基于STM32和A4988的魔方控制系统

基于STM32和A4988的魔方控制系统

作者：李俊安赵春丽黄泽林陈昊文陈芳

来源：《科技创新与应用》2018年第20期

摘要：文章设计了一种控制魔方转动的控制系统。以三阶魔方为主要模型，通过研究三阶魔方的内部结构，以一个控制转动的魔方轴作为定轴，剩余的五个旋转的可动的动轴来控制魔方的转动。在该控制系统中，主要利用步进电机的精准角度的转动特性来控制魔方的每一个面的旋转，从而达到魔方控制的效果。步进电机的转动主要是通过STM32单片机的内部计算，精确修改旋转角度、细分系数。步进电机的转动器的设计是以STM32F103RCT6作为主控制器，以A4988步进电机驱动设备，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。通过实物设计实现了步进电机正反转任意角度和细分系数的控制，并通过精确计算步进脉冲个数实现了任意旋转角度的精确控制，该驱动控制器步进角度精度高0.1125度，以至于达到了魔方的精准旋转控制。

关键词：STM32；A4988；步进电机；魔方控制系统

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0005-05

Abstract： A control system is designed to control the rotation of Rubik's Cube. Taking the three-order Rubik's Cube as the main model， the internal structure of the three-order Cube is studied.

A rotating Cube axis is used as the fixed axis， and the remaining five rotating movable axes are used to control the rotation of the Cube. In this control system， the rotation characteristics of the precise angle of the stepping motor are mainly used to control the rotation of each side of the Rubik's Cube，so as to achieve the effect of the Rubik's Cube control. The rotation of stepper motor is mainly through the internal calculation of STM32 single chip computer， precise modification of rotation angle，and subdivision coefficient. The design of stepping motor rotator is based on STM32F103RCT6 as the main controller and A4988 as the driving device. The working principle， interface circuit and controller design scheme of the stepping motor drive device are analyzed in detail. The control of the forward and backward rotation angle and subdivision coefficient of the stepping motor is realized through the physical design， and the precise control of any rotation angle is realized by calculating the number of step pulses accurately. The stepping angle precision of the driving controller is 0.1125 degrees higher so as to achieve the precise rotation control of the Rubik's Cube.

Keywords： STM32； A4988； stepping motor； Rubik's Cube control system

引言

随着教育事业的不断发展，要求学生多元化方向发展，从而学生的课程越来越多，所需的书籍也随之增多。因此，基于书籍的分类，在魔方结构的基础上，我们推出一款以魔方结构为基础的智能书架。

以三阶魔方为例，魔方的转动可根据相关的魔方公式来进行，从而可以使特定方格达到理想位置。控制魔方转动的动力来源于步进电机，而步进电机的驱动有A4988模块给予，其指令由STM32发出及控制。随着科技的发展，步进电机的数字化控制更为方便，也给项目的应用带来更多的便捷之处。尤其是在步进电机的转动速度、角度的精准控制，这些是魔方控制结构的基础。本文主要介绍以STM32F103RCT6 作为A4988 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，从而实现了魔方控制系统的精准控制。

1 A4988的工作原理及特性

A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步驱动器，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35V及±2V。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。

除此之外，相比于其他的步进电机的驱动模块

（如：LM358），A4988有着功耗小、用法简单、体积小巧等优点。因此在魔方的控制系统中，选用A4988作为步进电机的驱动模块。

1.1 A4988的工作原理

从A4988的使用手册中查询到A4988的内部结构图。如图1所示。

A4988内部有一个负责微控制器和驱动电路的信息交互的编译器。编译器可以产生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，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。SENSE1和SENSE2管脚连接的电阻相对较小，一般只有零点几欧姆。

1.2 A4988的逻辑控制

A4988的逻辑控制分为：睡眠、正反转、复位、使能、细分模式。具体如下：

（1）对于Sleep引脚：当该引脚电平电平置0为睡眠模式，Sleep管脚置1，A4988处于正常工作模式。

（2）DIR引脚：DIR引脚置0或1为正转，置1或0为反转。