摘要：本文的主要工作是基于STM32步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著越來(lái)越多的高科技產(chǎn)品逐漸融入了日常生活中，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化。單片機(jī)、C語(yǔ)言等前沿學(xué)科的技術(shù)的日趨成熟與實(shí)用化，使得步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)有了新的的研究方向與意義。本文描述了一個(gè)由STM32微處理器、步進(jìn)電機(jī)、LCD顯示器、鍵盤等模塊構(gòu)成的，提供基于STM32的PWM細(xì)分技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微處理器為核心，在MDK的環(huán)境下進(jìn)行編程，根據(jù)鍵盤的輸入，使STM32產(chǎn)生周期性PWM信號(hào)，用此信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行控制，并且通過(guò)LCD顯示出數(shù)據(jù)。結(jié)果表明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度高等特點(diǎn).

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制理論以及永磁材料的快速發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)得以迅速發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械一般都用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中也日益廣泛地應(yīng)用各種控制電機(jī)。為了提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，大量的生產(chǎn)機(jī)械要求步進(jìn)電機(jī)以不同的速度工作。這就要求人們采用一定的方法來(lái)改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，即對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣，過(guò)程平滑，調(diào)節(jié)的方法要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。步進(jìn)電機(jī)在上述方面都具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，使它得到廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)距大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速容易控制以及效率高等十分優(yōu)良的特點(diǎn)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，采用PWM細(xì)分控制方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，以更好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(lái)自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。Cortex-M3在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，讓STM32受益無(wú)窮；Thumb-2?指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能；通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速；所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的功耗水準(zhǔn)。STM32系列給MCU用戶帶來(lái)了前所未有的自由空間，提供了全新的32位產(chǎn)品選項(xiàng)，結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)保持了高集成度和易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。由于集成了更豐富的資源、方便使用的架構(gòu)以及低功耗的特性，加上有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，使得從16位升級(jí)到32位變得容易。

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常要用到步進(jìn)電機(jī)在一些對(duì)位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機(jī)如步進(jìn)電機(jī)仍有很大的優(yōu)勢(shì)，而要對(duì)其進(jìn)行精確而又迅速的控制，就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。通過(guò)細(xì)分來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)可以更加精確。細(xì)分的基本概念為：步進(jìn)電機(jī)通過(guò)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，其步距角變小了。如驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，其步距角只為‘電機(jī)固有步距角’的十分之一，也就是：當(dāng)驅(qū)動(dòng)器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在10細(xì)分狀態(tài)時(shí)，電機(jī)只轉(zhuǎn)動(dòng)了0.18°。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動(dòng)器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無(wú)關(guān)。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種電子阻尼技術(shù)，其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分。其次，細(xì)分技術(shù)的附帶功能是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作（如走圓?。?，選擇細(xì)分驅(qū)動(dòng)器是唯一的選擇。

驅(qū)動(dòng)器細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩；提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約30-40%；提高了電機(jī)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(jī)的分辨率’是不言而喻的。

1.2課題目標(biāo)及意義

STM32是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應(yīng)用前景。將其應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制，有極大的使用價(jià)值。以脈寬調(diào)制技術(shù)為代表的電機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)也在迅猛發(fā)展，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于這一領(lǐng)域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字控制方面的優(yōu)勢(shì)。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？梢赃@樣說(shuō)，沒(méi)有微處理器的儀器不能稱其為儀器，沒(méi)有微型機(jī)的控制系統(tǒng)更談不上現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電力電子開(kāi)關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動(dòng)裝置日新月異地更新?lián)Q代，直流傳動(dòng)系統(tǒng)也在不斷地更新和發(fā)展。

步進(jìn)電機(jī)是常用的動(dòng)力提供元件，在日常生活中占據(jù)著重要的地位。步進(jìn)電機(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究步進(jìn)電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。研究直流電機(jī)的控制方法，對(duì)提高控制精度、節(jié)約能源等都具有重要意義。本方案以STM32為控制核心，實(shí)現(xiàn)普通步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)功能，為進(jìn)一步研究和優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)控制方法提供基礎(chǔ)。

1.3課題任務(wù)及要求

通過(guò)STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的精確控制，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速，并將這些信息通過(guò)TFT彩色LCD顯示出來(lái)。

1.4課題內(nèi)容分析與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)是一種采用STM32為核心實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)?；谠O(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的硬件部分是系統(tǒng)的SPGT62C19B電機(jī)控制模組以及整個(gè)控制系統(tǒng)的編程。

首先，根據(jù)課題背景綜合成本和控制精度指標(biāo)等因素，選擇需要的步進(jìn)電機(jī)。

其次，基于成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因，本設(shè)計(jì)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換代替鍵盤輸入，將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)LCD顯示出來(lái)。

再次，設(shè)計(jì)SPGT62C19B電機(jī)控制模組，并完成硬件搭建。

最后，整體硬件和軟件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、主要模塊的電路原理、程序結(jié)構(gòu)以及測(cè)試結(jié)果等內(nèi)容，整體上分為軟件和硬件的兩大部分來(lái)設(shè)計(jì)。本次課題設(shè)計(jì)內(nèi)容安排可分為三部分：

第一部分是硬件設(shè)計(jì)，包括方案主要模塊的電路設(shè)計(jì)、元器件的選擇等。具體的硬件電路是SPGT62C19B電機(jī)控制模組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和STM32開(kāi)發(fā)板兩大電路模塊。先對(duì)每一個(gè)模塊的各個(gè)芯片測(cè)試成功后，再焊接其對(duì)應(yīng)的整個(gè)模塊電路，且每一部分都要進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，各個(gè)部分調(diào)試成功后，聯(lián)接調(diào)試整個(gè)硬件電路，對(duì)在途中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分析和改正，最后得出結(jié)論。

第二部分是軟件設(shè)計(jì)，軟件采用C語(yǔ)言編寫，軟件設(shè)計(jì)的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計(jì)，逐一設(shè)計(jì)各個(gè)子模塊，分別進(jìn)行調(diào)試，最后的連調(diào)整個(gè)程序，判斷是否達(dá)到預(yù)期的要求，做出結(jié)論。

第三部分在軟硬件模塊調(diào)試都成功的前提下，進(jìn)行硬、軟件連調(diào)，這是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)所在。

本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，共分五章。第1章簡(jiǎn)要介紹了整個(gè)課題的研究背景、目的、意義及整個(gè)任務(wù)的要求安排；第2章是針對(duì)此次課題的任務(wù)進(jìn)行總體方案介紹；第3章具體介紹了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括SPGT62C19B電機(jī)控制模塊電路的設(shè)計(jì)；第4章闡述了步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括PWM細(xì)分等子程序的設(shè)計(jì)；第5章是針對(duì)硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機(jī)連調(diào)的結(jié)果進(jìn)行了具體的分析和說(shuō)明。