1、-PAGE 2. z基于STM32的步進電機控制系統(tǒng)航空航天大學2010年6月-. z-. z摘 要本文的主要工作是基于STM32步進電機控制系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)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(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(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微處理器為核心，在MDK的環(huán)境下進展編程，根據(jù)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

2、及轉動方向進展控制，并且通過LCD顯示出數(shù)據(jù)。結果說明該系統(tǒng)具有構造簡單、工作可靠、精度高等特點.關鍵詞：STM32微處理器；步進電機；LCD顯示；PWM信號；細分技術AbstractAs well as the high-tech products gradually integrated into the daily life,servo control system has undergone tremendous changes.SCM and C language of the frontier disciplines such mature technology and pract

3、ical， steering control system is a new research direction and meaning.This paper describes a STM32 microprocessors, steering, LCD display and keyboard, Based on the STM32 servo control system of PWM signal，This system uses STM32 microprocessor as the core, MDK in the environment, according to the ke

4、yboard input , STM32 produce periodic PWM signal, with this signal to the velocity and Angle of steering gear control, and through the LCD display data. The features of the simple hardware, stable operation and high precision are incarnated in the proposed system. Keywords: STM32 microprocessors; St

5、eering system; LCD display；pulse width modulation signal；Subdivide technology目 錄 TOC t 標題_謝辭及參考文獻,1,標題_附錄,1,第2級標題,2,第3級標題,3,第1級標題,1 第1章 緒論 PAGEREF _Toc265656493 h 11.1 課題背景 PAGEREF _Toc265656494 h 11.2 課題目標及意義 PAGEREF _Toc265656495 h 21.3 課題任務及要求 PAGEREF _Toc265656496 h 31.4 課題容分析與實現(xiàn) PAGEREF _Toc265

6、656497 h 31.5 課題論文安排介紹 PAGEREF _Toc265656498 h 3第2章 步進電機控制系統(tǒng)的總體方案論證 PAGEREF _Toc265656499 h 52.1 總體方案 PAGEREF _Toc265656500 h 52.2 步進電機控制系統(tǒng)硬件方案 PAGEREF _Toc265656501 h 52.3 步進電機控制系統(tǒng)軟件方案 PAGEREF _Toc265656502 h 6第3章 系統(tǒng)的硬件設計 PAGEREF _Toc265656503 h 73.1 STM32開發(fā)板簡介 PAGEREF _Toc265656504 h 73.2 步進電機模塊 P

7、AGEREF _Toc265656505 h 8 步進電機驅動模塊 PAGEREF _Toc265656506 h 8 步進電機驅動控制模塊 PAGEREF _Toc265656507 h 10 步進電機的一些特點 PAGEREF _Toc265656508 h 11 步進電機的一些根本參數(shù) PAGEREF _Toc265656509 h 12 步進電機的驅動方法 PAGEREF _Toc265656510 h 133.3 A/D轉換模塊 PAGEREF _Toc265656511 h 13 模擬/數(shù)字轉換ADC介紹 PAGEREF _Toc265656512 h 13 模擬/數(shù)字轉換ADC主

8、要特性 PAGEREF _Toc265656513 h 13 模擬/數(shù)字轉換ADC功能描述 PAGEREF _Toc265656514 h 143.4 LCD顯示模塊 PAGEREF _Toc265656515 h 163.5 硬件電路 PAGEREF _Toc265656516 h 17第4章 控制系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc265656517 h 184.1 控制系統(tǒng)軟件設計步驟 PAGEREF _Toc265656518 h 184.2 Keil for ARM軟件開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc265656519 h 194.3 PWM細分技術簡介 PAGEREF _Toc

9、265656520 h 204.3.1 PWM細分技術簡介 PAGEREF _Toc265656521 h 204.3.2 PWM細分技術驅動原理 PAGEREF _Toc265656522 h 204.3.3 PWM細分調壓調速原理 PAGEREF _Toc265656523 h 224.4 主程序設計 PAGEREF _Toc265656524 h 234.5 各模塊程序設計 PAGEREF _Toc265656525 h 25系統(tǒng)初始化 PAGEREF _Toc265656526 h 25轉換程序設計 PAGEREF _Toc265656527 h 264.5.3 PWM細分程序設計 P

10、AGEREF _Toc265656528 h 29電機控制程序設計 PAGEREF _Toc265656529 h 304.5.5 LCD顯示程序設計 PAGEREF _Toc265656530 h 32第5章 步進電機控制系統(tǒng)綜合調試與分析 PAGEREF _Toc265656531 h 335.1 硬件電路調試 PAGEREF _Toc265656532 h 335.2 軟件電路調試 PAGEREF _Toc265656533 h 345.3 系統(tǒng)聯(lián)調結果與分析 PAGEREF _Toc265656534 h 34結論 PAGEREF _Toc265656535 h 35社會經濟效益分析

