基于STM32混合式步進電機控制系統設計

2016-04-17 04:32:05夏雯娟徐曉光陸濤馬平華

海峽科技與產業 2016年5期

夏雯娟徐曉光陸濤馬平華

摘要：混合式步進電機是一種高精度的高轉矩低轉速伺服電機，但電機參數的時變性會使步進電機在運行時出現失步。為此設計STM32處理器的混合式步進電機控制系統，采用模糊自適應PID控制算法對步進電機形成閉環控制，本文闡述了μC/OS-II嵌入式實時操作系統在STM32上的移植及應用。

關鍵詞：混合式步進電機；STM32處理器；模糊自適應PID控制；μC/OS-II

0 引言

步進電機是非線性、時變、滯后的控制對象，易受使用環境的干擾，因此在工業中的應用也受到了限制。為了提高兩相混合步進電機的控制性能，微處理器STM32F103ZET6芯片采用Cortex-M3核，結合μC/OS-II嵌入式實時操作系統在Cortex-M3內核微處理器上的應用，進行嵌入式控制系統硬件電路的設計和軟件的開發。

1 系統硬件設計

核心處理器為STM32F103ZET6，由該芯片和它的外圍電路共同完成整個系統的控制以及數據的采集、傳輸、處理和顯示。

控制系統采用光電測速儀采集脈沖作為STM32控制器的輸入信號，經過處理得到步進電機的轉速和轉向。它通過FSMC（靜態存儲控制器）與核心控制器進行通信。

本次設計選用的混合式步進電機型號為42HB48-174，驅動芯片為YK2404MA，電機和驅動芯片的驅動電壓為24V，電源電壓選擇為12V，因此需要設計多個變壓電路以滿足電機驅動和核心控制器的要求。

2 模糊自適應PID控制器設計

由模糊控制規則可以確定模糊關系R，然后選擇Mamdani型模糊邏輯推理系統，可以得出控制量的模糊集合U。經過模糊推理后，需要對模糊控制器調整的參數進行清晰化處理，以獲得精確量，本次控制器中采用的清晰化方法是最大隸屬度法。

根據各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數的模糊矩陣表，查出修正參數代入公式計算。

3 軟件設計

軟件設計包括兩個部分，分別是系統軟件和應用軟件。本次設計中的微處理器STM32選擇的系統實時操作系統為μC/OS-II，通過μC/OS-II在STM32上的移植來完成系統軟件設計，而應用軟件功能的實現是建立在此基礎之上。

系統軟件移植指的是一個操作系統可以在某個微處理器或者微控制器上運行。實時操作系統μC/OS-II的移植要求移植者對被移植體系的四個重要部分有較深的了解：即目標體系、操作系統及其原理、編譯器、所使用芯片這四部分。實時操作系統μC/OS-II的移植過程其實只需要修改與處理器部分相關的代碼即可，其它部分的現有代碼不需要做修改，與具體應用相關的代碼在具體設計的時候在做相應的修改。與此同時，處理器需要給操作系統預留一個專用的定時器，該特定的定時器用來產生定時器中斷。

（1） OS_CPU.H 文件

該文件包括了用戶#define語句定義的變量，以增加代碼的可移植性，由于不同的處理器其數據長度不同，因此需要對數據長度進行重新定義。

（2） OS_CPU_C.C文件

OS_CPU_C.C文件包含一個必要的OSTaskStkInit（）函數和9個空函數的聲明，實時操作系統在創建任務時，需要通過調用OSTaskStkInit（）函數，調用該函數的目的是建立堆棧的結構，同時給堆棧賦上新的初始值，并且寄存器中的值都保存在新建立的堆棧中，方便在接下來的操作中對其進行任務切換。

4 結束語

本次設計采用STM32F103ZET6作為核心控制芯片，主要完成步進電機的運動控制，為了提高控制精度，采用了模糊自適應PID控制算法，減少環境因素對電機的影響。選用μC/OS-II實時操作系統作為軟件平臺，并進行軟件系統移植和應用程序設計。本文的創新之處是使用了當前應用廣泛的微處理器并且在該處理器上進行算法的應用，但是步進電機的運行尚需完善。

【基金項目：安徽高校省級自然科學研究項目，項目編號：KJ2014A024】

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