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，用此信號對步進(jìn)電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)動方向進(jìn)行控制，并且通過LCD顯示出數(shù)據(jù)。結(jié)果表明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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)械一般都用電動機(jī)拖動。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，工業(yè)自動化水平不斷提高，各種自動控制系統(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改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，即對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。對電機(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，過程平滑，調(diào)節(jié)的方法要簡單、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。本文針對步進(jìn)電機(jī)具有起動轉(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)自動控制原理， 采用PWM細(xì)分控制方式， 設(shè)計(jì)了一個步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，以更好地對步進(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)時應(yīng)用、具有競爭性價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受益無窮；Thumb-2?指令集帶來了更高的指令效率和更強(qiáng)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(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、低功耗、低電壓等特性，同時保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢。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，加上有競爭力的價格，使得從16位升級到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)在一些對位置控制要求不高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機(jī)如步進(jìn)電機(jī)仍有很大的優(yōu)勢，而要對其進(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)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（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?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。通過細(xì)分來控制步進(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)通過細(xì)分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了。如驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，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)動器工作在不細(xì)分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)動1.8°；而用細(xì)分驅(qū)動器工作在10細(xì)分狀態(tài)時，電機(jī)只轉(zhuǎn)動了0.18°。細(xì)分功能完全是由驅(qū)動器靠精確控制電機(jī)的相電流所產(chǎn)生的，與電機(jī)無關(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，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)有時要在共振區(qū)工作（如走圓弧），選擇細(xì)分驅(qū)動器是唯一的選擇。

　　驅(qū)動器細(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，尤其是對三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時提高約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，有極大的使用價值。以脈寬調(diào)制技術(shù)為代表的電機(jī)數(shù)字驅(qū)動技術(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。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，沒有微處理器的儀器不能稱其為儀器，沒有微型機(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、新型電力電子開關(guān)器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，電氣傳動裝置日新月異地更新?lián)Q代，直流傳動系統(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STM32實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的精確控制，通過按鍵實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、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(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A/D轉(zhuǎn)換代替鍵盤輸入，將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過LCD顯示出來。

　　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)以及測試結(jié)果等內(nèi)容，整體上分為軟件和硬件的兩大部分來設(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)動模塊和STM32開發(fā)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(yīng)的整個模塊電路，且每一部分都要進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，各個部分調(diào)試成功后，聯(lián)接調(diào)試整個硬件電路，對在途中出現(xiàn)的錯誤進(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)各個子模塊，分別進(jìn)行調(diào)試，最后的連調(diào)整個程序，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章簡要介紹了整個課題的研究背景、目的、意義及整個任務(wù)的要求安排；第2章是針對此次課題的任務(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明。