11、PAGEREF _Toc265656536 h 36參考文獻 PAGEREF _Toc265656537 h 37致 PAGEREF _Toc265656538 h 38附錄I 電路原理圖 PAGEREF _Toc265656539 h 39附錄程序清單 PAGEREF _Toc265656540 h 41附錄IV 元器件清單 PAGEREF _Toc265656541 h 56-. z緒 論隨著電力電子技術、微電子技術、控制理論以及永磁材料的快速開展，步進電機得以迅速開展。在現(xiàn)代工業(yè)生產中，生產機械一般都用電動機拖動。隨著現(xiàn)代化的開展，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

12、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，即對步進電機進展調速。對電機的轉速不僅要能調節(jié)，而且要求調節(jié)的圍寬廣，過程平滑，調節(jié)的方法要簡單、經濟。步進電機在上述方面都具有獨到的優(yōu)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(yōu)良的特點, 根據(jù)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(tǒng)，以更好地對步進電機進展準確而又迅速的控制。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Corte*-M3核，

13、該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。Corte*-M3在系統(tǒng)構造上的增強，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(yè)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(fā)的優(yōu)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(yè)生產中，常常要用到步進電

14、機在一些對位置控制要求不高的電機控制系統(tǒng)如傳動控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電機如步進電機仍有很大的優(yōu)勢，而要對其進展準確而又迅速的控制，就需要復雜的控制系統(tǒng)。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)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(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的；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，從而到達調速的目的。通過細分來控制步進電機可以更加準確。細分的根本概念為：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(tài)時，其步距角只為

15、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(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)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(tài)時，電機只轉動了0.18。細分功能完全是由驅動器靠準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(xiàn)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響式電機的固有特性，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(qū)工作如走圓弧，選擇細分驅動器是唯一的選擇。驅動器細分后的主要優(yōu)點為：完全消除了電機的低頻振蕩；提高了電機

16、的輸出轉矩，尤其是對三相反響式電機，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。課題目標及意義STM32是近年來開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(shù)字驅動技術也在迅猛開展，將計算機應用于這一領域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字控制方面的優(yōu)勢.微電子技術和計算機技術的開展，為計算機控制技術的開展和應用奠定了堅實的根底?？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(tǒng)更談不上現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電

17、力電子開關器件和傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術、計算機控制技術的深入開展，電氣傳動裝置日新月異地更新?lián)Q代，直流傳動系統(tǒng)也在不斷地更新和開展。步進電機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(jié)約能源等都具有重要意義。本方案以STM32為控制核心，實現(xiàn)普通步進電機的轉速、正反轉調節(jié)功能，為進一步研究和優(yōu)化步進電機控制方法提供根底。課題任務及要求通過STM32實現(xiàn)對步進電機的準確控制，通過按鍵實現(xiàn)正轉、反轉、加速、減速，并將這些信息通過TF

18、T彩色LCD顯示出來。課題容分析與實現(xiàn)本設計是一種采用STM32為核心實現(xiàn)步進電機控制系統(tǒng)?；谠O計目標的要求，本設計需要實現(xiàn)的硬件局部是系統(tǒng)的SPGT62C19B電機控制模組以及整個控制系統(tǒng)的編程。首先，根據(jù)課題背景綜合本錢和控制精度指標等因素，選擇需要的步進電機。其次，基于本錢和構造復雜的原因，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(shù)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(lián)調，實現(xiàn)任務要求。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(tǒng)的設計，介紹了整個控制系統(tǒng)的設計思想、主要模塊的電路

19、原理、程序構造以及測試結果等容，整體上分為軟件和硬件的兩大局部來設計。本次課題設計容安排可分為三局部：第一局部是硬件設計，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(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，再焊接其對應的整個模塊電路，且每一局部都要進展單獨調試，各個局部調試成功后，聯(lián)接調試整個硬件電路，對在途中出現(xiàn)的錯誤進展分析和改正，最后得出結論。第二局部是軟件設計，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，分別進展調試，最后的連調整個程序，判斷是否到達預期的要

20、求，做出結論。第三局部在軟硬件模塊調試都成功的前提下，進展硬、軟件連調，這是整個控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計進展了詳細的介紹，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展總體方案介紹；第3章具體介紹了步進電機控制系統(tǒng)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(tǒng)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展了具體的分析和說明。步進電機控制系統(tǒng)的總體方案論證步進電機控制系統(tǒng)的整個設計中最重要的局部是利

