基于STM32的步進電機控制系統

　　摘 要

　　本文的主要工作是基于STM32步進電機控制系統的設計。隨著越來越多的高科技產品逐漸融入了日常生活中，步進電機控制系統發生了巨大的變化。單片機、C語言等前沿學科的技術的日趨成熟與實用化，使得步進電機的控制系統有了新的的研究方向與意義。本文描述了一個由STM32微處理器、步進電機、LCD顯示器、鍵盤等模塊構成的，提供基于STM32的PWM細分技術的步進電機控制系統。該系統采用STM32微處理器為核心，在MDK的環境下進行編程，根據鍵盤的輸入，使STM32產生周期性PWM信號，用此信號對步進電機的速度及轉動方向進行控制，并且通過LCD顯示出數據。結果表明該系統具有結構簡單、工作可靠、精度高等特點.

　　隨著電力電子技術、微電子技術、控制理論以及永磁材料的快速發展，步進電機得以迅速發展。在現代工業生產中，生產機械一般都用電動機拖動。隨著現代化的發展，工業自動化水平不斷提高，各種自動控制系統中也日益廣泛地應用各種控制電機。為了提高生產率和保證產品質量，大量的生產機械要求步進電機以不同的速度工作。這就要求人們采用一定的方法來改變機組的轉速，即對步進電機進行調速。對電機的轉速不僅要能調節，而且要求調節的范圍寬廣，過程平滑，調節的方法要簡單、經濟。步進電機在上述方面都具有獨到的優點，使它得到廣泛的應用。本文針對步進電機具有起動轉距大、體積小、重量輕、轉矩和轉速容易控制以及效率高等十分優良的特點， 根據自動控制原理， 采用PWM細分控制方式， 設計了一個步進電機控制系統，以更好地對步進電機進行精確而又迅速的控制。

　　1.1 課題背景

　　STM32系列32位閃存微控制器使用來自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內核，該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。Cortex-M3在系統結構上的增強，讓STM32受益無窮；Thumb-2?指令集帶來了更高的指令效率和更強的性能；通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速；所有這些又都融入了業界領先的功耗水準。STM32系列給MCU用戶帶來了前所未有的自由空間，提供了全新的32位產品選項，結合了高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，同時保持了高集成度和易于開發的優勢。由于集成了更豐富的資源、方便使用的架構以及低功耗的特性，加上有競爭力的價格，使得從16位升級到32位變得容易。

　　在工業生產中，常常要用到步進電機在一些對位置控制要求不高的電機控制系統如傳動控制系統中，傳統電機如步進電機仍有很大的優勢，而要對其進行精確而又迅速的控制，就需要復雜的控制系統。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。通過細分來控制步進電機可以更加精確。細分的基本概念為：步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了。如驅動器工作在10細分狀態時，其步距角只為‘電機固有步距角’的十分之一，也就是：當驅動器工作在不細分的整步狀態時，控制系統每發一個步進脈沖，電機轉動1.8°；而用細分驅動器工作在10細分狀態時，電機只轉動了0.18°。細分功能完全是由驅動器靠精確控制電機的相電流所產生的，與電機無關。

　　步進電機的細分技術實質上是一種電子阻尼技術，其主要目的是提高電機的運轉精度，實現步進電機步距角的高精度細分。其次，細分技術的附帶功能是減弱或消除步進電機的低頻振動，低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區工作（如走圓?。?，選擇細分驅動器是唯一的選擇。

　　驅動器細分后的主要優點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機的輸出轉矩，尤其是對三相反應式電機，其力矩比不細分時提高約30-40% ；提高了電機的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度，‘提高電機的分辨率’是不言而喻的。

　　1.2 課題目標及意義

　　STM32是近年來發展非常迅速的處理器，有很好的應用前景。將其應用于步進電機的調速控制，有極大的使用價值。以脈寬調制技術為代表的電機數字驅動技術也在迅猛發展，將計算機應用于這一領域正好可以發揮其在數字控制方面的優勢。微電子技術和計算機技術的發展，為計算機控制技術的發展和應用奠定了堅實的基礎?？梢赃@樣說，沒有微處理器的儀器不能稱其為儀器，沒有微型機的控制系統更談不上現代工業控制系統。隨著微型計算機、超大規模集成電路、新型電力電子開關器件和傳感器的出現，以及自動控制理論、電力電子技術、計算機控制技術的深入發展，電氣傳動裝置日新月異地更新換代，直流傳動系統也在不斷地更新和發展。

　　步進電機是常用的動力提供元件，在日常生活中占據著重要的地位。步進電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究步進電機的速度控制，有著非常重要的意義。研究直流電機的控制方法，對提高控制精度、節約能源等都具有重要意義。本方案以STM32為控制核心，實現普通步進電機的轉速、正反轉調節功能，為進一步研究和優化步進電機控制方法提供基礎。

　　1.3 課題任務及要求

　　通過STM32實現對步進電機的精確控制，通過按鍵實現正轉、反轉、加速、減速，并將這些信息通過TFT彩色LCD顯示出來。

　　1.4 課題內容分析與實現

　　本設計是一種采用 STM32 為核心實現步進電機控制系統?；谠O計目標的要求，本設計需要實現的硬件部分是系統的SPGT62C19B電機控制模組以及整個控制系統的編程。

　　首先，根據課題背景綜合成本和控制精度指標等因素，選擇需要的步進電機。

　　其次，基于成本和結構復雜的原因，本設計通過A/D轉換代替鍵盤輸入，將電壓模擬信號轉換為數字信號并通過LCD顯示出來。

　　再次，設計SPGT62C19B電機控制模組，并完成硬件搭建。

　　最后，整體硬件和軟件聯調，實現任務要求。

　　1.5 課題論文安排介紹

　　本文的主要工作是基于STM32的步進電機控制系統的設計，介紹了整個控制系統的設計思想、主要模塊的電路原理、程序結構以及測試結果等內容，整體上分為軟件和硬件的兩大部分來設計。本次課題設計內容安排可分為三部分：

　　第一部分是硬件設計，包括方案主要模塊的電路設計、元器件的選擇等。具體的硬件電路是SPGT62C19B電機控制模組步進電機驅動模塊和STM32開發板兩大電路模塊。先對每一個模塊的各個芯片測試成功后，再焊接其對應的整個模塊電路，且每一部分都要進行單獨調試，各個部分調試成功后，聯接調試整個硬件電路，對在途中出現的錯誤進行分析和改正，最后得出結論。

　　第二部分是軟件設計，軟件采用C語言編寫，軟件設計的思想主要是自頂向下，模塊化設計，逐一設計各個子模塊，分別進行調試，最后的連調整個程序，判斷是否達到預期的要求，做出結論。

　　第三部分在軟硬件模塊調試都成功的前提下，進行硬、軟件連調，這是整個控制系統設計的關鍵，也是設計的重點、難點所在。

　　本文對步進電機控制系統的設計進行了詳細的介紹，共分五章。第1章簡要介紹了整個課題的研究背景、目的、意義及整個任務的要求安排；第2章是針對此次課題的任務進行總體方案介紹；第3章具體介紹了步進電機控制系統的硬件設計，包括SPGT62C19B電機控制模塊電路的設計；第4章闡述了步進電機控制系統的軟件設計，包括PWM細分等子程序的設計；第5章是針對硬件調試、軟件調試和整機連調的結果進行了具體的分析和說明。