13e8ba58s1vPDi&id=595204678303&ns=1&abbucket=8#detail](https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.1.13e8ba58s1vPDi&id=595204678303&ns=1&abbucket=8#detail)，欢迎加QQ群讨论技术问题，群号：1001482975 闭环步进参数： 主控芯片：意法半导体STM32F030C8T6 驱动芯片：两颗TB67H450FNG（最大电流3.5A） 编码器芯片：英飞凌15位汽车工业级TLE5012B 高速光耦：东芝双通道TLP2168 工作电压：12-36V（推荐24V） 工作电流：额定1.3A(42步进)2.5A（57步进）最大3.5A 控制精度：小于0.08度 电子齿轮：2、4、8、16（可随意定制） *  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；        实际在制作项目中遇到很多难点，第一个是磁编码器芯片TLE5012有2度以上的非线性误差，这也是所有磁编码器芯片的通病，与传统的光电编码器相比精度较差，解决的方法是以步进电机本身的全步精度为基准进行校正，因为普通的步进电机全步精度都可以达到0.08度以下，校正后的磁编码器跟1000线的光电编码器具有同等级的精度；第二个难点是步进电机高速驱动的问题，步进电机一般的额定运转转速基本在600RPM-800RPM之间，继续提高转速电机线圈的反电动势就会饱和导致扭矩大幅下降，转速因此上不去，解决的方法是采用弱磁驱动，在电机d轴增加一个弱磁电流，与此同时提高电机q轴的驱动电流，采用此方法电机可以跑到3000RPM转速以上；第三个难点是高精度问题，普通的闭环步进只是对电机作闭环控制，这种控制方式只能称之为半闭环控制，联轴器弹性、丝杆精度、回差、同步带变形、热胀冷缩等因数都会带来额外的误差，这样在一些对精度要求非常高的场合半闭环控制就无法达到要求，解决的办法是增加1um分辨率光栅尺做全闭环控制，通过全闭环控制可以将精度提高到正负1um（光栅基准）的精度。 *  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点；        硬件方面主控芯片选用价格3.5元左右的STM32F030C8T6和5.5元左右的STM32F103C8T6两种，前一种用于3D打印机等对成本敏感对性能要求不高的场合，后一种单片机用于高速高精度的应用场合；电机驱动芯片采用两颗最大驱动电流为3.5A耐压50V的TB67H450FNG，实测驱动42步进电机绰绰有余，驱动57步进电机也基本够用；编码器方面采用英飞凌的15位磁编码器芯片TLE5012B，这款芯片是汽车工业标准的，可靠性和工作容许温度比消费级标准的来的更高；隔离光耦选用东芝TLP2168和亿光EL357,用于隔了外部输入的CLK/STEP控制信号；稳压芯片有两种方案，一种是低成本方案直接选用耐36V高压的LDO型号RS3005，另外一种选用DC-DC降压芯片MP2456应用于需要给外部光栅尺供电的场合。 软件方面编程环境选用ARM官方专业软件KEIL-MDK，配合ST官方的CubeMX程序可以直接配置单片机的相关管脚和内设出程序，非常方便省事；控制程序中加入了开环模式，虽然闭环优点多多但开环也非一无所长，这样即使编码器坏了还可以切到开环模式继续使用；然后加入了拨码开关的选项程序，可以利用拨码实现细分、开闭环、校正等功能以方便使用；然后加入编码器自动校正代码，校正的原理是让步进电机在开环的情况下以整步跑1到2圈，因为现在市面上的步进电机都能做到整步5%以下（0.09度）的精度，据此就可以校正编码器芯片；核心的代码是位置环的PID控制，PID算法是运用最广的控制算法，其在闭环步进中的具体应用可以参考本人开源的代码。 *  四、作品材料清单；        普通42/57步进电机一台（可以选各种类型的步进电机，程序兼容性非常好）+HyperStepper闭环驱动控制板一块+5/6/8mm径向磁铁一片+安装尼龙垫圈螺丝等若干 *  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛）      *  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛） [大赛LOG展示视频](https://www.bilibili.com/video/av68622551) [闭环步进基本操作演示](https://www.bilibili.com/video/av53223504) [闭环步进定位精度演示](https://www.bilibili.com/video/av63113674?from=search&seid=14000416362111255527) [闭环步进防失步演示](https://www.bilibili.com/video/av66480951?from=search&seid=14000416362111255527) [闭环步进弱磁驱动跑3500RPM高速演示](https://www.bilibili.com/video/av68622851) [闭环步进配合磁栅全闭环控制演示](https://www.bilibili.com/video/av68622695) 七、开源文档        开源的软硬件和BOM详见附件！