21、用PWM細分實現(xiàn)步進電機調速的處理，雖然PWM調速很早就開場研究應用，但如何用PWM細分調速的快速性和準確性至今仍是生產和科研的課題。隨著微電子技術的開展與普及，更多高性能的單片機應用使得PWM細分實現(xiàn)步進電機PWM調速的快速性和準確性都有了極大的提高?？傮w方案根據(jù)課題要求，本設計采用STM32corte*-M3處理器，由SPGT62C19B電機控制模塊作為直流電機的驅動芯片，由ADC輸入電位器產生調速命令，用TFT彩色LCD作為顯示模塊。步進電機控制系統(tǒng)硬件方案本系統(tǒng)主要由一塊STM32平臺、SPGT62C19B型步進電機驅動模塊構成，以STM32為核心，包括電機驅動、電機、A/D轉換、LC

22、D顯示等模塊。系統(tǒng)的構造框圖如圖 2.1所示。STM32作為主控芯片，通過I/O端口來控制SPGT62C19B型步進電機驅動芯片，從而實現(xiàn)對步進電機的控制。通過ADC輸入電位器產生調速命令反響給STM32，STM32調節(jié)SPGT62C19B型步進電機驅動模塊的狀態(tài)，從而使電機改變轉速和方向。同時，電機轉速可由彩色液晶LCD顯示出來，用ADC輸入電位器來對步進電機的轉動方向和轉速等進展設定。圖2.1控制系統(tǒng)構造框圖步進電機控制系統(tǒng)軟件方案硬件功能的實現(xiàn)離不開軟件的設計與完成。軟件設計是步進電機控制系統(tǒng)設計中最重要、最關鍵的局部，也是本次畢業(yè)設計的難點之處。由于本系統(tǒng)使用STM32平臺，運用Kei

23、l for ARM開發(fā)環(huán)境，在Keil u Vision軟件平臺進展開發(fā)。本課題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，分別進展調試，最后的連調整個程序，判斷是否到達預期的要求，做出結論。各個局部函數(shù)都可相互調用又相對獨立可調，保證調試的便利與程序的可讀性。系統(tǒng)的硬件設計本系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，采用ADC輸入電位器作為輸入局部，步進電機及其驅動電路采用SPGT62C19B型步進電機驅動模塊。下面分別對STM32以及相關模塊的特性進展具體介紹。STM32開發(fā)板簡介根據(jù)本課題設計的任務要求，須采用STM32作為開發(fā)平臺，因此本課題設的控制電路由采用ST 的STM32

24、F103RB 芯片及其外圍電路組成。芯片的引腳圖如圖3.1所示。圖3.1STM32F103RB芯片引腳排列圖1.1.2 STM32F103RB開發(fā)板硬件資源特性采用ST 的STM32F103RB 芯片*72MHz，128KB Flash，20KB SRAM，2SPI,2I2C,USB，CAN，PWM，2ADC，3USART，3 個16 位定時器8 位/16 位單片機的終結者工業(yè)級設計，可穩(wěn)定運行于-40 到85 攝氏度1 個串口1 個CAN 端口1 個USB 接口1 個SD 卡插槽1 個160*128 圖形點陣彩色TFT LCD標準20 針JTAG 口，用于下載與調試1 個可調模擬電壓控制用于

25、ADC 輸入，用來測試STM32F103 的模數(shù)轉換特性。1 只揚聲器用于測試PWM 輸出。1 只五向游戲桿，作為開關量輸入用。 1 片I2C 器件24C02已經將芯片所有信號引出，方便二次開發(fā) 。STM32 系列32 位閃存微控制器基于突破性的ARM Corte*-M3 核，這是一款專為嵌入式應用而開發(fā)的核。Corte*-M3 核:英國ARM 公司力推核，致力于替代8 位/16 位單片機。使用THUMB-2 指令集，32 位性能，16 位密度，與ARM7TDMI 相比，Corte*-M3 核要快35%，代碼減少45%。STM32 系列產品得益于Corte*-M3 在架構上進展的多項改良，包括

26、提升性能的同時又提高了代碼密度的Thumb-2 指令集，大幅度提高的中斷響應，而且所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。步進電機模塊步進電機驅動模塊本設計選用專用的電機驅動芯片SPGT62C19B。SPGT62C19B電機控制模組是為學生以及單片機愛好者學習步進電機和直流電機控制而設計的學習套件。模組采用凌陽SPGT62C19B電機驅動芯片，配置兩相步進電機和直流電機各一臺，并提供4位LED數(shù)碼管用來顯示電機轉速等信息。模組針對SPCE061A單片機設計，可以方便地用排線與SPCE061A精簡開發(fā)板即61板連接，可作為單片機教學、產品開發(fā)前期驗證等輔助工具使用。模組配備的步進電機為35BYJ

