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)境下進行編程，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及轉動方向進行控制，并且通過LCD顯示出數(shù)據(jù)。結果表明該系統(tǒng)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(fā)展，步進電機得以迅速發(fā)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(jié)，而且要求調節(jié)的范圍寬廣，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(tǒng)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(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，而要對其進行精確而又迅速的控制，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(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(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(qū)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(yōu)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(fā)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發(fā)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發(fā)展，為計算機控制技術的發(fā)展和應用奠定了堅實的基礎。可以這樣說，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基礎。

　　1.3 課題任務及要求

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

　　1.4 課題內容分析與實現(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)。基于設計目標的要求，本設計需要實現(xiàn)的硬件部分是系統(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(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。

　　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(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(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，且每一部分都要進行單獨調試，各個部分調試成功后，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(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(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行了具體的分析和說明。