27、26型永磁步進電機，工作方式為雙極性兩相四拍。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進電機接收到一個脈沖信號，它就按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為步距角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率實現(xiàn)步進電機的調速。SPGT62C19B是低電壓單片式步進電機驅動器集成電路芯片，可驅動一臺兩相步進電機，或者兩臺直流電機。它帶有雙路H橋，可分別驅動兩個獨立的PNP功率管。每一個H橋都有各自獨立的使能引腳，因此非常適合于需要獨立控制的步進電機驅動系統(tǒng)。SPGT62C19B輸出電壓可達40v，輸出電流可達750mA，由輸入的邏輯電平來決定輸出

28、脈沖的寬度及頻率，所以由這款芯片組成的電機驅動系統(tǒng)將脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖放大器合為一體，省去了很多外圍器件。SPGT62C19B的部由兩組完全一樣的控制電路組成了兩路輸出通道。輸入控制信號經前級緩沖后送入片控制器，然后由控制局部進展處理并驅動晶體管，最后由OUT端口輸出驅動信號以控制電機的運行。SPGT62C19B的控制腳有如下6個：SPGT62C19B的控制引腳引腳名稱用途20 I01 通道1的電流大小控制17 I11 通道1的電流大小控制16 PHASE1 通道1的電流方向控制8 I02 通道2的電流大小控制9 I12 通道2的電流大小控制10 PHASE2 通道2的電流方向控制以

29、通道1為例，控制口I01與I11的不同邏輯組合可使通道1輸出端產生不同大小的電流輸出：控制腳I01與I11邏輯組合與輸出電流的關系I01邏輯值I11邏輯值輸出電流0 0 Ima* 1 0 2/3*Ima* 0 1 1/3*Ima* 1 1 0 上表中，Ima*是輸出電流的上限值，它與圖2.3中Vref和Rs的值有關。其關系式為：Ima* = Vref /10*Rs：PHASE1的邏輯電平值決定了該通道的電流輸出方向。PHASE1與電流方向的對應關系表3.2.3控制腳PHASE1與輸出電流的關系PHASE1邏輯值輸出電流方向0 OUT1B - OUT1A 1 OUT1A - OUT1B 步進電機

30、驅動控制模塊步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的開展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)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。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的；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，從而到達調速的目的。在非超載的情況下，電機的轉速、停頓的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個

31、脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比擬常用的步進電機包括反響式步進電機VR、永磁式步進電機PM、混合式步進電機HB和單相式步進電機等。永磁式步進電機

32、一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度或15度；反響式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反響式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩?；旌鲜讲竭M電機是指混合了永磁式和反響式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛，也是本次細分驅動方案所選用的步進電機。步進電機的一些特點1一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。2步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表

33、允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。3步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率或速度的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。4步進電機低速時可以正常運轉,但假設高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，

34、啟動頻率應更低。如果要使電機到達高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻電機轉速從低速升到高速。步進電動機以其顯著的特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的開展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。步進電機的一些根本參數(shù)電機固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如86BYG250A型電機給出的值為0.9/1.8表示半步工作時為0.9、整步工作時為1.8，這個步距角可以稱之為電機固有步距角，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器

35、有關。步進電機的相數(shù)：是指電機部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0.9/1.8、三相的為0.75/1.5、五相的為0.36/0.72 。在沒有細分驅動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅動器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅動器上改變細分數(shù)，就可以改變步距角。保持轉矩HOLDING TORQUE：是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的

36、增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比方，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。步進電機的驅動方法步進電動機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進電動機驅動器，如圖所示，它由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅動單元、保護單元等組成。圖中點劃線所包圍的二個單元可以用微機控制來實現(xiàn)。圖3.5.1 步進電機驅動控制器框圖A/D轉換模塊本次設計采用ADC輸入電位器作為輸入局部。模擬/數(shù)字轉換ADC介紹12 位ADC 是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器。它有18 個通道，可測量16 個外部和2 個部信號源。各通道的A/D 轉換

37、可以單次、連續(xù)、掃描或連續(xù)模式執(zhí)。ADC 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數(shù)據(jù)存放器中。模擬/數(shù)字轉換ADC主要特性 12-位分辨率轉換完畢，注入轉換完畢和發(fā)生模擬看門狗事件時產生中斷單次和連續(xù)轉換模式從通道0 到通道n 的自動掃描模式自校準帶嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對齊通道之間采樣間隔可編程規(guī)則轉換和注入轉換均有外部觸發(fā)選項連續(xù)模式雙重模式(帶2 個ADC 的器件) ADC 轉換時間： STM32F103* 增強型產品：ADC 時鐘為56MHz 時為1s(ADC 時鐘為72MHz 為1.17s) STM32F101* 根本型產品：ADC 時鐘為28MHz 時為1s(ADC 時鐘為36MHz

38、 為1.55s) ADC 供電要求：2.4V 到3.6V ADC 輸入圍：VREF- VIN VREF+規(guī)則通道轉換期間有DMA 請求產生。模擬/數(shù)字轉換ADC功能描述ADC開關控制通過設置ADC_CR1 存放器的ADON 位可給ADC 上電。當?shù)谝淮卧O置ADON 位時，它將ADC 從斷電狀態(tài)下喚醒。ADC 上電延遲一段時間后(tSTAB)，再次設置ADON 位時開場進轉換。通過去除ADON 位可以停頓轉換，并將ADC 置于斷電模式。在這個模式中，ADC 幾乎耗電(僅幾個A)。單次轉換模式單次轉換模式，ADC 只執(zhí)一次轉換。這個模式既可通過設置ADC_CR2 存放器的ADON 位(只適用于規(guī)則

39、通道)啟動也可通過外部觸發(fā)啟動(適用于規(guī)則通道或注入通道)，這時CONT 位為0。一旦選擇通道的轉換完成：如果一個規(guī)則通道被轉換：轉換數(shù)據(jù)被儲存在16 位ADC_DR 存放器中EOC(轉換完畢)標志被設置如果設置EOCIE，則產生中斷。如果一個注入通道被轉換：轉換數(shù)據(jù)被儲存在16 位的ADC_DRJ1 存放器中JEOC(注入轉換完畢)標志被設置如果設置JEOCIE 位，則產生中斷。然后ADC 停頓。連續(xù)轉換模式在連續(xù)轉換模式中，當前面ADC 轉換一完畢馬上就啟動另一次轉換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動或通過設置ADC_CR2 存放器上的ADON 位啟動，此時CONT位是1。每個轉換后：如果一個規(guī)則

40、通道被轉換：轉換數(shù)據(jù)被儲存在16 位的ADC_DR 存放器中EOC(轉換完畢)標志被設置如果設置EOCIE，則產生中斷。如果一個注入通道被轉換：轉換數(shù)據(jù)被儲存在16 位的ADC_DRJ1 存放器中JEOC(注入轉換完畢)標志被設置如果設置JEOCIE 位，則產生中斷。ADC 管腳：名稱信號類型注解VREF+輸入，模擬參考正極ADC使用的高端/正極參考電壓，2.4V VREF+ VDDAVDDA輸入，模擬電源等效于VDD的模擬電源且：2.4V VDDA VDD(3.6V)VREF-輸入，模擬參考負極ADC使用的低端/負極參考電壓，VREF- = VSSAVSSA輸入，模擬電源地等效于VSS的模擬

41、電源地ADC_IN15:0模擬輸入信號16個模擬輸入通道LCD顯示模塊顯示電路是本設計硬件的主要構成局部，STM32外接TFT模塊，MzT24彩色TFT模塊是一個2.4英寸的TFT模塊，置TFT控制器，對外連接直接通過8位的8080總線進展指令和數(shù)據(jù)的傳輸。MzT24有像素點數(shù)為240320，色彩深度為16位色，也就是每一個像素點需要用16位的數(shù)據(jù)來表示其顯示的容。MzT24模塊的顯示操作非常簡便，需要改變*一個像素點的顏色時，只需要對該點所對應的2個字節(jié)的顯存進展操作即可。這局部電路連接時主要是把數(shù)據(jù)準確穩(wěn)定的顯示出來，因此連接電路時需注意端口對應的準確連接，否則嚴重影響數(shù)據(jù)顯示的穩(wěn)定，甚至

42、出現(xiàn)顯示不出來數(shù)據(jù)。在外接LCD顯示時，需在LED_A端口外接一個電路放大電壓，否則無法到達需要的電壓值，使電壓由3.3V放大到5V，這樣才能夠點亮LCD顯示器，當鍵盤的輸入量經過AD轉換和STM32微處理器進展數(shù)據(jù)的處理，由模擬量轉換成數(shù)據(jù)量，傳給LCD進展數(shù)據(jù)的顯示。本系統(tǒng)采用型號為MzT24彩色TFT模塊的LCD，因為STM32開發(fā)板Z32R所使用的LCD也為此型號，技術資料齊全，縮短開發(fā)周期。擴展LCD接口原理圖如下圖。硬件電路硬件電路實物圖如圖3.5所示：控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)軟件設計步驟對于一個完整的嵌入式應用系統(tǒng)的開發(fā)，硬件的設計與調試工作僅占整個工作量的一半，應用系統(tǒng)的程序設

43、計也是嵌入式系統(tǒng)設計一個非常重要的方面，程序的質量直接影響整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，好的程序設計可以克制系統(tǒng)硬件設計的缺乏，提高應用系統(tǒng)的性能，反之，會使整個應用系統(tǒng)無常工作。不同于基于PC平臺的程序開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)的程序設計具有其自身的特點，在編寫嵌入式系統(tǒng)應用程序時，可采取如下幾個步驟：(1) 明確所要解決的問題：根據(jù)問題的要求，將軟件分成假設干個相對獨立的局部，并合理設計軟件的總體構造(2) 合理配置系統(tǒng)的資源：與基于8位或16位微控制器的系統(tǒng)相比擬，基于32位微控制器的系統(tǒng)資源要豐富得多，但合理的資源配置可最大的限度發(fā)揮系統(tǒng)的硬件潛能，提高系統(tǒng)的性能。對于一個特定的系統(tǒng)來說，其系統(tǒng)資源，如F

44、lash、EEPROM、SDRAM、中斷控制等，都是有限的，應合理配置系統(tǒng)資源。(3) 程序的設計、調試與優(yōu)化：根據(jù)軟件的總體構造編寫程序，同時采用各種調試手段，找出程序的各種語法和邏輯錯誤，最后應使各功能程序模塊化，縮短代碼長度以節(jié)省存儲空間并減少程序的執(zhí)行時間。此外，由于嵌入式系統(tǒng)一般都應用在環(huán)境比擬惡劣的場合，易受各種干擾，從而影響到系統(tǒng)的可靠性，因此，應用程序的抗干擾技術也是必須考慮的，這也是嵌入式系統(tǒng)應用程序不同于其他應用程序的一個重要特點。系統(tǒng)的軟件程序是通過對硬件設備的控制來完成控制任務的，只有充分了解硬件系統(tǒng)的工作過程才能確定軟件的任務，最終到達完美的統(tǒng)一。在進展軟件程序編寫之

45、前首先要進展系統(tǒng)的需求分析，以確定系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，明確系統(tǒng)最終的任務指標。在本課題中，軟件主要實現(xiàn)的是驅動電機、數(shù)據(jù)處理、通信、PWM信號產生等功能。因為直接編寫整套程序很煩瑣并且容易出現(xiàn)錯，所以我們可以采用自上向下逐層分解的方式，把復雜的系統(tǒng)進展合理分解。將軟件劃分為假設干個相互獨立的局部，再根據(jù)各局部的關系設計出軟件的整體框架。在程序設計時盡可能采用構造化模塊設計，根據(jù)軟件任務導出軟件模塊，每個軟件模塊功能要單一，盡量把各個模塊之間的聯(lián)系減少到最底。Keil for ARM軟件開發(fā)環(huán)境Keil uVision調試器可以幫助用戶準確的調試ARM器件的片外圍功能中斷、I/O口、A/D轉換器和

46、PWM模塊等功能ULINK USB-JTAG轉換器將PC機的USB端口與用戶的目標硬件相連通過JTAG或OCD，使用戶可在目標硬件上調試代碼。通過使用Keil uVision IDE/調試器和ULINK USB-JTAG轉換器,用戶可以很方便地編輯、下載和在實際的目標硬件上測試嵌入式程序。圖4.1 Keil軟件開發(fā)平臺PWM細分技術簡介步進電機的細分控制,從本質上講是通過對步進電機的勵磁繞組中電流的控制,使步進電機部的合成磁場為均勻的圓形旋轉磁場,從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下,合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉力矩的大小,相鄰兩合成磁場矢量之間夾角的大小決定了步距角的大小。因此,

47、要想實現(xiàn)對步進電機恒轉矩的均勻細分控制,必須合理控制電機繞組中的電流,使步進電機部合成磁場的幅值恒定,且每個進給脈沖所引起的合磁場的角度變化也要均勻。PWM細分技術簡介細分的根本概念為：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(tài)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(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)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(tài)時，電機只轉動了0.18。細分功能完全是由驅動器靠準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(xiàn)步進電機步距

48、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響式電機的固有特性，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(qū)工作如走圓弧，選擇細分驅動器是唯一的選擇。PWM細分技術驅動原理所謂細分驅動就是把機械步距角細分成假設干個電的步距角，當轉子從一個位置轉到下一個位置的時候，會出現(xiàn)一些暫態(tài)停留點。這樣使得電機啟動時的過調量或 者停頓時的過調量就會減小，電機軸的振動也會減小，使電機轉子旋轉過程變得更加平滑，更加細膩，從而減小了噪聲。其電機驅動示意圖如圖4.2所示。圖4.2 電機驅動示意圖當分別給各相繞組通電時，各相繞組產生的旋轉磁場如下：僅有A相

49、導通時，旋轉磁場指向A;僅有B相導通時，旋轉磁場指向B;僅有C相導通時，旋轉磁場指向 C;僅有D相導通時，旋轉磁場指向D。依次為各相繞組通電，每切換一次，旋轉磁場矢量轉過90，電機轉過一個步距角1.8。當旋轉磁場矢量轉過 360時，電機轉過一個齒距，這種工作方式稱為整步工作。 如果改變上述加電過程，采用四相八拍工作，即通電順序依次為： 此工作方式稱半步工作，旋轉磁場的矢量變化如圖4.3所示。每改變一次通電狀態(tài)，旋轉磁場的矢量轉過45。圖4.3 四細分驅動磁場矢量圖同理，旋轉磁場轉過360，電機轉過一個齒距。 由半步原理給予啟發(fā)，如果讓旋轉磁場矢量每次轉過22.5，這樣就實現(xiàn)了四細分驅動。其旋轉

50、磁場矢量變化如圖4.4所示。圖4.4步進電機四細分驅動磁場矢量圖為了使電機輸出轉距大小一致，也就是使電機勻速轉動，我們控制流入A，B，C，D各相電流的大小，具體按公式sin2+cos2=1來計算。圖4.5給出了四細分驅動時各相電機輸入電流值的變換曲線。圖4.5 四細分驅動轉距均勻輸出原理圖PWM細分調壓調速原理電流矢量恒幅均勻旋轉細分驅動方法。同時改變兩相電流的大小，使電流合成矢量恒幅均勻旋轉。這種方式可稱為步進電機的模擬運行，它是一種基于交流同步電機概念的特殊細分技術，實質是對運行于交流同步電機狀態(tài)的步進電機所受的交流模擬信號在一個周期細分，即每個細分點對應于一個交流值。當細分數(shù)相當大時，例

51、如本系統(tǒng)中將一個四分之一周期分成4096個點，電機繞組的電流信號就逼近模擬連續(xù)信號。這種細分技術可以極提高步進電機的分辨率和運行穩(wěn)定性。電流合成矢量的旋轉示意圖如圖4.6所示。圖4.6 電流合成矢量的旋轉示意圖步進電動機的細分控制函數(shù)數(shù)學模型：iaim*cos* ib=im*sin* 式中： iaA相繞組電流ibB相繞組電流*控制參數(shù)im電流幅值cos*控制參數(shù)余弦值sin*控制參數(shù)正弦值主程序設計本次設計的軟件局部采用模塊化的設計思想，將各個功能都編成了相應的子程序。程序運行時，通過主程序的調用及相應模塊之間的嵌套調用，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。開場運行程序，系統(tǒng)時鐘、GPIO、NVIC、A/D轉

52、換分別進展初始化，讀取A/D轉換值判斷，如果轉換值大于0，則步進電機正轉，否則步進電機反轉。如果轉換值大于170，則步進電機最大速度正轉。如果轉換值小于-170，則步進電機最大速度反轉。如果讀取的A/D轉換值與顯示的值一樣，則繼續(xù)讀取A/D值。如果讀取值與顯示值不一樣，則重新計算顯示。主程序流程圖如圖4.7所示。各模塊程序設計本次課程設計軟件程序包括A/D轉換子程序、PWM細分子程序、電機控制子程序、LCD顯示子程序構成。4.5.1系統(tǒng)初始化本設計所需的STM32的外設包括PA口、PB口、PC口和定時器端口，所以也要對外設的時鐘進展設置。由于PA口、PB口、PC口在APB1系統(tǒng)總線外設上，定時

53、器TIM2和TIM3在APB2系統(tǒng)總線外設上，所以要對APB1和APB2總線的時鐘頻率進展設置。經過APB1與APB2的分頻，將SYSCLK轉換成可以進展外設及TIM可以接收的系統(tǒng)時鐘。在時鐘初始化子程序中先對系統(tǒng)時鐘的模式進展選擇，即將系統(tǒng)時鐘設置為HSE模式外部時鐘模式，然后設置AHB時鐘等于系統(tǒng)時鐘，且設置了低速或高速AHB，最后使能的時鐘，時鐘初始化子程序的流程圖如下列圖。開場設置PLL時鐘源及倍頻系數(shù)使能外部高速晶振HSE設置AHB時鐘HSE設置成功？是檢查指定的RCC標志位設置與否選PLL作為系統(tǒng)的時鐘否否是圖4.8 時鐘初始化流程圖本課設中需要對STM32的端口進展程序的配置，下

54、為PA口的配置程序，GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7| GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure)根據(jù)指定的參數(shù)初始化外設GPIOA存放器，首先GPIO_InitStructu

55、re.GPIO_Pin選擇待設置的GPIOA管腳，通過使用操作符|一次選中了多個管腳，選擇了PA0端口、PA2端口，PA6端口、PA7端口,GPIO_Speed用以設置選中管腳的速率，管腳的速率有三種：10MHz、2MHz和50MHz，由于STM32強大的處理能力，為了能夠達系統(tǒng)速率的提高，選擇了端口的最高輸出速率為50MHz，GPIO_Mode用以設置選中管腳的工作狀態(tài)。，GPIO 端口有八種工作狀態(tài)：GPIO_Mode_AIN 模擬輸入，GPIO_Mode_IN_FLOATING 浮空輸入，GPIO_Mode_IPD 下拉輸入，GPIO_Mode_IPU 上拉輸入，GPIO_Mode_Ou

56、t_OD 開漏輸出，GPIO_Mode_Out_PP 推挽輸出，GPIO_Mode_AF_OD 復用開漏輸出，GPIO_Mode_AF_PP 復用推挽輸出。由于選擇的PA2端口和PA6端口需要產生PWM信號，因此選擇了復用推挽輸出的工作狀態(tài)，需要設置注意：當*管腳設置為上拉或者下拉輸入模式，使用存放器P*_BSRR和P*BRR 。GPIO_Mode允許同時設置GPIO方向輸入/輸出和對應的輸入/輸出設置。當I/O端口被配置為輸出時：(1)輸出緩沖器被激活 開漏模式：輸出存放器上的0激活N-MOS，而輸出存放器上的1將端口置于高阻狀態(tài)(P-MOS從不被激活)。 推挽模式：輸出存放器上的0激活N-

57、MOS，而輸出存放器上的1將激活P-MOS。(2)施密特觸發(fā)輸入被激活(3)弱上拉和下拉電阻被制止(4)出現(xiàn)在I/O腳上的數(shù)據(jù)在每個APB2時鐘被采樣到輸入數(shù)據(jù)存放器(5)在開漏模式時，對輸入數(shù)據(jù)存放器的讀訪問可得到I/O狀態(tài)(6)在推挽式模式時，對輸出數(shù)據(jù)存放器的讀訪問得到最后一次寫的值。4.5.2A/D轉換程序設計在開場ADC轉換和14個時鐘周期后，EOC標志被設置，16位ADC數(shù)據(jù)存放器包含轉換的結果，ADC在開場準確轉換前需要一個穩(wěn)定時間TSTAB。時序圖如下列圖，圖4.9 時序圖在ADC初始化設置時，首先開啟AHB外設時鐘使能存放器DMA1時鐘，定義轉換數(shù)據(jù)量，設置DMA的通道1的初

58、始化，獨立地選擇通道的采樣時間，在通道1設置看門狗，開啟ADC1并啟動轉換，應用連續(xù)轉換模式，使用DMA模式，接著便開場轉換規(guī)則通道，完成由模擬量到數(shù)據(jù)量的轉變。void adc_Init (void) / GPIOA-CRL &= 0*0000000F; /* set PIN1 analog input (see stm32_Init.c) */ RCC-AHBENR |= (1CMAR = (unsigned long)&analog; /* set chn1 memory address */ DMA1_Channel1-CPAR = (unsigned long)&(ADC1-DR);

59、 /* set chn1 peripheral address */ DMA1_Channel1-DTR = 3; /* transmit 3 words */ DMA1_Channel1-CCR = 0*00002520; /* configure DMA channel 1 */ DMA1_Channel1-CCR = 0*000025A0; /* configure DMA channel 1 */ /* circular mode, memory increment mode */ /* memory & peripheral size 16bit */ /* channel prio

60、tity high */ DMA1_Channel1-CCR |= (1 APB2ENR |= (1SQR1 = 0*00200000; /* three conversions */ ADC1-SQR3 = (310) | (25) | (1SMPR2 = (5 9) | (56) | (5CR1 = 0*00000100; /* use independant mode, SCAN mode */ ADC1-CR2 = 0*000E0103; /* data align right, cont. conversion */ /* E*TSEL = SWSTART */ /* enable